城市地铁区间隧道盾构工程地表沉降控制

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1、文章编号:10045716(2003)0611605中图分类号:U45211+3 文献标识码:B城市地铁区间隧道盾构工程地表沉降控制吴全中(中隧集团一处有限公司,河南 新乡453000)摘 要:介绍了地铁区间隧道盾构掘进时控制地表沉降的重要因素。关键词:地铁;盾构;地表沉降;壁后注浆 城市地铁采用盾构机施工不仅给作业者提供安全的工作环境,而且机械化、自动化水平高,利于地面建(构)筑物和地下管线的保护,利于城市环境保护,更减小了对城市秩序的影响,实现快速、安全、可靠目的。在广州地铁2#线(越三)区间隧道盾构施工中,针对工程地质特性、覆土厚度,选择正确的掘进模式,设置适合的施工土压,采用合理的掘进

2、注浆方式,严格控制出碴量,选择灵活合理的掘进参数,有效地控制地表下沉和提高掘进速度,地表沉降得到有效控制,远小于允许值,安全通过了建筑群、桩基群、繁忙的广州火车站,有效地保护了沿线的地上建筑和地下设施,并创造了日掘进30m、月进度405m的国内纪录。本文将结合该盾构工程进行描述。1 工程概况广州地铁2#线(越三)区间隧道盾构工程由越秀公园站广州火车站三元里站两个区间双孔隧道及双孔隧道间的二条联络通道组成,全长3926单线延米。共有曲线三组六段,合计1939m,占全长49.4%,转弯半径为600m、400m。两个区间均为“V”型坡,最大坡度30,隧道覆土厚最小7.9m,最大26.4m。本工程采用

3、复合式土压平衡盾构机施工,具有三种掘进模式,具有可互换和更换的齿刀和滚刀两种刀具,以对付软硬交错的地层,配备了同步注浆系统、外加剂注入系统、压缩空气系统,具有自动导向功能,适应地层广,满足不同地层的掘进速度要求,适用于含水软岩、硬岩和混合地层的隧道掘进。2 地质概况沿线地基岩土从上至下分为9层:(1)人工杂填土层;(21)淤积层:灰黑色淤泥质粉砂、淤泥质粘土混合而成,流塑软塑;(22)海陆交互淤积层:灰白色淤泥质粉细砂,饱和、松散;(32)冲、洪积砂层:中、粗砂,饱和、松散中密,强透水层;(4)冲、洪积土层:粘土层,可塑硬塑,粘性强,中压缩性土;(51)残积粉质粘土层:基岩风化而成,可塑硬塑,

4、粘性较好,中压缩性土,微弱透水层;(52)残积硬塑粉质粘土、粘土层:由硬塑坚硬的粉质粘土及中密密实的粉土或夹薄层强风化岩块组成,中、低压缩性土,微弱透水层;(6)岩石全风化带:泥岩、泥质粉砂岩、粉砂质泥岩、含砾粉砂岩、含砾细砂岩,风化成土柱或土块状,致密、坚硬,微透水层;(7)岩石强风化带:泥质粉砂岩、粉砂质泥岩、含砾粉砂岩、细砂岩、粗砂岩、砾岩,陆源碎屑结构,中厚层状构造,裂隙很发育,岩体破碎,岩质软遇水易软化;(8)岩石中风化带:泥质粉砂岩、粉砂岩、含砾粗砂岩、砾岩,陆源碎屑结构,中厚层状构造;(9)岩石微风化带:含砾粉砂岩、含砾粗砂岩、砾岩,粉砂、粗砂状结构,中厚层状构造,岩心完整,稍硬

5、坚硬。隧道穿越地层主要是(52)、(6)、(7)、(8)、(9),各类土石所占比例见表1。地下水主要为第四系孔隙水和基岩裂隙水。越火区间孔隙水赋存在泥质砂岩和冲、洪积层,水位埋深0.75.3m,裂隙水主要赋存在全、强、中风化带及破碎带内,水位埋深7.516.1m;火三区间水位一般埋深02.8m,为第四系孔隙水和基岩裂隙水的混合水位。表1 左线/右线隧道穿越地层体积比(单位:%)区间断裂破碎带(4)(51)(52)(6)(7)(8)(9)越秀公园火车站5.8/5.70.2/-2.7/-5.5/0.96.8/1.024.6/29.813.2/22.641.2/31火车站三元里-/-/-/-/5.5

6、6.6/17.119.4/13.351.4/52.822.6/11.3两区间总比例3.0/2.80.1/-1.4/-2.8/3.16.7/13.922.1/21.631.7/37.632.2/213 建筑物概况隧道地表建筑物密集,估测的沉降范围内有214座,其中四层以上43座。区间180m长范围穿越14股轨道的广州火车站,同时穿过站场下的邮政通道(距隧道最近4.2m)和人行天桥(隧道距桩基最近2.6m)。地下管线复杂,共穿越管线56条,包括上下水、煤气、电话、电缆,为钢管、铸铁管和砼管。对地面环境和地上、地下设施的保护要求高。4 控制标准(见表2)总第85期2003年第6期 西部探矿工程WES

7、T-CHINA EXPLORATION ENGINEERINGseries No.85Jun.2003表2 地表及建筑物控制标准监测项目控制标准附注地表隆陷(mm)+10/-30隆起/沉陷地表建筑物倾斜3建筑物允许倾沉值砌体承重结构0.002/0.003中低压缩性土/高压缩性土砖石墙填充边排桩0.002/0.003框架结构0.007/0.001不均匀沉降不产生附加力的多层结构0.005/0.005建筑物基础H 24m0.004/0.00424H 600.003/0.00360H 1000.002/0.002H1000.0015/0.0015高耸结构基础H 20m0.008/0.00820H 5

8、00.006/0.00650H 1000.005/0.005100H 1500.004/0.004150H 2000.003/0.003200H 25001002/01002高耸结构基础(mm)H 100-/400100H 200-/300200H 1.5kg/cm2,地下水特别丰富的地层,如隧道或其上部处于(5)、(6)不稳定地层和(7)强风化层,或隧道处于断裂构造带中,或可能有较大涌水采用半敞开式不能有效控制涌水时,采用土压平衡模式。采用土压平衡工况掘进时,使刀具切下的土砂充满碴仓,并呈流塑性控制开挖面,用螺旋输送机和调整装置保持排土与切削量平衡,维持碴仓土砂一定的压力,抗衡开挖面的土压和

9、水压,用碴仓和螺旋输送机内的土砂获得止水效果,配合同步注浆系统和必要的二次注浆,保持开挖面稳定,防止地下水涌出,控制地表隆陷。采用土压平衡模式时,碴土应有良好的流塑状态、良好的粘 软稠度、低的内摩擦角和低的透水性,当满足不了要求时,需给7112003年第6期 吴全中:城市地铁区间隧道盾构工程地表沉降控制开挖面、混合仓和螺旋输送机内注入外加剂对碴土进行改良,使开挖土具有流动性和止水性。对于易流动、内摩擦角小、渗透系数小的粘性土地层,通过刀盘和螺旋输送机的搅拌,切下的土一般具有塑流性,对于粘着力大不易流动的土可以向碴仓注水,使土得到适合的流动性,粘性土的渗透系数较小,止水性没问题。对于流动性差、内

10、摩擦角大、渗透系数大的砂性土地层,切下的土流动性差,充满碴仓和螺旋输送机的土使刀盘、输送机的扭矩和千斤顶推力增大,影响掘进,另外,压缩的土体止水性差,当地下水压高时,易出现喷发现象,这时要注入添加剂,使开挖土具有流动性和止水性,平衡开挖面的土压和水压。施工中采用的外加剂是泡沫和膨润土,泡沫通过盾构机上的泡沫系统注入,膨润土以悬乳液的形式通过膨润土系统注入到开挖仓和输送机进口,当必要时向盾壳上注入,及早充填盾壳背空隙,控制地表沉降。当围岩稳定性变好时,逐渐加大排土速度,将碴仓排至剩少部分土,碴仓降到常压,伸出螺旋输送机,实现敞开式掘进。当围岩稳定性变差,开挖面有可能坍塌或不能有效控制地下涌水时,

11、缩回螺旋输送机,关闭卸料口,冲入压缩空气封闭碴仓,防止坍塌,控制涌水,实现半敞开式掘进;当开挖面不能达到稳定或水压力过大时,停止出碴使碴土充满碴仓并获一定压力,以抗衡开挖面土压和水压,控制出碴量,实现土压平衡掘进模式。盾构机在ZDK17+480.35+050段掘进时,地层为(6)、(7)(全、强风化)地层,开挖面不能完全自稳,由于没有及时建立土压平衡,地表沉降相对较大。7.2 掘进土压力选择当盾构掘进时,若开挖面受到的水平支护应力小于地层的原始侧向应力,则开挖面土体向盾构内移动,引起地层损失而导致盾构上方地面沉降。反之,当作用在正面土体的推应力大于原始侧向应力时,则开挖面土体向上向前移动,引起

12、负地层损失而导致盾构前上方土体隆起。掘进时的控制压力按地层土压力、地下水压力和预备压力设定。土仓内因刀盘的推力所产生的土压力随刀盘对土体的推力不同而变化,主动土压力和被动土压力是侧向土压力的的极限最小和最大值,而静土压力介于两值之间。刀盘前方的土压力小于主动土压力时,土体沿滑动面下滑可能引起地层和地面的下沉;当刀盘前方的土压力大于被动土压力时,土体上滑可能引起地面隆起。在实施对土压力进行控制和管理时,一般根据地层特性和地面环境确定一个土压上限和下限值,上限是被动土压(或静土压)力、水压力、预备压力的和,下限是主动土压力、水压力的和。施工土压力计算应考虑隧道的埋深,根据经验,浅、深埋隧道的分界埋

13、深是施工引起坍塌平均高度的22.5倍。坍塌平均高度h=0.4526-f其中f为按铁路隧道设计的围岩类别,为隧道宽度影响系数,=1+n(B-5),B为隧道宽度,n为B每增减1m时的围岩压力增减率(B基准为5m),当B 5时取0.1。深埋隧道的土压力计算,可根据围岩分类和结构设计,按“铁路隧道设计规范”推荐的方法计算。由于静土压力难以确定,并且作用于开挖面的压力因土室内土的状况而不同,故在试掘进期应根据地基状态变化的调查,决定最佳控制压力。施工中,深埋隧道按“铁路隧道设计规范”考虑施工土压时,一般情况得出的土压力偏大,如果地质情况良好,考虑隧道12倍洞径的土压较合适。浅埋隧道的土压力主要计算静土压

14、力、主动土压力和被动土压力。静土压力计算时,土的侧压力系数的选择很重要,可以通过雅基公式或经验值或日本”建筑基础结构设计规范”比较选择。盾构掘进过程中由于施工的扰动,土体静止的弹性平衡状态被改变,使刀盘前方的土体产生被动或主动土压,主动和被动土压力的计算可以结合铁路隧道设计、施工经验,针对盾构施工原理,采用朗金理论计算。水压力即孔隙水压力,其计算应考虑土体渗透速度、渗透系数、水力梯度,掘进时的水压力可以根据水位埋深和地层的渗透系数确定的一个经验值计算(w=k h,砂土中k=0.81.0,粘性土中k=0.30.5)。随着盾构的前进,土室内压力接近原始的土压力和水流经土体时的阻力。水压力因地层不同

15、变化很大,它的计算对推进力的选择影响很大。施工中有一些次要的不可见因素,对沉降要求较严格的区段,要在土压力和水压力理论计算的基础上考虑0.10.2bar的预备应力。浅埋隧道施工时,为使工作面的土体保持稳定状态,应以静土压力为主要依据。当隧道埋深不大或围岩很不稳定时,用朗金理论计算主、被动土压力,以确定盾构施工的土压力。按朗金理论计算的主动土压力是考虑开挖面稳定,是基于允许开挖面有一定的变形或移动,因此对于自稳性较差的地层、软弱或变形系数较大、容易失水的地层,以此理论考虑主动土压力是偏小的,也是比较危险的。施工中反映,如果推进土压力小于主动土压力,当隧道埋深不大时,土体会向下滑移,导致地表沉陷。

16、当沉降要求较为严格时,应使盾构的推进力大于静土压力,以使土体产生向前进方向的变形或滑移,以达到减小地表沉降的目的。然而由于推力的增加,增大了掘进扭矩,致使功率增大,加大了工程成本,应找到一个最佳控制点。加强监测和及时反馈信息,根据地表隆起和沉降状况调整推力,加快出碴速度减小推力,达到降低地表隆起的目的;减小出碴量,提高正面压力,保持开挖面的稳定,达到控制沉降目标。盾构机在YDK17+345.95+014段掘进时,为(6)、(7)(全、强风化)地层,由于掘进模式转变过程中没有建立合理的土压力,加上注浆充填率较小未调整,出现了相对较大的地表下沉。7.3 壁后注浆壁后注浆主要是为了防止由盾尾空隙引起

17、的隧道周围围岩变位,控制地表沉降,同时可以提高隧道的止水性,确保管片的早期稳定。(1)注浆方式采用同步注浆和二次注浆。同步注浆。盾构推进时,盾尾形成短时间无支护状态的盾尾空隙变形,直接影响地表沉降的大小。采用同步注浆系统及盾尾的注浆管在盾尾空隙形成的同时,采用盾构边掘进边注浆的同步注浆方式,迅速注浆充分填实空隙并尽早获得设计强度,及时防止围岩变形,控制地表沉降。经验表明,壁后注浆的开始时间越早,充填率越高。采811西 部 探 矿 工 程 Jun.2003No.6用EPB模式时,由于地层自稳能力差,同步注浆方式非常重要。二次注浆。为提高壁后注浆层的防水性和密实均匀,必要时在同步注浆结束后进行二次

18、注浆。若管片背后注浆不足,将产生明显漏水,不仅影响隧道使用,还会产生因地下水的流动(使土粒产生位移,粒间空隙压缩)或水位下降(使土体内有效应力增加,发生固结现象),造成地表沉降。通过注浆孔(吊装孔)钻孔入土体2m,对土体进行加固,有效止水,控制地表沉降。另外通过注浆,使隧道管片与周围土体形成整体保持结构稳定,因此管片壁后注浆的均匀和充分也是很重要的。注浆浆液要流动性好,便于盾构移动过程中续持不停的注浆,而一环注浆结束后,浆液凝固有较好的强度,具有微膨胀性,避免后期收缩变形,二次注浆材料要可注性强,能补充同步注浆的缺陷,对同步注浆起充填和补充作用。当地下水特别丰富时,需要对地下水封堵。同时为了及

19、早建立起浆液的高粘度,以便在浆液向空隙中充填的同时将地下水疏干(将地下水压入地层深处),获得最佳充填效果,这时需要将浆液的凝胶时间调整至14min,必要时二次注浆可采用水泥-水玻璃双液浆。施工前应进行详细的浆液配比试验,选定合适的注浆材料,添加剂及浆液配比,保证所选浆液配比、强度、耐久性等物理力学指标满足工程的设计要求。(2)同步注浆以注浆压力与注浆量进行双重控制,二次补强注浆量根据地质情况及注浆记录情况,分析注浆效果,结合监测情况,由注浆压力控制。注浆压力。同步注浆时要求在地层中的浆液压力大于该点的静止水压及土压力之和,做到尽量填补同时又不产生劈裂。注浆压力过大,管片周围土层将会被浆液扰动而

20、造成后期地层沉降及隧道本身的沉降,并易造成跑浆,对刚拼装完成的管片影响也大;而注浆压力过小,浆液填充速度过慢,填充不充足,会使地表变形增大,通常同步注浆压力一般为1.11.2倍的静止土压力,即0.20.3MPa,二次注浆压力为0.20.4MPa。注浆量。同步注浆量理论上是充填盾尾建筑空隙,但同时要考虑盾构推进过程中的纠偏、浆液渗透(与地质情况有关)及注浆材料固结收缩等因素。根据地质及线路情况,注浆量一般为理论注浆量的1.42.0倍,并应通过地面变形观测来调节。(3)注浆速度及时间。根据盾构机推进速度,以每循环达到总注浆量而均匀注入,盾构机推进开始时注浆开始,推进完毕注浆结束。注浆速度应与盾构机

21、的掘进速度相适应。过快可能会导致堵管,过慢则会导致地层的坍塌或使管片受力不均,产生偏压。在YDK17+694.5+651、ZDK17+694.5+655段(8)地层(中风化)曾出现相对较大的地表沉降,主要是因为充填率较小,注浆量不足引起的;YDK17+435.95+014段(6)、(7)地层(全、强风化)曾出现相对较大的地表沉降,主要由于充填率相对较小,注浆量不足,且没有建立合理的土压平衡引起的。7.4 控制循环出碴量严格控制掘进速度,控制每循环的出碴量,保持开挖土量和出土量的平衡,密切关注出碴碴土的物理性能。不同的地层考虑相应的松散系数来控制碴土量,(52)、(6)地层为1.21.4,(7)

22、地层为1.51.6,(8)、(9)地层为1.61.8。安装管片时,在土仓建立土压平衡(EPB模式)或气压平衡(半敞开式模式)。因特殊情况需长时间停机时,使碴土充满土仓,建立土压平衡。施工全过程中,土仓仓门的开启和土仓压力应严格执行制定的程序,一般情况下仓门不得随意打开。7.5 控制地层失水地下水的流动使土粒产生位移,土粒间空隙压缩,水位下降使土体内有效应力增加,发生固结现象,造成地表沉降。就止水性而言,粘性土的渗透系数较小,没什么问题。砂性土渗透系数大,仅靠土仓和螺旋输送机的压缩效应不能有效止水。掘进时密切关注开挖面的出水情况,当发现碴土太稀、水量偏大、开挖面有地下水涌出时,立即关闭螺旋输送机

23、仓门,给开挖面或土室内注入泡沫或膨润土外加剂以补充细微颗粒的不足或置换细微颗粒中的空隙水,使开挖土体具有止水性,同时实现气压或土压平衡模式掘进。保证管片壁后注浆量充足,加固周围土体,有效止水,确保结构防水质量,防止管片背面漏水,以免引起地下水的流动或水位的下降。成洞段的隧道若出现漏水现象应及时通过管片注浆孔进行二次补强注浆和防水补漏处理。通过富含地下水的地层时,一方面要确保盾构机快速通过,一方面在刀盘前方注入泥浆,在管片背后注入水泥 水玻璃双液浆,及时迅速封堵地下水。在掘进过程中加强对铰接密封、盾尾密封检查,发现有涌水(或砂浆渗漏)时立即进行处理,避免因水或砂浆的流失产生沉降。7.6 其他控制

24、措施(1)盾构纠偏、在曲线推进。盾构在曲线推进、纠偏、抬头或叩头推进过程中,实际开挖断面不是圆形而是椭圆,从而会引起附加变形,此时应调整掘进速度与正面土压,达到减少对地层的扰动和减少超挖的效果,从而减少地层的变形。(2)固结沉降控制。盾构推进中的挤压作用和盾尾后的压浆作用等施工因素,使隧道周围地层形成正值超孔隙水压力区,随着盾构的离开,土体表面应力释放,超孔隙水压力逐渐消失,引起地层固结变形而带来地面沉降。超孔隙水压力消失后,土体骨架还会因流变而引起次固结变形(沉降),在孔隙比和灵敏度较大的软塑和流塑性粘土层中,次固结沉降要持续几年以上,所占总沉降量比例达35%以上。为此应根据地面实施监测结果

25、进行及时控制,在管片衬砌背后实施跟踪回填与固结注浆,尤其是对拱部120 范围进行地层固结注浆非常重要。(3)盾构暂停推进时,推进千斤顶可能漏油回缩引起盾构后退,而使开挖面土体松弛造成地表沉陷,此时应作好防止盾构后退措施,并对开挖面及盾尾采取封闭措施。(4)由于左右线施工的相互影响,左线土压要比右线考虑提高0.10.2bar。(5)在土压力作用下,隧道衬砌产生的变形或沉降也会引起少量的地层损失。隧道衬砌沉降较大时,会引起不可忽略的地层损失。8 结束语(1)通过对影响地表沉降的要素严格控制,加强严密监测和(下转第127页)9112003年第6期 吴全中:城市地铁区间隧道盾构工程地表沉降控制图5 未

26、风化混合花岗岩段井内网路连接示意图图6 特坚硬花岗岩段井内网路连接示意图井口(见图5)(3)对特坚硬花岗岩段,将32发雷管从长边分成两束,分别在井底簇联,每束捆绑2发毫秒非电雷管引爆,引爆用非电雷管,通过导爆管引至井口(见图6)。(4)为了使不同井之间的爆破震动错开,簇联处的非电雷管用不同段别的导爆管非电雷管,使不同井之间的爆破存在时间差。各井口的引出导爆管,通过导爆管连接形成闭合回路。闭合回路再通过导爆管引到安全地带,由电雷管激发,电雷管利用起爆站的起爆器起爆。2.6 盲炮的检查和处理2.6.1 盲炮检查炮眼中的炸药起爆后,会有轻微的震动和声响,起爆时,起爆站及各警戒点应注意聆听和观察,如果

27、起爆成功,进入现场进一步检查爆破结果(携带必要的仪表和工具),根据炮眼周围的隆起情况,判断是否存在个别炮眼拒爆,如果炮眼附近没有明显的隆起,非电雷管可剪断雷管脚线,取一小段脚线,根据脚线内有无导爆管芯药确定雷管是否传爆,如果确实未传爆,待全部检查完备再次进行引爆,但必须注意已爆炮眼是否已经改变了炮眼的抵抗,并注意进行防护。如果起爆后,整个爆区没有发生爆破作用,则在未解除警戒的情况下,爆破员进入现场,检查起爆雷管是否发生爆炸,如果起爆雷管发生拒爆,则整个爆区肯定拒爆,可以重新连接起爆。2.6.2 盲炮处理盲炮处理有两种方法:一种是距盲眼30cm处打一比盲眼深20cm的炮眼装药爆破,另一种是用铜制

28、器具将炮泥掏出,取出雷管和炸药。盲炮处理取出的爆破器材要进行处理。3 施工注意事项 由于是既有线施工,所以每次爆破前要向车站要点,爆破后即时消点。钻眼应严格按照爆破设计进行,使炮眼深度和位置符合要求,以保证爆破效果和安全。导爆管雷管插入药卷前要做防腐处理。药包、炮泥装填只能用木质炮棍,不能用钢钎。导爆管网路中不得有死结,眼内不得有接头。用雷管起爆导爆管网路,导爆管应均匀敷设在雷管四周,并用胶布等捆扎牢固,雷管聚能穴指向与需要的传爆方向相反,防止聚能穴炸断导爆管。4 体会(1)初步设计是爆破的基础,但要取得较好的爆破效果,必须根据不同的岩石进行试爆并确定爆破参数,特坚硬花岗岩段炸药单耗高达3.6

29、5kg/m3,在加强防护的情况下,保证了既有线行车安全,又取得了较好的爆破效果。(2)爆破中,有时会遇到不同的岩石分层于桩孔中,这种情况应分层利用不同的参数爆破,否则会出现上层没炸动下层炸成窟窿使炮眼失效,或上层冲天了而下层未炸动的现象。(上接第119页)严格管理,沉降得到很好的控制,沉降值远小于规范的允许值,盾构成功地穿越了年代不同、结构各异的建筑物,穿越了各类管线及距隧道顶部仅0.6m的建筑物桩基群。特别是顺利地穿越了广州火车站,轨面沉降和轨面高差最大仅为5.4mm和2.2mm。(2)引起盾构隧道地表沉降的因素很多,主要与掘进模式、掘进土压力、注浆方式和时机、注浆量和压力、地层失水等有关,施工时要根据地质特性综合考虑,遵守“模式正确、土压合理、防范失水、快速掘进、及时注浆、注浆充分、严密监测、迅速反馈”的原则,既保证施工进度又保证沉降量控制在允许值以内。(3)盾构脱出管片形成的盾尾空隙由于土体应力释放,将发生弹塑性变形,引起地表沉降,地层越软弱沉降速度越快,所以要采用同步注浆,注浆速度与掘进速度相匹配,并保证浆量充足。根据沉降监测反馈指导施工,必要时再及时二次注浆。(4)地层失水易产生地表沉降,当地下水丰富、水压力较大时,应立即关闭仓门,注入泡沫、膨润土,提高碴土的止水性,同时采用土压平衡模式掘进。7212003年第6期 王有科:电气化铁路护坡上桩板式挡土墙桩孔爆破技术