成都地铁砂卵石地层盾构施工风险分析

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1、随着城市化进程的加快和城市交通量急剧增长,发展城市地铁已成为必然的选择。因其自身的优势,盾构法施工在城市地铁隧道建设中正扮演越来越重要的角色。我国上海、广州、北京等城市已经采用盾构法成功实施了不少工程。成都的地质情况与上述城市截然不同,成都地铁施工具有独特的“三高”特点,即地层具有高富水及砂卵石含量高、卵石和漂石强度高的特点。这种不良地质条件增大了盾构施工难度。因此,加强盾构施工技术风险分析并找出相应的对策是极其必要的。本文以成都地铁某盾构区间隧道为例,对施工中存在的风险进行辨识,并提出相应的控制措施,以确保盾构在富水砂卵石地质条件下的顺利掘进。1 工程概况成都地铁某盾构区间隧道最大埋深 13

2、.5 m,最小坡度 2,最大坡度 26.99,左右线间距 1313.5m,最小曲线半径 400 m。隧道穿越的地层主要为卵石土层,含夹薄层粉细砂透镜体, 20200 mm 卵石含量约占 55.0% 75.4%,粒径一般以 3070mm 为主,部分粒径 80120mm;填充物以细砂、中砂为主,夹少量黏性土及 砾石,含量约为 10.0% 25.0%;漂石含量一般为 5% 10%,随机分布,地勘揭露漂石最大粒径为 340 mm。卵石单轴极限抗压强度为90.991.7 MPa,漂石单轴极限抗压强度为 88.695.3MPa。地下水系为第四系孔隙潜水和基岩裂隙水两种类型。孔隙潜水主要埋藏于砂卵石土层中,

3、渗透系数 k=20.0 m/d,为强透水层。地下水位埋藏较浅,丰水期地下水位正常埋深约为3 m,成都充沛的降雨量是地下水的重要补给源之一。基岩裂隙水主要赋存于泥岩强风化裂隙带中,透水性较差。隧道下穿南河与滨江路下穿隧道,并近距离水平穿越锦江大桥与开行大厦(26 层)。地层“三高”特点及沿线建(构)筑物,对隧道掘进主要有以下几个方面的影响。(1)隧道围岩均为卵石土夹透镜体砂层,自稳能力差,透水性强,地下水位较高,水量十分丰富。区间隧道盾构施工,开挖面容易产生涌水、涌砂,造成细颗粒物质大量流失,引起开挖面失稳、地面沉降甚至塌陷。(2)隧道顶部覆土为人工填筑土、粉质黏性土、卵石土夹透镜体砂层,均为松

4、散土体,自稳能力差,盾构掘进可能引起地面沉降或塌陷。(3)隧道围岩分布有高强度、大粒径的卵石、漂石,容易造成超挖和排碴困难,还造成对盾构设备磨损严重。这些都对盾构顺利施工有较大影响。(4)盾构掘进需要先后穿越南河、滨江路下穿隧道,近距离通过开行大厦和锦江大桥。盾构掘进,对周围土体产生扰动,可能造成周围建(构)筑物变形和破坏。(5)通过南河时,地下水位较高,砂卵石地层渗透性强,开挖面易涌水、涌砂,容易发生喷涌,引起河床的沉陷,甚至发生冒顶事故。2 盾构施工风险分析及对策根据国内外盾构施工经验及成都地质调查分析,笔者对该地段盾构施工存在的风险源进行辨识、分析并提出了相应解决对策。2.1 盾构进出洞

5、地表坍陷风险2.1.1 风险辨识盾构进出洞时,洞门外侧地面坍陷。2.1.2 风险分析由于成都地铁盾构工作井洞门围护结构采用玻璃纤维筋桩,盾构能直接破除洞门,因而未对端头地基进行特殊加固处理。这样,盾构进出洞时,可能会由于洞门密封失效引起洞门漏水、喷砂,大量土体从洞口流入端头井内;或由于车站施工长期降水导致端头地层中砂土流失,地层受盾构掘进扰动而坍陷。2.1.3 风险控制措施加强降水井的降水、排水措施;提高洞门密封性能。同时对端头地层预留加固注浆孔,当地层沉降变形较大时,及时对端头补充注浆加固。2.2 盾构掘进轴线偏差风险2.2.1 风险辨识盾构掘进过程中,盾构推进轴线过量偏移导致隧道设计轴线发

6、生偏差。2.2.2 风险分析造成轴线偏差的主要原因包括盾构超挖或欠挖,纠偏不及时、测量误差与同步注浆量不够。2.2.3 风险控制措施正确设定平衡土压力,使盾构的出土量与理论值接近,减少超挖与欠挖现象,控制好盾构姿态;盾构姿态发生偏差时及时纠偏,使盾构正确地沿着隧道设计轴线前进;盾构掘进过程中经常校正、复测及复核测量基站;施工按质保量做好注浆工作,保证浆液质量和注浆量。2.3 掘进中地表塌陷风险2.3.1 风险辨识在盾构掘进过程中,地表发生塌陷。2.3.2 风险分析隧道顶部覆土为人工填筑土、粉质黏性土、粉细砂,其自稳能力差。若盾构掘进时平衡土压力过小,可能引起地面塌陷;受砂卵石土层和较大渗透率的

7、影响,土仓内不易形成不透水流塑性状态的碴土而不能建立土压平衡机理,或土仓压力不稳定而造成地表塌陷;隧道开挖范围为卵石土夹透镜体砂层,透水性强,地下水位较高,水量丰富,开挖面容易产生涌水、涌砂,造成细颗粒物质大量流失,引起开挖面失稳和地面塌陷;掘进过程中,实际出土量远大于理论出土量,地层损失过大;盾构掘进过程中,如果同步注浆不及时,也会引起地面塌陷。2.3.3 风险控制措施根据地质情况、隧道埋深等参数,设定合理的土仓平衡土压力,并防止过大波动;配置强大的碴土改良系统,选取优质膨润土和泡沫剂作外加剂,提高土仓中砂卵石土的流塑性和止水性,防止涌水、涌砂现象发生,保证开挖面稳定,建立土压平衡,从而避免

8、地表沉陷;严格控制出土量,防止超挖。控制盾构姿态,防止超量纠偏、蛇形摆动;及时进行同步注浆,确保合理的注浆压力和注浆量。地表沉降过大时,进行二次注浆;加强施工监控量测,根据监测资料反馈,优化盾构掘进参数。2.4 盾构穿越南河风险2.4.1 风险辨识穿越南河时,发生盾构机内涌水、涌砂,河床沉陷甚至冒顶。2.4.2 风险分析盾构在南河下方主要穿过的土层为卵石土层,局部全风化泥岩层,隧道拱顶距河床最小距离 7 m。当盾构通过该地段时,土层受到扰动过大,或开挖面平衡土压力控制不当,易造成盾构机内涌水、涌砂,河床塌陷甚至盾构机冒顶。南河采用人工河堤,河堤基础和墙身均为浆砌片石。盾构穿越引起扰动基础,引起

9、河堤变形、破坏。2.4.3 风险控制措施穿越前对盾构机进行全面检查与保养,确保盾构以良好状态通过南河;穿越前实测南河水深度,随时调整盾构施工参数,减少盾构的超挖和欠挖;选取优质膨润土和泡沫剂作外加剂,改善碴土的流塑性,盾构机配置双螺旋输送机、双闸门,形成双保险,防止喷涌而造成土体失稳和河床沉陷;盾尾钢丝刷内充满优质油脂,确保盾尾无漏浆现象;加强姿态控制;派专人观察河面变化情况,若发现水面冒出气泡或出现浑水时立即暂停掘进,关闭螺旋输送机;盾构穿越河堤时,覆土层厚度发生突变,要及时调整平衡土压力,减少对河堤基础的扰动,保护南河河堤;加强施工监控量测,根据监测资料反馈,优化盾构掘进参数。2.5 盾构

10、侧通过锦江大桥风险2.5.1 风险辨识盾构近距离侧通过导致锦江大桥破坏风险。2.5.2 风险分析锦江大桥为跨度 17.15 m 的三跨连续拱桥,桥长 51.45m,桥面宽 50 m,始建于1958 年,后经多次扩建。大桥为台阶形扩大基础,厚 3 m,基础最下层为 C10 级砼基础,其余二台为 M5 级水泥砂浆砌条石基础,桥墩为 M5 级水泥砂浆砌城砖,拱部为 C10 级水泥砂浆砌城砖拱。左线盾构隧道距锦江大桥基础最小水平距离仅 2 m、最小竖向距离仅 5.2 m(见图 1),锦江大桥的基础及拱式结构,对环境变形敏感。而盾构隧道通过时,容易造成地基土体扰动,从而导致大桥基础变形、位移,大桥结构开

11、裂、破坏。2.5.3 风险控制措施通过锦江大桥时,严格控制盾构姿态,严禁超量纠偏、蛇形摆动;对掘进参数及时进行调整,刀盘转速 11.5 r/min,土压力值逐渐减小,推进速度 34 cm /min;严格控制出土压力值和出土量,以免造成盾构前方土体发生坍塌;加强碴土改良的控制,选取优质膨润土和泡沫剂作外加剂,改善碴土的流塑性,防止突涌而造成水土流失、土体失稳及河床沉降;优化同步注浆配合比,加大同步注浆压力,保证同步注浆量,使注入的浆液能及时有效地填充管片与围岩之间的空隙;采用高压旋喷桩对左线盾构隧道与桥基之间土体进行隔离加固,旋喷桩有效直径 500 mm,桩间距 1 m。加强河床、锦江大桥基础与

12、结构监测,一旦变形过大,及时进行隧道二次注浆,或对大桥地基进行补充注浆加固。2.6 卵石、漂石风险2.6.1 风险辨识盾构刀具、刀盘与螺旋输送机磨损严重,失去掘进与出碴能力。盾构无法排除较大粒径卵石、漂石。2.6.2 风险分析大粒径卵石与漂石具有含量高、强度高的特点,对盾构的刀盘、刀具与螺旋输送机磨损严重,影响正常掘进效率,甚至失去掘进与出碴能力。盾构所通过的地层漂石含量约为 5% 10%,局部富集层高达 20% 30%;揭露漂石最大粒径为 340 mm,而且漂石单轴极限抗压强度高达 98.4MPa。漂石粒径大,难以通过刀盘开口和螺旋输送机,甚至造成盾构无法继续掘进。2.6.3 风险控制措施在

13、刀盘和螺旋输送机表面加焊耐磨钢板和耐磨条,增加刀盘的耐磨性能;对碴土进行改良,减少碴土对盾构刀盘、刀具及输送机的磨损;定期检查,发现刀具、刀盘磨损及时更换或维修。优化刀具布局,选择合适的刀具组合形式,从而加强盾构破除高强度卵石与漂石的能力:利用刀盘上的单刃、双刃滚刀将大粒径的卵石、漂石破成碎块;增大刀盘与螺旋输送机的开口尺寸,使盾构机能直接排出直径小于 280 mm 的卵石、漂石。对于盾构机不能破损的大直径漂石,采用进入土仓利用岩石分裂机进行岩石分裂破碎处理。2.7 更换刀具风险2.7.1 风险辨识人员进入土仓检查、更换刀具时,掌子面失稳导致人员的伤害或地表坍陷。2.7.2 风险分析在检查、更

14、换刀具时,必须清空出土仓内的部分碴土以提供工作空间,原有的土压平衡被打破,由于卵石土层自稳能力差,掌子面土体容易坍塌,导致作业人员伤害,或引起地面坍陷。2.7.3 风险控制措施减少掘进对刀具的磨损,提高刀具耐磨性能,从而降低进仓更换刀具的频率;改进盾构设备,增加刀盘开口挡板,阻止塌落下的土方人员对作业人员造成的伤害;采用气压换刀,提高掌子面稳定性能;加强工人培训,完善开仓管理制度,制定详尽的应急预案。3 结束语由于成都地质具有“高富水、砂卵石含量高、卵石和漂石强度高”的特点,使得盾构施工存在较大的安全风险。在施工前,对掘进过程中潜在的安全风险进行全面、充分的分析,并采取安全可靠的控制措施,制定合理的施工方案,是可以杜绝施工安全事故的发生的,真正做到防患于未然。截至目前为止,该区间盾构隧道已顺利掘进了共 1 100 m,未发生任何施工安全事故。