成都地铁砂卵石地层盾构施工风险分析及对策

成都地铁砂卵石地层盾构施工风险分析及对策【摘要】针对成都地铁盾构施工的特点,提出风险分析在盾构施工中的重要性。对盾构施工中蕴含的风险源进行辨识与风险分析,并提出具体的风险控制对策。

【关键词】盾构施工;富水砂卵石;风险分析;对策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13.5 m,最小坡度2‰,最大坡度26.99‰,左右线间距13~13.5m,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,

20~200 mm卵石含量约占55.0% ~75.4%,粒径一般以30~70mm为主,部分粒径80~120mm;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90.9~91.7 MPa,漂石单轴极限抗压强度为88.6~95.3MPa。

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,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;