成都富水砂卵石地層盾構施工滯后沉降防控措施探討

羅松,張浩然

(1.成都地鐵有限責任公司建設事業部土建技術室,成都 610031;2.中鐵隧道集團有限公司科學技術研究所,河南洛陽 471009)

0 引言

成都地鐵1號線一期工程于2005年正式開工。在1號線一期施工中,首次在成都富水砂卵石地層中采用了盾構法施工,而國內外尚缺少在相似地層中的相關施工經驗;因此,在成都地鐵施工中,遇到了比較特殊的滯后沉降問題。由于成都富水砂卵石地層的特殊性,盾構在該地層中掘進引起的地層沉降滯后極為顯著,由滯后沉降導致的地表塌陷屢有發生,造成較大的經濟損失及不良的社會影響;因此,如何解決成都特有富水砂卵石地層盾構掘進滯后沉降問題是必須面對的新課題和挑戰。

1 成都地鐵1號線某盾構標段工程概況

成都地鐵1號線一期工程某盾構標段隧道區間線路基本沿人民南路中部敷設,分3個區間。區間隧道設計為外徑6 000 mm、內徑5 400mm的盾構隧道,管片厚度為300mm,幅寬采用1 500 mm。3個區間的縱坡形式為“V”字坡。區間隧道穿越地層主要為含水量豐富、補給充足的強透水的松散—密實卵石土,上覆土體為粉土、粉細砂及雜填土。隧道頂至地表埋深為8～15m,大部分埋深在10 m左右。區域內地下水具埋深淺、隨季節性變化明顯的特點。7,8,9月為豐水期,11,12,1月為枯水期,8月地下水位埋深最淺。根據四川省地礦廳環境地質監測總站對成都市地下水動態長期觀測資料:在天然狀態下,豐水期地下水位正常埋深約為2m;地下水位年變幅約為1～2.5m;地下水自北西流向南東,水力坡度約為2‰[1]。

2 滯后沉降產生機理及過程分析

2.1 滯后沉降產生機理分析

在成都地鐵1號線某盾構標段的施工中,由于施工前期對成都特有的富水砂卵石地層盾構掘進沒有相關經驗,沒有認識到該地層滯后沉降的危害,前期施工未采取有針對性的預防滯后沉降的措施;因此,在盾構掘進通過一段時間后,多次發生由于滯后沉降造成的隧道上方地表塌陷事故。

盾構掘進不可避免會造成地表沉降,但在不同的地質條件下表現出的時間特性卻存在較大差異。在軟土地層中,地表沉降往往發生在管片脫出盾尾階段,但隨著同步注漿對盾尾建筑空隙的填充,沉降將在較短時間內趨于穩定[2]。但在成都地鐵特有的富水砂卵石地地層中,由于砂卵石層在一定的條件下,在較長時間內有一定的自穩能力;因此,地表沉降監測值不能完全真實地反映地層損失情況,沉降具有很強的滯后性。根據成都地鐵1號線各盾構標段實際情況,滯后沉降引起地表塌陷的潛伏時間從幾天到幾個月不等。

2.2 滯后沉降發生過程分析

根據成都地鐵1號線盾構在富水砂卵石地層中施工經驗,將該地層中土體發生滯后沉降過程劃分為4個階段[3]:1)盾構掘進發生超挖或長時間停機造成土體擾動(砂卵石地層中盾構掘進極易發生超挖);2)砂卵石層形成半球形穹頂自穩;3)由于受到地下水位提升、地表動荷載影響等因素影響,形成自穩的砂卵石層穹頂表層逐漸剝落向地表發展;4)最終地面貫穿,形成塌孔。滯后沉降導致地表塌陷過程分析詳見圖1。

圖1 滯后沉降導致地表塌陷發展過程示意圖Fig.1 Developing process of ground surface collapse induced by delayed settlement

2.2.1 盾構掘進造成土體擾動情況分析

盾構在砂卵石地層中掘進,造成土體擾動的情況主要有:1)出碴量未得到有效控制,發生超挖;2)盾構長時間停機更換刀具,盾構刀盤上方發生土體坍塌,造成土體擾動;3)盾構到達及始發端頭處于基坑開挖降水范圍,由于降水造成的土體損失及盾構始發到達施工的不連續性,往往會導致較強的土體擾動;因此,該部位滯后沉降導致地表塌陷發生頻率極高;4)在一些不良地質中(上部泥巖下部砂卵石地層、泥夾石地層、局部透鏡體沙層等)盾構掘進易發生糊刀、堵艙,導致掘進緩慢,引起出碴量超限,發生超挖。

2.2.2 受擾動卵石層形成動態自穩過程分析

盾構掘進對砂卵石層擾動后,砂卵石層向地面發生松動,松動范圍以發生地層損失處為中心向地表發展。如圖1中(a)所示。松動層往地表發展過程砂卵石層始終處于一種動態的自穩狀態,在此狀態下通過地表監測來反映地層損失基本不可信。圖2為在成都地鐵1號線某盾構標段常壓開倉換刀時,刀盤頂部土體塌落形成動態自穩的砂卵石穹頂照片(仰視)。

圖2 形成半球形穹頂動態自穩的砂卵石地層Fig.2 Hemispherical dome shape formed by dynamic self-stabilization of the sandy cobble stratum

2.2.3 卵石層形成自穩面上移最終地表塌陷原因及過程分析

如圖2所示,砂卵石地層形成半球形穹頂自穩后,由于受到如季節性的地下水位提升、地表動荷載等因素影響,形成自穩的砂卵石層穹頂表層逐漸剝落向地表發展,最終地面貫穿,形成塌孔。

3 滯后沉降預防控制措施

根據以上分析,發現:發生滯后沉降導致地表塌陷主要原因是地層發生損失而又沒有得到充分填充;同時,在這種情況下砂卵石地層的自穩特性往往掩蓋了地層沒有得到充分填充的事實,最終演變成地表塌陷。根據滯后沉降發生的機理及發展的過程分析,預防滯后沉降可從以下幾方面來采取措施。

3.1 事前預防措施

針對盾構長時間停機檢查更換刀具位置、盾構始發到達端頭、盾構掘進通過特殊地段容易發生滯后沉降導致地表塌陷的情況,應在事前考慮預防措施。

1)選用適當的刀具配置。盾構在一處長時間停機,會對該位置的土體造成較大擾動,土體再固結即會導致地表塌陷;因此,選用適當的刀具配置及有計劃地進行停機[4],事先選擇好地表空曠有加固條件或出現險情便于搶險的停機位置是非常重要的。必要時還可對停機位置進行預加固處理。

2)盾構始發到達端頭受車站基坑降水影響,基坑降水將地層中細小顆粒抽出,造成端頭土體松散,加之盾構掘進對土體的擾動,該處極易發生滯后沉降。對于端頭在盾構始發、到達前應采取預加固措施來預防滯后沉降的發生。

3)盾構掘進通過重要建(構)筑物時需要事先進行預加固,以確保盾構掘進通過時建(構)筑物的安全。

4)盾構通過不良地質條件條件如透鏡體砂層分布段及泥巖與砂卵石地層交界段時,極易發生超挖,因此,盾構通過該地層前應做好地層預加固措施[5]。

3.2 事中控制措施

滯后沉降的直接原因是由于盾構掘進發生超挖;因此,盾構掘進施工階段采取適當的措施相比事前、事后措施是最重要的。盾構掘進施工過程中主要采取以下措施:

1)嚴格控制盾構各項掘進參數,嚴格采用土壓平衡掘進模式,杜絕欠壓掘進;

2)做好碴土改良[6],嚴控出碴量,并做好出碴量記錄,包括體積及質量,防止盾構掘進超挖造成地層損失;

3)同步注漿及時足量,必要時進行二次補強注漿,保證第一時間對盾尾建筑間隙進行充分填充。

3.3 事后跟蹤補救措施

盾構掘進通過后主要采取以下措施預防滯后沉降:

1)盾構掘進通過后,開展信息化施工,綜合考慮監測數據、掘進原始出碴量記錄、注漿量等,分析篩選出可能發生超挖并且注漿不飽滿的地段,在該處補充注漿填充地層損失;

2)對盾構停機加固位置、盾構始發、到達端頭、重要建(構)筑物、特殊地層地段,在盾構掘進通過后及時進行洞內二次補強注漿或地表打孔注漿對該處地層進行加固,避免日后發生滯后沉降導致地表塌陷;

3)在較長時間內對盾構掘進通過沿線進行日常巡視,特別是雨季地下水位上升時,發現地表有異常情況要及時回填注漿,避免造成更大的經濟損失及安全事故;

4)對盾構通過沿線進行地質雷達探測空洞,對存在空洞的部位進行打孔注漿。

4 結論

雖然滯后沉降在成都特有的富水砂卵石地層中極易發生,但只要能做到掘進前有計劃地進行預加固處理;掘進過程中嚴格控制掘進參數,避免發生超挖,如實準確記錄出碴量;掘進通過后根據出碴量及注漿量統計結果對掘進通過可能存在空洞區域進行注漿加固,滯后沉降造成的地面塌陷基本上是可以避免和有效預防的。對于成都地鐵盾構施工滯后沉降問題,目前還未完全杜絕。在今后的施工中,還應繼續做好數據收集,通過對第一手數據的分析進一步提高對滯后沉降發生的機理的認識,找到更好解決滯后沉降的措施。

[1] 中鐵隧道集團.成都地鐵1號線盾構4標實施性施工組織設計[R].洛陽:中鐵隧道集團,2006.

[2] 榮建.砂礫地層地鐵盾構施工過程土體擾動特性的原位試驗研究[D].上海:上海交通大學,2008.

[3] 劉昌.盾構施工引起地表沉降的研究[D].西安:西安建筑科技大學,2007.

[4] 何川,晏啟祥.加泥式上壓平衡盾構機在成都砂卵石地層中應用的幾個關鍵性問題[J].隧道建設,2007,27(6):5-6.

[5] 王小忠.盾構掘進中地面塌陷加固技術[J].現代城市軌道交通,2006(3):45-47.

[6] 王明勝.復雜地層中盾構法隧道渣土改良技術[J].地下空間與工程學報,2007,3(8):1446-1447.