淺埋砂層中土壓平衡盾構機土倉壓力和同步注漿量與地表沉降的關系淺析

周 智

(中鐵十一局集團城市軌道工程有限公司,武漢 430074)

1 工程概況

1.1 工程位置

廣州市軌道交通 6號線盾構 2標區間線路自大坦沙站南端始,下穿廣茂鐵路,在雙橋公園內設盾構始發井,沿坦尾中路,下穿珠江、火車南站站場股道(南站已停運),到達如意坊站,再從如意坊站東端出發,沿火車南站站場股道,在廣州市一中人行天橋附近拐入黃沙大道,到達六二三路與大同路交叉段的黃沙站,然后過黃沙站到達東端的盾構吊出井。盾構隧道為雙線圓形斷面,右線長2433.652m,左線長2699.297m。砂層段位于大坦沙島上,長約 150m,緊鄰珠江。

1.2 地質及水文條件

該砂層段隧道上覆第四系為人工填土層、淤泥層、淤泥質土層、淤泥質粉細砂層(Q4mc)、粉質黏土、粉土層、沖積 -洪積粉細砂層(Q3alpl)、沖積 -洪積中、粗、礫砂層(Q3alpl),隧道底部為沖積 -洪積中、粗、礫砂層(Q3alpl)、沖積 -洪積土層、可塑或稍密～中密殘積土層、硬塑或密實狀殘積土層、白堊系、石炭系棕紅色、紅褐色巖石,風化程度不均一,軟硬夾層較多。盾構機要穿越的砂層地段主要位于區間的始發地段,占區間總長的 6%。砂層段線路為 30‰的下坡。

隧道洞身的沖積 -洪積中、粗、礫砂層(Q3alpl)滲透系數為 1×10-4m/s。地下水按貯存方式分為第四系孔隙水、基巖風化裂隙水。在天然狀態下,基巖風化裂隙含水層主要接受第四系含水層的滲入補給、越流補給為主。由于殘積土、全風化的相對隔水作用,本含水層大多具有一定的承壓性,其承壓水頭一般與第四系含水層相近。在地鐵施工中這類含水層的主要威脅來源于側向動力補給。

1.3 地表建筑情況

該項目區間隧道位于老城區,地表建筑物較多,在砂層段地表建(構)筑物主要是:橋中南路、內環路廣佛放射線立交橋、大坦沙污水處理廠。該段道路交通極為繁忙,且隧道在此埋深僅 6.5～10.9m。設計要求地表沉降應控制在 -30/+10mm。

1.4 盾構機設備情況

該項目采用 2臺德國海瑞克公司生產的復合式土壓平衡盾構機掘進施工。在采購設備時考慮到該項目隧道需穿越長達 150余 m的全斷面砂層并且臨近珠江,地下水極其豐富,為防止發生噴涌造成地表沉陷,將螺旋輸送機改為兩級螺旋輸送機,使螺旋輸送機底部能承受的水土壓力大大增強。

2 掘進施工參數制定原則

掘進參數主要包括:盾構機推力、刀盤轉速、土倉壓力、泡沫劑濃度及摻入量、發泡率、注漿量等等。

2.1 盾構機推力

盾構機推進過程主要靠推進千斤頂克服盾殼與圍巖之間、盾殼與管片之間的摩擦力,并使刀刃在掌子面巖層上產生足夠的壓力破碎、切削前方巖土。

該項目中沙層段盾構機推力為8000～1100kN。

2.2 刀盤轉速

刀盤轉速根據掌子面地質情況設定,一般在軟巖、軟土地層采用 0.8～1.5r/min的較低轉速,刀盤貫入度控制在 6～8mm;硬巖地層采用 1.5～2.2r/min的較高轉速,刀盤貫入度控制在不大于 4mm。該項目砂層段按照軟土地層參數 0.8～1.5r/min設定。

2.3 土倉壓力

土倉壓力值是否合適、同步注漿量是否飽滿是地表沉降量的控制因素。土倉壓力設定前必須對刀盤位置地層水土壓力進行理論計算。目前水土壓力計算理論一般根據地層的排水固結方式分為水土分算和水土合算兩種。該項目砂層段由于砂層良好的滲透性采用水土分算理論進行計算。

經計算,該項目砂層段的主動土壓力理論值為102～157kPa,被動土壓力理論值為 307～484kPa,實際設定時為避免土壓太大難以推進,取主動土壓力理論值再增加 20kPa左右作為土倉壓力設定值。

2.4 泡沫劑濃度、摻入量、發泡率

該項目采用泡沫劑對砂層砟土進行改良,以降低該段砟土的滲透性,增強其流動性。泡沫劑的濃度、摻入量、發泡率根據試驗進行初值設定,并在實際施工中調整,以使改良效果達到最優。

該項目泡沫劑使用初值設定為:濃度 3%～5%,每環摻入量 10%～20%(體積比),發泡倍率 12。

2.5 注漿量

注漿分為同步注漿和二次注漿。同步注漿在盾構推進施工的同時由盾尾注漿管注入,同步注漿是否飽滿對控制盾尾地表沉降至關重要。同步注漿以注漿壓力和注漿量雙指標控制,一般注漿壓力要達到略大于注漿管口的水土壓力值 20kPa,注漿量則至少達到理論計算空隙的 1.2倍方可認為同步注漿飽滿。

注漿量理論計算值 L1

式中 Aw——隧道開挖斷面積;

Ag——管片外皮斷面積;一般設定值 L=(1.5～2.0)L1。該項目砂層段注漿量設定值 6～8m3,注漿壓力180～200kPa。

3 地表監測

3.1 監測點布設

該項目砂層段先在內環路廣佛放射線立交橋下穿過,再橫穿坦尾路進入橋中南路,隨后沿橋中南路向如意坊站推進。在始發后 25～40m距隧道頂部 1.5m有1條φ1800mm承壓污水管。該段隧道覆土較淺,最淺覆土僅有 6.5m,而地表是對沉降較敏感的管道、橋梁及交通繁忙的交通干道,地表和建筑物沉降變形監測對指導施工確保安全是至關重要的。該項目采取打穿公路混凝土及水泥穩定層后埋設 1根 2m長鋼筋的方法來監測盾構施工期間地層的沉降變形情況,線路縱向及橫斷面上監測點間距均為 5m,橫斷面監測寬度為線路中心兩側各 20m,橋墩兩相鄰側壁鉆孔安裝膨脹螺釘作為監測點。

3.2 監測頻率

監測頻率按照 2次/d進行,主要監測范圍為盾構機前后各 30m。根據設計要求監測地表沉降報警值-24、+8mm,控制值 -30、+10mm。采用萊卡精密水準儀 +測微器和銦瓦鋼尺測量,精度為 0.3 mm/km。

3.3 實際監測結果

根據監測方案對盾構機前后各 30m的范圍內的地表、建筑物沉降變形進行了監測。監測結果見圖1。

圖1 地表沉降監測數據

4 土倉壓力、同步注漿量與地表沉降關系分析

土壓平衡盾構機的工作原理是在土倉內堆積刀盤切削下的砟土,使其壓力與刀盤前方土層水土壓力保持平衡,從而控制地表的沉降。由此可以看出土倉壓力對地表沉降控制的重要性。而盾構機開挖出的隧道直徑比管片外徑大 28cm左右,這個空隙主要是靠盾尾同步注漿充填的,因此同步注漿是否飽滿也直接關系到盾構施工的工后沉降大小。

根據該項目在砂層段施工期間的實測數據,繪制了地表沉降與土倉壓力及同步注漿關系圖,見圖2。

圖2 地表沉降與土倉壓力及同步注漿關系

由圖2可看出,實際土倉壓力等于或小于理論計算值時地表沉降相對較大,而當實際土倉壓力值略大于理論計算值后地表沉降明顯減小。因此,實際土倉壓力應控制在略大于理論計算值 20kPa左右范圍內。

5 結論

通過分析施工參數與地表沉降值的關系,可知土壓平衡盾構施工淺埋砂層主要是土倉壓力與同步注漿,對地表沉降起控制作用。施工中土倉壓力的控制,要以理論計算作為依據,以略大于理論計算的土倉壓力值推進,并在推進過程中嚴格采用注漿壓力、注漿量雙指標控制盾尾同步注漿,才可將地表沉降控制在所要求的范圍內。

[1]張 敏,等.擴展土壓平衡盾構在含水地層中的適應性[J].隧道建設,2003(5):4-6,22.

[2]高頌東.土工分析中水土分算、水土合算的概念、原理與應用實例[J].建筑科學,2004,20(4):33-42.