大直徑盾構小半徑曲線段接收技術探討

呂寶偉

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司城交分院,天津 300251)

1 工程概況

1.1 設計概述

某工程盾構機選用泥水加壓平衡盾構機,盾構機外形輪廓尺寸為 φ12 m,盾構機長 11.44 m,總長約 57 m。圓形隧道內輪廓為 φ10.60 m,外輪廓為 φ11.60 m,管片的厚度為0.5m,管片環寬為 1.8m。盾構到達接收段位于半徑為 600 m的曲線上,盾構隧道在到達盾構井處最小覆土厚度為 8.92m。

1.2 工程及水文地質條件

本工程范圍內地層主要為第四系全新統新近沉積層(Q4si),第Ⅰ陸相層(Q4al)、第Ⅰ海相層(Q4m)、第 Ⅱ陸相層(Q4al)、第 Ⅲ陸相層(Q3al))、第 Ⅱ海相層(Q3m)、第Ⅳ陸相層(Q3al)、第Ⅲ海相層(Q3m);表層覆蓋第四系全新統人工堆積層(Q4ml))。巖性主要為雜填土、素填土、黏土、粉土、粉質黏土、粉砂及細砂。盾構范圍內主要為黏土、粉土、粉質黏土、粉砂及細砂。盾構接收段地質條件見圖1。

隧道內表層地下水類型為第四系孔隙潛水。賦存于第Ⅱ陸相層及其以下粉砂及粉土中的地下水具有微承壓性,為微承壓水。潛水地下水位埋藏較淺,勘測期間水位埋深為 0.9～4.8 m。潛水主要依靠大氣降水入滲和地表水體入滲補給,水位具有明顯的豐、枯水期變化,受季節影響明顯。勘測期間微承壓水穩定水位埋深為 3.73～7.85 m。

2 設計中需要解決的主要問題

大直徑盾構在小半徑曲線的接收,如何解決盾構接收偏差和保證盾構安全接收,是本工程的重點與難點,其中到達接收方案、盾構到達段地下水處理、盾構到達段加固是在設計中需要解決的主要問題。

圖1 盾構接收段地質縱剖面(單位:m)

3 到達接收方案

目前,在國內外盾構隧道工程中,尚沒有在小半徑圓曲線上接收盾構的工程實例,設計過程中就圓曲線上接收的理論偏差進行了分析,產生理論偏差的主要原因為:在小半徑曲線段,由于盾構機本體為直線形的剛體,無法和曲線完全擬合[5]。在 R=600 m的圓曲線上按常規辦法接收盾構,盾構機頭一出洞,就要沿著井內盾構接收基座前進,盾構機在接收基座上很難按曲線糾偏,只能直線掘進,盾構機軸線與設計軸線存在偏差。考慮到正常的盾構掘進施工誤差(含測量誤差、管片制作拼裝誤差、盾構蛇行軸線誤差),另外,本段盾構隧道所在場址處還有不少不明地下障礙物,所以在實際掘進過程中有可能發生左右側一軟一硬的現象,導致盾構機一側偏移量更大,該段盾構機長度范圍內隧道工后可能就無法滿足限界要求,造成廢棄工程。

針對本技術難點,設計過程中進行了盾構接收方案的比選分析,主要有以下 2個方案。

(1)正常的盾構井外增設備用副井方案

為了確保圓曲線接收盾構方案的可靠穩妥,采取適當延長盾構到達段的加固長度,同時在正常的盾構井外13.5m范圍先實施副井圍護結構地下連續墻(盾構范圍采用玻璃纖維筋代替鋼筋),如果該段盾構隧道工后無法滿足限界要求,也無法實施調線調坡,則開挖副井段至管片底部,拆除該部分管片,按明挖隧道施作襯砌。

(2)盾構接收井回填方案

為了解決盾構接收理論偏差,確保盾構隧道工后滿足限界要求,在盾構井主體結構施工完成后進行回填,主體結構預留洞口(預埋鋼環),圍護結構地下連續墻在盾構范圍采用玻璃纖維筋代替鋼筋,盾構直接切削進洞,待盾構完全進入豎井后,將豎井內回填土清除,吊出盾構機,完成盾構接收。

經綜合比較,設計選用正常的盾構井外增設備用副井方案,見圖2、圖3。

圖2 盾構接收方案平面(單位:mm)

4 盾構到達段地下水處理

盾構隧道在到達盾構井處覆土厚度為 9.0 m。盾構隧道結構底埋深 20.6 m,位于⑥31粉土、⑥44粉砂層,為微承壓水含水層。根據抽水試驗結果,該含水層滲透系數大,水量豐富,穩定水位埋深為 3.73～7.85 m。如果外側土體加固效果欠佳,造成封門外土體暴露時間過長,可采用布置井點將地下水位降至能保證安全出洞水位的預防措施[1]。

設計采用在正常的盾構井外 13.5 m長范圍內,先實施到達盾構井副井地下連續墻,將盾構接收段基坑進行封閉,地連墻深 42 m,地下連續墻均穿透承壓水含水層,置于下部相對隔水的黏土、粉質黏土中,這樣可有效的隔斷微承壓水。地下連續墻幅間采用工字鋼接頭,接縫處旋噴樁止水。在封閉基坑內設置 5口降水井,降水遵循:“分層降水、按需控制、動態調整”的原則,降水井井內降水作業深度為盾構隧道結構底深度下 1.0 m,保證副井內無水作業。盾構接收前 20 d進行降水。降水井布置見圖2、圖3。

圖3 盾構接收方案剖面(單位:mm)

5 盾構到達段加固

當盾構工作井周圍地層為自穩能力差、透水性強的松散砂土或飽和含水黏土時,如不對其進行加固處理,則在鑿除封門后,必將會有大量土體和地下水向工作井內坍陷,導致洞周大面積地表下沉,危及地下管線和地下建筑物[4]。

在曲線段盾構機掘進形成的線形為一段段連續的折線,為了使得折線與曲線接近吻合,盾構施工時需連續糾偏[5]。曲線半徑越小,盾構機越長,則糾偏量越大,糾偏靈敏度越低,軸線就比較難于控制。盾構掘進時,糾偏量較大,對土體擾動的增加易發生較大沉降。小半徑曲線隧道的施工與直線段施工相比,除直線段隧道施工原有的地層變形因素外,還將增加以下 3個因素的影響。

(1)由于沿小半徑曲線掘進,盾構機處于糾偏狀態,需進行超挖,實際掘進面為一橢圓形,實際挖掘量超出理論挖掘量[5]。

(2)在正常施工條件下,小半徑曲線掘進將增加地層損失[5]。

(3)糾偏量較大,對土體的擾動亦大,容易造成較長時間的后期沉降。

當洞口段土體不能滿足盾構接收對防水、防坍等安全要求時,必須采取加固措施[6],因此在盾構到達接收時,為確保接收安全,減小沉降,對盾構井洞口外側一定范圍土體進行加固;另外,考慮到豎井結構與區間隧道結構剛度上存在一定的差異,所以需在洞口周圍進行土體加固以盡可能減少不均勻沉降。因深層攪拌法適用于飽和軟黏土等土層的地基加固,提高軟土地基承載力,減少沉降量,穩定豎井外側的土體[3],在綜合考慮安全性和經濟性以及合理考慮場地條件的基礎上,所以到達接收段地基加固采用深層水泥土攪拌樁的形式進行加固。盾構到達段的加固主要為到達接收井端頭加固、副井端頭備用加固以及姿態控制加固3部分內容。

5.1 盾構到達接收加固(副井內加固)

為確保盾構出洞的安全,減少到達接收井段盾構隧道與豎井之間的縱向不均勻沉降,結合場區的地質條件、盾構機的技術參數,對到達接收井端頭進行地層加固,加固范圍為副井內全部土體,加固方式采用深層水泥土攪拌樁。

5.2 副井開挖端頭備用加固

開挖副井作為應急預案,確保開挖時基坑的穩定及安全,防止因開挖面壓力不足引起的開挖面坍塌[2],同時為控制盾構姿態,減少副井外與副井段盾構隧道之間的縱向不均勻沉降量,結合場區的地質條件,對副井端頭長 6m、寬 18m范圍土體采取了深層水泥土攪拌樁的加固。

5.3 姿態控制加固

由于到達段盾構頂覆土厚度較小,為確保建立泥水平衡切口壓力、有效控制盾構姿態、保證施工安全,對副井端頭備用加固外長 12 m、寬 15 m范圍,采用深層水泥土攪拌樁加固。

6 結語

大直徑盾構小半徑曲線接收技術,是一個非常復雜的課題,本文僅就小曲線半徑接收設計與施工,提供一些個人看法,希望能為同類工程提供一些參考。目前,該工程接收井(含副井)地下連續墻圍護結構已施工,筆者認為盾構接收段施工主要應注意以下幾點。

(1)盾構隧道施工需先加固后掘進施工,多種措施(洞內、洞外,同步注漿、工藝,預測與監測)同時采用。

(2)盾構隧道施工時要控制掌子面泥水壓力(泥水壓力與地層壓力相差在 ±50 kPa)參數。

(3)控制盾構推進參數,控制盾構姿態;控制盾構推進時地層損失率在 0.5%～1%。

(4)盾構掘進到曲線地段(特別是小半徑 R=600 m段)前,應提前控制好軸線蛇形偏移,盡可能在進入曲線地段時,使軸線蛇形偏移量為零。

(5)盾構掘進中應嚴格控制隧道軸線(平面位置和高程),在小半徑曲線地段尤其要嚴格,如發現偏離應逐步糾正,不得猛糾硬調。實施盾構糾偏必須逐環、小量糾偏,必須防止過量糾偏而損壞已拼裝管片和盾尾密封[6]。

(6)盾構到達接收工作井前,應采取適當措施,使拼裝管片環縫擠壓密實,確保密封防水效果[6]。

[1] 周文波.盾構法隧道施工技術及應用[M].北京:中國建筑工業出版社,2004.

[2] 尹旅超,朱振宏,李玉珍,等譯.日本隧道盾構新技術[M].武漢:華中理工大學出版社,1999.

[3] 陳饋 洪開榮 吳學松.盾構隧道[M].北京:人民交通出版社,2009.

[4] 施仲衡.地下鐵道設計與施工[M].西安:陜西科學技術出版社,2002.

[5] 白 云,丁志誠.隧道掘進機施工技術[M].北京:中國建筑工業出版社,2008.

[6] GB50446—2008,盾構法隧道施工與驗收規范[S].