青島盾構隧道安全風險組段劃分方法研究

劉緒壯,王旭春,羅敏鶴,郝展鵬,洪 勇

(青島理工大學 土木工程學院 青島市 266033)

0 引 言

盾構/TBM在施工過程中常常發生因設備參數控制不合理而引發風險的事情,如土壓設置過低導致掌子面失穩進而使地面沉降甚至塌陷,又如扭矩過高導致設備經常性停轉不能正常施工等風險,地鐵隧道存在著較高的施工風險,一旦發生危險,所產生的損失將是不可彌補的,因此需要對掘進參數進行精細控制,并建立完善的施工參數控制體系才能防范于未然。何其平[1]對南京地鐵施工進行研究,分析了適用于該地層的盾構機類型以及施工參數范圍;袁敏正等[2]對廣州地鐵主要掘進參數進行研究,確定了主要掘進參數范圍;王洪新等[3]建立土壓平衡盾構掘進的數理模型,推導出盾構掘進主要闡述的經驗關系式,這些關系對盾構掘進時的參數控制有著重要的指導意義;張厚美[4]以廣州地鐵三號線為背景,建立了土壓平衡盾構的掘進速度以及刀盤扭矩模型。現階段施工單位大多以施工經驗對盾構的推力、刀盤扭矩、刀盤轉速等掘進參數進行控制來達到規避風險的目的,而且國內外專家學者主要是對盾構掘進的主要參數進行研究,對掘進參數范圍進行控制,但并未對地層進行劃分,因此適應性不高,組段劃分就成為了盾構隧道施工安全風險評估的重要工作和首要內容[5-8]。目前人們對地鐵隧道地層分類還不成熟,且將地層分類與施工安全結合的研究較少[9-12]。文章將結合青島地區的自身及環境風險進行劃分組段、界定等級,建立適用于區間不同地質、環境等特殊條件下的盾構施工參數控制標準和控制范圍,是對盾構/TBM施工參數精細化控制的有效手段。

1 基于地層與施工風險的組段劃分方法

1.1 地層分段

結合青島地區不同區域和不同深度范圍內的隧道均有土、巖層共存的實際情況,將盾構施工區間隧道穿越的地層劃分為4種不同類型的段,分別為:

(1)A段,穿越地層為粘土、中砂、細沙、粉土、粉質粘土以及如上地層組成的復合地層。

(2)B段,穿越地層為粗砂、碎石層、卵石、礫石、以及這四種地層和/或A段的土層、砂層組成的復合地層。

(3)C段,穿越地層為A段和/或B段包含的地層等與巖石地層的混合地層。

(4)D段,穿越的地層為全斷面巖層,包括中風化至未風化的各類巖層(全風化巖層劃入土層管理,強風化地層根據實際圍巖情況判斷劃入土層或全斷面巖層管理)。

1.2 環境分級

盾構施工環境的風險分級,應根據環境風險工程分級原則,結合盾構施工特點,并充分考慮隧道的埋深、特殊地質情況(漂石、隧道上方有河流等水體及斷裂帶等)和盾構隧道上覆地層情況等風險因素綜合確定。青島地鐵盾構隧道施工的環境分級組合分為如下三級,分別為:

(1)Ⅰ級,上跨/下穿既有線路,或下穿重要市政管線和河湖、海、洋等工程,或下穿/臨近重要建(構)筑物,或隧道埋深深度小于9m的淺埋隧道,或穿越地層中有漂石、斷層破碎帶、高水壓地帶、孤石等特殊地質情況,或有上述兩種或兩種以上情況的組合。

(2)Ⅱ級,隧道埋深9m以上,或者下穿一般的市政管線,或者地層內地質條件比較惡劣,對盾構施工影響較小、沒有其他特殊地質情況;或隧道下穿/臨近一般建筑物,或下穿重要市政道路。

(3)Ⅲ級,隧道埋深在13m以上,或隧道上方地層無管線或者僅有不敏感沉降管線(如電力管線、廣播電視管線、電信管線等)且管線埋設較淺,或隧道遠離建筑物基礎、重要市政道路,或地層沒有不良地質情況。

1.3 綜合組段劃分

綜合組段劃分,應根據一下規則進行:

(1)根據盾構穿越地層分段、施工環境綜合分級,將A、B、C、D四個地層分段和三個環境綜合分級Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ組合,劃分為AⅠ、AⅡ、AⅢ、BⅠ、BⅡ、BⅢ、CⅠ、CⅡ、CⅢ、DⅠ、DⅡ、DⅢ共計12個組段,即將每個地層分段與盾構施工環境綜合分級劃分的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三個級別分別組合在一起,形成青島地鐵考慮盾構穿越地層和上覆地層及其環境等因素綜合在一起的盾構區間隧道綜合組段劃分,將覆蓋青島地鐵建設中盾構施工所遇到的所有地層。

(2)盾構隧道綜合組段劃分如圖1所示。

圖1 盾構隧道安全風險組段的綜合劃分示意圖

2 工程實例

2.1 工程簡介

青島地鐵6號線03標黃海學院站—海港路站區間起訖里程Y(Z)DK29+952.749～Y(Z)DK31+000.593,左線區間長1050.014m,右線區間長1047.844m。區間線路出黃海學院站后,沿開城路向東敷設,到達海港路站,盾構區間隧道洞體,以微風化花崗巖層為主,部分區段位于強風化和中風化的花崗巖中,圍巖主要為Ⅱ～Ⅴ級。隧道拱頂埋設深度在10～32m,隧道底部埋設深度在16～38m,區間平面圖如圖2所示。

圖2 黃海區間平面圖

2.2 組段劃分

由盾構隧道組段劃分可知穿越的地層為全斷面巖層,地層為D段。環境分級為區間拱頂埋深10～32m,下穿開城路、磚結構房、溝渠、高壓線塔管線;側穿月亮灣水庫、金盾加油站、高壓線塔、管線等,因此劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級。綜合組段劃分結果為依據地層分段、環境分級,綜合組段劃分為3個組段,分別為DⅠ、DⅡ、DⅢ,組段劃分示意圖如圖3所示。

圖3 組段劃分過程示意圖

3 施工情況

3.1 施工段掘進參數

本區間將DⅠ、DⅡ、DⅢ分別組段劃分為第一、二、三施工段。黃海學院站—海港路站區間盾構隧道風險組段劃分見表1,盾構掘進參數設置見表2。

表1 青島地鐵03標黃海學院站—海港路站盾構隧道風險組段

表2 青島地鐵03標黃海學院站—海港路站盾構掘進參數設置

3.2 地表沉降情況

本區間按照表2盾構掘進參數對盾構掘進主要參數進行了控制,施工過程中未出現發生事故,根據《地面沉降調查與監測規范》規定地表沉降累計值控制值為±30mm,變化速率控制值為±3mm/d,圖4所示的各施工段地表沉降情況顯示,最大正向沉降值處于DⅠ段,最大正向沉降值為-3.52mm,最大沉降速率為0.77mm/d,地表沉降累計值為-14.25mm,均位于控制值以內。

圖4 地表沉降情況

3.3 施工效果評價

盾構隧道安全風險組段劃分方法結合實際工程黃海學院站—海港路站施工結果充分考慮了盾構施工穿越地層、上覆地層及隧道埋深等因素以及地下水狀況,并綜合考慮了所處區域的地面及上覆地層內的施工環境狀態,如地面及地下建(構)筑物、重要管線等對掘進參數進行控制,使該盾構隧道從始發至接收未發生塌方、涌水等安全事故,用更科學有效的施工方法,保障了盾構隧道順利貫通,大大提高了施工安全,減少了施工事故的發生。

4 結論

結合青島地區不同區域和不同深度范圍內土層的實際情況,將盾構施工區間隧道穿越的地層與施工風險進行組段劃分,使原本以經驗控制掘進參數的施工方式轉變為更科學有效的方法,結合青島地鐵的實際工程驗證了盾構隧道安全風險組段劃分方法的可靠性與必要性。

盾構隧道安全風險組段劃分方法,可為盾構隧道施工提供借鑒,但該方法需結合施工地區內實際地質條件及施工環境進行調整,以確保掘進參數控制的準確性。