南京地鐵盾構(gòu)隧道盾尾刷更換過程地表變形分析

郭建強(qiáng) 李長(zhǎng)春 徐 源 高 永 李俊才,3 張志鋮

(1.南京地下鐵道有限責(zé)任公司,210008,南京;2.南京南大巖土工程技術(shù)有限公司,210008,南京;3.南京工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院,210009,南京∥第一作者,高級(jí)工程師)

盾構(gòu)推進(jìn)施工過程中,應(yīng)盡可能保證不發(fā)生漏漿現(xiàn)象。文獻(xiàn)[1]詳細(xì)論述了漏漿的危害性以及發(fā)生漏漿的原因。盾尾密封刷是確保不發(fā)生漏漿的前提。然而,盾尾刷卻是非常容易損壞且難以修復(fù)的部件,如何在施工中途進(jìn)行盾尾刷更換,是解決盾構(gòu)區(qū)間掘進(jìn)的關(guān)鍵技術(shù)之一。文獻(xiàn)[2]以廣州地鐵為背景論述了尾刷更換的技術(shù)、技術(shù)措施及更換過程。文獻(xiàn)[3]對(duì)廣州地鐵3號(hào)線珠江新城站——客村站區(qū)間土壓平衡盾構(gòu)機(jī)的盾尾刷構(gòu)造、更換原因及更換過程進(jìn)行說明,具有較大的參考價(jià)值。本文以南京地鐵粉質(zhì)黏土層盾尾刷更換為工程背景,總結(jié)前人的研究成果,結(jié)合工程自身特點(diǎn),討論盾尾刷更換過程對(duì)地表變形的影響,為同類工程提供參考。

1 地質(zhì)概況

南京地鐵1號(hào)線南延線河定橋站——?jiǎng)偬氛緟^(qū)間地貌單元屬于秦淮河沖積平原。盾構(gòu)機(jī)主機(jī)所處地質(zhì)條件上部為③-2-2c2-3粉土層,透水性強(qiáng)。根據(jù)實(shí)際掘進(jìn)出土情況分析,該土層局部夾粉細(xì)砂;下部在③-2b2粉質(zhì)黏土層中,土質(zhì)較硬、黏度大、透水性差。具體地層物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 盾構(gòu)機(jī)主機(jī)所處地層物理力學(xué)參數(shù)表

2 盾尾密封刷構(gòu)造及作用

2.1 盾尾密封刷構(gòu)造

盾尾密封刷系統(tǒng)是盾構(gòu)機(jī)正常掘進(jìn)的關(guān)鍵系統(tǒng)之一。追溯盾構(gòu)機(jī)的應(yīng)用實(shí)踐,盾構(gòu)法隧道施工所發(fā)生的安全事故常常不在盾構(gòu)機(jī)頭而在盾尾[1]。盾構(gòu)機(jī)盾尾密封一般有剛性密封和柔性密封。由于剛性密封對(duì)管片生產(chǎn)和管片拼裝質(zhì)量要求較高,逐漸被柔性密封取代[1]。盾尾密封必須能夠承受土壓和水壓,以及泥漿壓力。盾構(gòu)機(jī)盾尾密封刷構(gòu)造見圖1。從圖1可以看出,盾尾有3道密封刷,盾尾密封刷之間的間隙通過注入盾尾密封油脂,保證盾尾管片背后同步注漿的漿液不會(huì)從管片和盾構(gòu)機(jī)之間的間隙漏出,同時(shí)防止地下水滲漏到盾構(gòu)機(jī)內(nèi)[2]。

圖1 盾構(gòu)機(jī)盾尾密封刷構(gòu)造圖

2.2 盾尾密封刷作用

土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)盾尾密封是保證盾構(gòu)機(jī)與地下水隔離的一道非常重要的安全屏障。如果盾尾密封刷出現(xiàn)問題,同步注漿及二次注漿過程不可避免將發(fā)生漏漿現(xiàn)象。漏漿會(huì)產(chǎn)生一系列危害性后果:可導(dǎo)致地面不均勻沉降、地面構(gòu)筑物開裂或者變形,既存在安全隱患,又破壞構(gòu)筑物的美觀;可導(dǎo)致隧道上下浮動(dòng)、左右偏移、管片錯(cuò)臺(tái)、滲漏水等質(zhì)量缺陷,進(jìn)而影響到以后的地鐵運(yùn)行;導(dǎo)致資源浪費(fèi),污染環(huán)境且增加了清理量,延誤掘進(jìn)進(jìn)度。

3 密封刷更換過程

3.1 更換原因

盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)過程中,特別是在長(zhǎng)距離掘進(jìn)時(shí),往往會(huì)由于盾尾密封油脂加注量不足、盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)調(diào)整過猛等原因,致使盾尾密封刷損壞。如果盾尾密封性能不良,大量地下水從破損的盾尾滲流到隧道內(nèi),后果將不堪設(shè)想。本工程區(qū)間推進(jìn)到203環(huán)管片(掘進(jìn)243.6 m),前期推進(jìn)過程中多次、頻繁發(fā)生盾尾漏漿、漏水甚至涌砂的情況,并造成個(gè)別部位地面沉降嚴(yán)重超過報(bào)警值(3 mm/d)。考慮本區(qū)后面還要遇到全段面的粉土和粉砂地層,漏水、漏砂的危險(xiǎn)性更大,業(yè)主、監(jiān)理和施工方經(jīng)多方面研究,決定對(duì)盾尾內(nèi)側(cè)兩道密封刷進(jìn)行檢修,以便及時(shí)解決盾尾漏水問題,保證盾構(gòu)推進(jìn)施工正常進(jìn)行。

3.2 準(zhǔn)備工作

3.2.1 更換位置選擇

應(yīng)盡量避免在軟弱土層部位更換盾尾密封刷。軟弱土層部位盾構(gòu)機(jī)在自重的作用下,容易發(fā)生低頭。一旦發(fā)生盾構(gòu)機(jī)低頭就較難處理。本工程經(jīng)多方專家論證,盾尾刷更換選擇在隧道及下部為粉質(zhì)黏土層的位置。該層土質(zhì)較硬、黏度大、透水性差。

3.2.2 注漿止水

盾尾密封刷更換需要進(jìn)行焊接作業(yè):先將舊的盾尾刷拆除,再將新的盾尾刷焊接到盾尾。焊接前必須對(duì)盾尾刷后部2～5環(huán)的管片進(jìn)行管片壁后二次注入水泥-水玻璃雙液漿,將管片與地層之間的流水通道完全封死,防止地下水通過盾尾進(jìn)入盾構(gòu)機(jī)內(nèi)而給更換、焊接施工造成不便。在注漿及二次注漿過程中,注漿壓力一定要合理控制。若注漿壓力過大,將產(chǎn)生一系列的危害:①管片間的接頭可能受到破壞,容易使管片錯(cuò)臺(tái),有可能引發(fā)重大工程事故;②引起地表的有害隆起;③破壞管片襯砌;④加重盾尾密封刷進(jìn)一步損壞。若注漿壓力過小,則無法保證注漿量,注漿將達(dá)不到預(yù)計(jì)的效果,且注漿層會(huì)有余留空隙,不僅地層將會(huì)向隧道方向移動(dòng),產(chǎn)生較大幅度的沉陷,而且管片與地層之間的流水通道不能被完全封死,地下水可能通過盾尾進(jìn)入盾構(gòu)機(jī)內(nèi),給更換、焊接施工造成不便。本工程經(jīng)詳細(xì)分析計(jì)算,最終將注漿壓力控制在0.6～0.8 MPa。

3.2.3 推進(jìn)千斤頂行程的確定

比較適合的千斤頂行程約為1 200 mm。此行程可將已經(jīng)安裝的緊貼千斤頂撐靴的管環(huán)部分環(huán)片拆除,并將盾尾刷露出1～2道,既可保證更換的安全性,又具備操作性。

3.2.4 施工設(shè)備材料準(zhǔn)備

要準(zhǔn)備好氣割、電焊機(jī)、焊條,以及填充盾尾間隙和盾尾刷的盾尾密封油脂等材料。

3.3 更換過程

在上述準(zhǔn)備工作完畢后,即可進(jìn)行盾尾密封刷更換。以K塊位于管環(huán)1點(diǎn)為例加以說明(見圖2):更換順序可以按照K→C→B→A1→A2→A3管片順時(shí)針方向進(jìn)行,也可以按照K→C→A3→A2→A1→B管片逆時(shí)針方向進(jìn)行;管片繞管環(huán)中心旋轉(zhuǎn)的角度以保證K塊位置為準(zhǔn)。本工程中管環(huán)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)了72°,即K塊盾尾更換前位于1點(diǎn)位置,盾尾更換后位于3點(diǎn)位置。

圖2 襯砌環(huán)平面及剖面圖

4 盾構(gòu)施工引起地表沉降研究

4.1 地層沉降原因

盾構(gòu)推進(jìn)一般會(huì)發(fā)生地基變形。其原因有:

(1)開挖面上的土水壓力不平衡導(dǎo)致開挖面失去穩(wěn)定性。此時(shí),壓力艙壓力大于開挖面土壓力和水壓力時(shí)出現(xiàn)地基隆起,相反會(huì)出現(xiàn)地基沉降。

(2)盾構(gòu)推進(jìn)對(duì)圍巖的擾動(dòng)。盾構(gòu)殼板和圍巖的摩擦以及圍巖的擾動(dòng)會(huì)引起地基隆起和沉降。尤其在蛇曲修正、曲線推進(jìn)時(shí)如采用超挖,會(huì)使圍巖松動(dòng)的范圍變大,加大地基的沉降量。

(3)盾尾空隙的發(fā)生和壁后注漿的不足。盾構(gòu)施工必然產(chǎn)生盾尾空隙,這一空隙會(huì)引起地基的應(yīng)力釋放而產(chǎn)生彈塑性變形。一般可通過實(shí)施壁后注漿來控制,但壁后注漿的材料、注漿時(shí)間、位置、壓力、注漿量等都會(huì)影響地基的變形量。

(4)襯砌管片的變形和變位。管片從盾尾脫出后,受到圍巖荷載作用發(fā)生一些變形或變位,造成地基沉降,但其量一般較小。

(5)地下水位下降。由于漏水或降水引起的地基沉降。

4.2 地層沉降的機(jī)理

由盾構(gòu)法施工引起的地層損失和經(jīng)擾動(dòng)后的土顆粒再固結(jié),是形成地面沉降的兩個(gè)主要因素。

4.2.1 土體損失

隧道的挖掘土量常常由于超挖或盾構(gòu)與襯砌間的間隙等問題而比以隧道斷面面積計(jì)算出的量大得多。這樣,就使盾構(gòu)隧道與襯砌之間產(chǎn)生空隙。在軟黏土中空隙會(huì)被周圍土壤及時(shí)填滿,引起地層運(yùn)動(dòng),產(chǎn)生施工沉降,也稱瞬時(shí)沉降。土的應(yīng)力因此而發(fā)生變化,隨之而形成應(yīng)變-變形-位移-地面沉降。

地層損失是指盾構(gòu)施工中實(shí)際挖除的土壤體積與理論計(jì)算的排土體積之差,一般可分為三類:

第一類,正常地層損失。這里排除了各種主觀因素的影響,認(rèn)為操作過程是認(rèn)真仔細(xì)的,完全合乎預(yù)定的操作規(guī)程,沒有任何失誤,地層損失的原因全部歸結(jié)于施工現(xiàn)場(chǎng)的客觀條件,如施工地區(qū)的地質(zhì)條件或盾構(gòu)施工工藝的選擇等。這是因?yàn)樵趯?shí)際施工中無論選用何種類型的盾構(gòu),都不可避免地會(huì)產(chǎn)生地面沉降。一般地說,這種沉降可以控制到一定限度,由此而引起的地面沉降槽體積與地層損失量是相等的。在均質(zhì)的地層中正常地層損失引起的地面沉降也比較均勻。

第二類,非正常地層損失。指由于盾構(gòu)施工過程中操作失誤(如盾構(gòu)駕駛過程中各類參數(shù)設(shè)置錯(cuò)誤、超挖、壓漿不及時(shí)等)而引起的地層損失。非正常地層損失引起的地面沉降有局部變化的特征,然而,一般還可以認(rèn)為是正常的。

第三類,災(zāi)害性地層損失。盾構(gòu)開挖面有突發(fā)性急劇流動(dòng),甚至形成暴發(fā)性的崩塌,引起災(zāi)害性的地面沉降。這常是由于施工中遇到水壓大、透水性強(qiáng)的顆粒狀土的透鏡體或地層中的貯水體。

4.2.2 固結(jié)沉降

固結(jié)沉降可分為主固結(jié)沉降和次固結(jié)沉降。盾構(gòu)推進(jìn)過程中的擠壓、超挖和盾尾的壓漿作用對(duì)地層產(chǎn)生擾動(dòng),使隧道周圍地層產(chǎn)生正、負(fù)超孔隙水壓力。主固結(jié)沉降為超孔隙水壓力消散引起的土層壓密。次固結(jié)沉降是由于土層骨架蠕動(dòng)引起的剪切變形沉降。主固結(jié)沉降與土層厚度有著密切的關(guān)系。土層越厚,主固結(jié)沉降占總沉降的比例越大。因此,在隧道埋深較大的工程中,施工沉降雖然很小,但主固結(jié)沉降的作用決不可忽視。

在孔隙比和靈敏度較大的軟塑和流塑性土層中,次固結(jié)沉降往往要持續(xù)幾個(gè)月,有的甚至要幾年以上。它占總沉降的比例可高達(dá)35%以上。

從理論上講,盾構(gòu)法施工引起隧道周圍地表沉降是指主固結(jié)沉降、次固結(jié)沉降及施工沉降三者之和。如果不考慮次固結(jié)沉降,總沉降應(yīng)等于地層損失造成的施工沉降和由于地層擾動(dòng)引起的固結(jié)沉降之和。此時(shí),位于隧道上方的任意一土層的相對(duì)沉降值是相同的。因?yàn)殡S著超孔隙水壓力的消散,土顆粒向著它原來的相對(duì)位置移動(dòng),當(dāng)超孔隙水壓力全部消散完畢,土顆粒也就回到原來的相對(duì)位置。如果總沉降中計(jì)入次固結(jié)沉降,則還應(yīng)加上由于地層土體原有結(jié)構(gòu)破壞引起的蠕變沉降。

4.3 地層沉降的發(fā)展過程

盾構(gòu)施工引起的隧道上方地表位移沿盾構(gòu)前進(jìn)方向可以分為5個(gè)不同的區(qū)段:①初始沉降,這部分沉降是由于盾構(gòu)掘進(jìn)擾動(dòng)土體前方一定距離外壓密使孔隙比減小引起的;②盾構(gòu)工作面前方的沉降(土體隆起),由于正面土體受擠壓而向上隆起以及孔隙水壓力增加引起;③盾構(gòu)通過時(shí)的沉降,這是由于土體擾動(dòng)和盾構(gòu)與土體之間的剪切錯(cuò)動(dòng)引起的;④盾尾空隙沉降,由于土體脫離盾構(gòu)支撐后應(yīng)力釋放引起的;⑤土體次固結(jié)沉降,這是由于土體擾動(dòng),變形隨時(shí)間而增長(zhǎng)引起的。

5 盾尾刷更換期間地表變形

2008年4月24日左線隧道掘進(jìn)203環(huán),累積掘進(jìn)243.6 m,當(dāng)晚進(jìn)行注漿及二次注漿;2008年5月2日至5月3日進(jìn)行盾尾密封刷更換;5月3日晚重新掘進(jìn)。

盾尾密封刷的檢修和更換需要在無水的情況下進(jìn)行,因此在檢修前需要對(duì)盾尾及周邊土體進(jìn)行加固止水;另外,從安全角度講也要保證在檢修期間不會(huì)發(fā)生涌水、涌砂事件。在檢修前對(duì)盾尾后16環(huán)管片采取了二次注雙液漿,每環(huán)在1點(diǎn)、6點(diǎn)及10點(diǎn)的位置共注3 m3漿液,直到壓力達(dá)到0.6 MPa以上(如壓力不足需增大注漿量)。

5.1 實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

L180～L230地表實(shí)測(cè)沉降及沉降速率如圖3所示。通過對(duì)圖3的分析可知,2008年4月24日L180～L200地表變形已趨于穩(wěn)定,地表變形進(jìn)入第五階段(次固結(jié)階段);L210地表沉降曲線出現(xiàn)拐點(diǎn),地表變形逐漸趨于穩(wěn)定;L220～L230地表沉降速率仍處于增大階段。2008年4月25日晚至5月3日對(duì)盾尾進(jìn)行注漿及二次注漿,L210～L230圍巖與管片間的空隙被漿液填充,待漿液凝固穩(wěn)定,圍巖受到有效約束,地表變形迅速收斂。在此階段,L220、L230地表沉降出現(xiàn)小幅反彈,反彈速率較小,地表變形較為穩(wěn)定。

對(duì)比L180～L210與L220～L230地表變形趨于穩(wěn)定的速度,L180～L210地表沉降速率收斂的速度要低于L220～L230,說明注漿及二次注漿有效改善了圍巖的物理力學(xué)性質(zhì);同時(shí),土顆粒間的孔隙水壓密排出,空隙被漿液充分填充,土體抗剪強(qiáng)度及壓縮模量得到較大的提高。

圖3 L180～L230實(shí)測(cè)沉降及沉降速率曲線圖

5.2 預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)分析

目前,計(jì)算沉降量與時(shí)間關(guān)系的方法有兩大類。一類為根據(jù)固接理論[4],結(jié)合各種土的本構(gòu)模型計(jì)算沉降量的各種有限元法。此法由于計(jì)算參數(shù)較多,且需要做三軸試驗(yàn),因而在工程設(shè)計(jì)中難以采用。第二類為根據(jù)實(shí)測(cè)資料推算沉降量與時(shí)間關(guān)系的預(yù)測(cè)方法,如指數(shù)曲線法、雙曲線法、泊松曲線法[5-8]、對(duì)數(shù)拋物線法等。上述曲線中只有泊松曲線法能反映全過程的沉降-時(shí)間關(guān)系。

泊松曲線亦稱為L(zhǎng)ogistic曲線,其表達(dá)式為:

式中:

St——t時(shí)刻對(duì)應(yīng)的預(yù)測(cè)值;

t——時(shí)間;

a,b,k——待定參數(shù)。

L180～L230的預(yù)測(cè)沉降量(見表2、3)是對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)在沒有注漿及二次注漿的前提下預(yù)測(cè)所得。

表2 地表沉降泊松曲線預(yù)測(cè)參數(shù)

表3 盾尾刷更換期間注漿效果分析

從表2可以清晰看出,盾尾密封刷更換期間地表變形分為兩類:一類為盾尾密封刷更換期間未影響區(qū)段(L180～L200),另一類為盾尾密封刷更換期間有影響區(qū)段(L210～L230)。

地表L180～L200由于離盾尾的距離較遠(yuǎn),管片與圍巖間的注漿材料完全凝固,注漿材料與圍巖整體結(jié)合,襯砌與圍巖間的空隙被充分填充,盾尾密封刷更換期間注漿及二次注漿對(duì)其影響不大。此外,地表變形進(jìn)入第五階段(土體次固結(jié)階段)。此階段土體在有效應(yīng)力不變的情況下,土顆粒間發(fā)生緩慢的剪切變形,致使土體發(fā)生流變變形,變形量隨時(shí)間的增長(zhǎng)而緩慢增長(zhǎng)。

地表L210～L230離盾尾的距離較近,受注漿及二次注漿的影響較大,越靠近盾尾所受的影響越大。注漿及二次注漿過程中,雙液漿液進(jìn)入襯砌與土層間的空隙以后,注漿壓力同時(shí)反向作用于圍巖及管片,初時(shí)漿液是流動(dòng)的狀態(tài),地表沉降及圍巖的變形主要是受注漿壓力的影響,注漿材料的整體剛度很低;隨時(shí)間的變化,注漿材料開始凝固,由液態(tài)轉(zhuǎn)為固態(tài),它的整體剛度將大幅度提高,這時(shí)由已經(jīng)減小的注漿壓力和一定的注漿材料強(qiáng)度來影響地表的沉降及圍巖的變形;最終,地層的變形漸漸受到約束而將外荷載傳遞至襯砌結(jié)構(gòu)上。L210～L230地表沉降預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的差量充分表明注漿及二次注漿取得理想的效果,不僅控制累積沉降量,而且抑止地表沉降速率,使得地層變形很快趨于穩(wěn)定。

6 結(jié)論與建議

(1)盾尾密封刷是保證不漏漿的前提,在盾構(gòu)施工過程中只有保證盾尾密封的完好,才能有效地防止漏漿。

(2)如盾尾漏漿嚴(yán)重,采用加大油脂注入量、在盾尾填塞止水材料、在不堵管的前提下適當(dāng)增加砂漿的稠度、適當(dāng)增加盾尾抽排水設(shè)備等措施無法保證施工的安全和質(zhì)量時(shí),需要對(duì)盾尾密封進(jìn)行更換。為確保盾尾密封安全快速更換,需提前選擇合適的更換位置。

(3)盾尾密封刷出現(xiàn)問題確定要進(jìn)行更換,施工設(shè)備材料的準(zhǔn)備及更換的方法選取必須快速合理。本文的更換方法及工程實(shí)例證明具有一定的實(shí)用與借鑒價(jià)值。

(4)該工程盾尾密封刷更換過程中地表的實(shí)測(cè)變形表明,采用0.6～0.8 MPa的注漿壓力科學(xué)合理。但最佳的注漿壓力應(yīng)根據(jù)實(shí)際的地質(zhì)情況結(jié)合數(shù)值計(jì)算方法確定一個(gè)初始值,然后以這個(gè)初始值進(jìn)行試驗(yàn)后確定。

[1]張福民.盾尾密封在防止漏漿中的作用[J].隧道建設(shè),2006,26(2):52.

[2]吳秀國(guó).長(zhǎng)距離隧道施工過程洞內(nèi)修復(fù)盾構(gòu)尾刷技術(shù)[J].廣州建筑,2006(4):25.

[3]杜建華,彭彥彬,杜立峰,等.盾構(gòu)掘進(jìn)施工中盾構(gòu)機(jī)盾尾密封更換關(guān)鍵技術(shù)研究[J].鐵道建筑,2007(3):47.

[4]殷宗澤.土體沉降與固結(jié)[M].北京:中國(guó)電力出版社,1998.

[5]宰金珉,梅國(guó)雄.成長(zhǎng)曲線在地基沉降預(yù)測(cè)中的應(yīng)用[J].南京建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào),2000(2):8.

[6]宰金珉,梅國(guó)雄.泊松曲線的特征及其在沉降預(yù)測(cè)中的應(yīng)用[J].重慶建筑大學(xué)學(xué)報(bào),2001,26(1):30.

[7]梅國(guó)雄,宰金珉,殷宗澤,等.沉降-時(shí)間曲線呈“S”型的證明及其應(yīng)用——從土體本構(gòu)關(guān)系[J].巖土力學(xué),2005,26:21.

[8]郭建強(qiáng),龔洪祥,高永,等.泊松曲線程序優(yōu)化設(shè)計(jì)沉降預(yù)測(cè)研究[J].建筑科學(xué),2008,24:66.