成都富水砂卵石地層盾構(gòu)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(zé)任公司建設(shè)事業(yè)部土建技術(shù)室,成都 610031;2.中鐵隧道集團(tuán)有限公司科學(xué)技術(shù)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(gòu)法施工,而國內(nèi)外尚缺少在相似地層中的相關(guān)施工經(jīng)驗(yàn);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(gòu)在該地層中掘進(jìn)引起的地層沉降滯后極為顯著,由滯后沉降導(dǎo)致的地表塌陷屢有發(fā)生,造成較大的經(jīng)濟(jì)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(gòu)掘進(jìn)滯后沉降問題是必須面對的新課題和挑戰(zhàn)。

1 成都地鐵1號線某盾構(gòu)標(biāo)段工程概況

成都地鐵1號線一期工程某盾構(gòu)標(biāo)段隧道區(qū)間線路基本沿人民南路中部敷設(shè),分3個區(qū)間。區(qū)間隧道設(shè)計(jì)為外徑6 000 mm、內(nèi)徑5 400mm的盾構(gòu)隧道,管片厚度為300mm,幅寬采用1 500 mm。3個區(qū)間的縱坡形式為“V”字坡。區(qū)間隧道穿越地層主要為含水量豐富、補(bǔ)給充足的強(qiáng)透水的松散—密實(shí)卵石土,上覆土體為粉土、粉細(xì)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(qū)域內(nèi)地下水具埋深淺、隨季節(jié)性變化明顯的特點(diǎn)。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(jù)四川省地礦廳環(huán)境地質(zhì)監(jiān)測總站對成都市地下水動態(tài)長期觀測資料:在天然狀態(tài)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(chǎn)生機(jī)理及過程分析

2.1 滯后沉降產(chǎn)生機(jī)理分析

在成都地鐵1號線某盾構(gòu)標(biāo)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(gòu)掘進(jìn)沒有相關(guān)經(jīng)驗(yàn),沒有認(rèn)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(yù)防滯后沉降的措施;因此,在盾構(gòu)掘進(jìn)通過一段時間后,多次發(fā)生由于滯后沉降造成的隧道上方地表塌陷事故。

盾構(gòu)掘進(jìn)不可避免會造成地表沉降,但在不同的地質(zhì)條件下表現(xiàn)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(fā)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(nèi)趨于穩(wěn)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(nèi)有一定的自穩(wěn)能力;因此,地表沉降監(jiān)測值不能完全真實(shí)地反映地層損失情況,沉降具有很強(qiáng)的滯后性。根據(jù)成都地鐵1號線各盾構(gòu)標(biāo)段實(shí)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(fā)生過程分析

根據(jù)成都地鐵1號線盾構(gòu)在富水砂卵石地層中施工經(jīng)驗(yàn),將該地層中土體發(fā)生滯后沉降過程劃分為4個階段[3]:1)盾構(gòu)掘進(jìn)發(fā)生超挖或長時間停機(jī)造成土體擾動(砂卵石地層中盾構(gòu)掘進(jìn)極易發(fā)生超挖);2)砂卵石層形成半球形穹頂自穩(wěn);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(wěn)的砂卵石層穹頂表層逐漸剝落向地表發(fā)展;4)最終地面貫穿,形成塌孔。滯后沉降導(dǎo)致地表塌陷過程分析詳見圖1。

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

2.2.1 盾構(gòu)掘進(jìn)造成土體擾動情況分析

盾構(gòu)在砂卵石地層中掘進(jìn),造成土體擾動的情況主要有:1)出碴量未得到有效控制,發(fā)生超挖;2)盾構(gòu)長時間停機(jī)更換刀具,盾構(gòu)刀盤上方發(fā)生土體坍塌,造成土體擾動;3)盾構(gòu)到達(dá)及始發(fā)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(gòu)始發(fā)到達(dá)施工的不連續(xù)性,往往會導(dǎo)致較強(qiáng)的土體擾動;因此,該部位滯后沉降導(dǎo)致地表塌陷發(fā)生頻率極高;4)在一些不良地質(zhì)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(gòu)掘進(jìn)易發(fā)生糊刀、堵艙,導(dǎo)致掘進(jìn)緩慢,引起出碴量超限,發(fā)生超挖。

2.2.2 受擾動卵石層形成動態(tài)自穩(wěn)過程分析

盾構(gòu)掘進(jìn)對砂卵石層擾動后,砂卵石層向地面發(fā)生松動,松動范圍以發(fā)生地層損失處為中心向地表發(fā)展。如圖1中(a)所示。松動層往地表發(fā)展過程砂卵石層始終處于一種動態(tài)的自穩(wěn)狀態(tài),在此狀態(tài)下通過地表監(jiān)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(gòu)標(biāo)段常壓開倉換刀時,刀盤頂部土體塌落形成動態(tài)自穩(wěn)的砂卵石穹頂照片(仰視)。

圖2 形成半球形穹頂動態(tài)自穩(wěn)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(wěn)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(wěn)后,由于受到如季節(jié)性的地下水位提升、地表動荷載等因素影響,形成自穩(wěn)的砂卵石層穹頂表層逐漸剝落向地表發(fā)展,最終地面貫穿,形成塌孔。

3 滯后沉降預(yù)防控制措施

根據(jù)以上分析,發(fā)現(xiàn):發(fā)生滯后沉降導(dǎo)致地表塌陷主要原因是地層發(fā)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(wěn)特性往往掩蓋了地層沒有得到充分填充的事實(shí),最終演變成地表塌陷。根據(jù)滯后沉降發(fā)生的機(jī)理及發(fā)展的過程分析,預(yù)防滯后沉降可從以下幾方面來采取措施。

3.1 事前預(yù)防措施

針對盾構(gòu)長時間停機(jī)檢查更換刀具位置、盾構(gòu)始發(fā)到達(dá)端頭、盾構(gòu)掘進(jìn)通過特殊地段容易發(fā)生滯后沉降導(dǎo)致地表塌陷的情況,應(yīng)在事前考慮預(yù)防措施。

1)選用適當(dāng)?shù)牡毒吲渲?。盾?gòu)在一處長時間停機(jī),會對該位置的土體造成較大擾動,土體再固結(jié)即會導(dǎo)致地表塌陷;因此,選用適當(dāng)?shù)牡毒吲渲眉坝杏?jì)劃地進(jìn)行停機(jī)[4],事先選擇好地表空曠有加固條件或出現(xiàn)險情便于搶險的停機(jī)位置是非常重要的。必要時還可對停機(jī)位置進(jìn)行預(yù)加固處理。

2)盾構(gòu)始發(fā)到達(dá)端頭受車站基坑降水影響,基坑降水將地層中細(xì)小顆粒抽出,造成端頭土體松散,加之盾構(gòu)掘進(jìn)對土體的擾動,該處極易發(fā)生滯后沉降。對于端頭在盾構(gòu)始發(fā)、到達(dá)前應(yīng)采取預(yù)加固措施來預(yù)防滯后沉降的發(fā)生。

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

4)盾構(gòu)通過不良地質(zhì)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(fā)生超挖,因此,盾構(gòu)通過該地層前應(yīng)做好地層預(yù)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(gòu)掘進(jìn)發(fā)生超挖;因此,盾構(gòu)掘進(jìn)施工階段采取適當(dāng)?shù)拇胧┫啾仁虑?、事后措施是最重要的。盾?gòu)掘進(jìn)施工過程中主要采取以下措施:

1)嚴(yán)格控制盾構(gòu)各項(xiàng)掘進(jìn)參數(shù),嚴(yán)格采用土壓平衡掘進(jìn)模式,杜絕欠壓掘進(jìn);

2)做好碴土改良[6],嚴(yán)控出碴量,并做好出碴量記錄,包括體積及質(zhì)量,防止盾構(gòu)掘進(jìn)超挖造成地層損失;

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

3.3 事后跟蹤補(bǔ)救措施

盾構(gòu)掘進(jìn)通過后主要采取以下措施預(yù)防滯后沉降:

1)盾構(gòu)掘進(jìn)通過后,開展信息化施工,綜合考慮監(jiān)測數(shù)據(jù)、掘進(jìn)原始出碴量記錄、注漿量等,分析篩選出可能發(fā)生超挖并且注漿不飽滿的地段,在該處補(bǔ)充注漿填充地層損失;

2)對盾構(gòu)停機(jī)加固位置、盾構(gòu)始發(fā)、到達(dá)端頭、重要建(構(gòu))筑物、特殊地層地段,在盾構(gòu)掘進(jìn)通過后及時進(jìn)行洞內(nèi)二次補(bǔ)強(qiáng)注漿或地表打孔注漿對該處地層進(jìn)行加固,避免日后發(fā)生滯后沉降導(dǎo)致地表塌陷;

3)在較長時間內(nèi)對盾構(gòu)掘進(jìn)通過沿線進(jìn)行日常巡視,特別是雨季地下水位上升時,發(fā)現(xiàn)地表有異常情況要及時回填注漿,避免造成更大的經(jīng)濟(jì)損失及安全事故;

4)對盾構(gòu)通過沿線進(jìn)行地質(zhì)雷達(dá)探測空洞,對存在空洞的部位進(jìn)行打孔注漿。

4 結(jié)論

雖然滯后沉降在成都特有的富水砂卵石地層中極易發(fā)生,但只要能做到掘進(jìn)前有計(jì)劃地進(jìn)行預(yù)加固處理;掘進(jìn)過程中嚴(yán)格控制掘進(jìn)參數(shù),避免發(fā)生超挖,如實(shí)準(zhǔn)確記錄出碴量;掘進(jìn)通過后根據(jù)出碴量及注漿量統(tǒng)計(jì)結(jié)果對掘進(jìn)通過可能存在空洞區(qū)域進(jìn)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(yù)防的。對于成都地鐵盾構(gòu)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(yīng)繼續(xù)做好數(shù)據(jù)收集,通過對第一手?jǐn)?shù)據(jù)的分析進(jìn)一步提高對滯后沉降發(fā)生的機(jī)理的認(rèn)識,找到更好解決滯后沉降的措施。

[1] 中鐵隧道集團(tuán).成都地鐵1號線盾構(gòu)4標(biāo)實(shí)施性施工組織設(shè)計(jì)[R].洛陽:中鐵隧道集團(tuán),2006.

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

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

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

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

[6] 王明勝.復(fù)雜地層中盾構(gòu)法隧道渣土改良技術(shù)[J].地下空間與工程學(xué)報(bào),2007,3(8):1446-1447.