淺埋砂層中土壓平衡盾構(gòu)機土倉壓力和同步注漿量與地表沉降的關(guān)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(gòu) 2標(biāo)區(qū)間線路自大坦沙站南端始,下穿廣茂鐵路,在雙橋公園內(nèi)設(shè)盾構(gòu)始發(fā)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(dá)如意坊站,再從如意坊站東端出發(fā),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(dá)六二三路與大同路交叉段的黃沙站,然后過黃沙站到達(dá)東端的盾構(gòu)吊出井。盾構(gòu)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(zhì)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(zhì)土層、淤泥質(zhì)粉細(xì)砂層(Q4mc)、粉質(zhì)黏土、粉土層、沖積 -洪積粉細(xì)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(fēng)化程度不均一,軟硬夾層較多。盾構(gòu)機要穿越的砂層地段主要位于區(qū)間的始發(fā)地段,占區(qū)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(shù)為 1×10-4m/s。地下水按貯存方式分為第四系孔隙水、基巖風(fēng)化裂隙水。在天然狀態(tài)下,基巖風(fēng)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(fēng)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(cè)向動力補給。

1.3 地表建筑情況

該項目區(qū)間隧道位于老城區(qū),地表建筑物較多,在砂層段地表建(構(gòu))筑物主要是:橋中南路、內(nèi)環(huán)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(shè)計要求地表沉降應(yīng)控制在 -30/+10mm。

1.4 盾構(gòu)機設(shè)備情況

該項目采用 2臺德國海瑞克公司生產(chǎn)的復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機掘進(jìn)施工。在采購設(shè)備時考慮到該項目隧道需穿越長達(dá) 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(fā)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(jìn)施工參數(shù)制定原則

掘進(jìn)參數(shù)主要包括:盾構(gòu)機推力、刀盤轉(zhuǎn)速、土倉壓力、泡沫劑濃度及摻入量、發(fā)泡率、注漿量等等。

2.1 盾構(gòu)機推力

盾構(gòu)機推進(jìn)過程主要靠推進(jìn)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(chǎn)生足夠的壓力破碎、切削前方巖土。

該項目中沙層段盾構(gòu)機推力為8000～1100kN。

2.2 刀盤轉(zhuǎn)速

刀盤轉(zhuǎn)速根據(jù)掌子面地質(zhì)情況設(shè)定,一般在軟巖、軟土地層采用 0.8～1.5r/min的較低轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shù) 0.8～1.5r/min設(shè)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(shè)定前必須對刀盤位置地層水土壓力進(jìn)行理論計算。目前水土壓力計算理論一般根據(jù)地層的排水固結(jié)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(jìn)行計算。

經(jīng)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(shè)定時為避免土壓太大難以推進(jìn),取主動土壓力理論值再增加 20kPa左右作為土倉壓力設(shè)定值。

2.4 泡沫劑濃度、摻入量、發(fā)泡率

該項目采用泡沫劑對砂層砟土進(jìn)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(fā)泡率根據(jù)試驗進(jìn)行初值設(shè)定,并在實際施工中調(diào)整,以使改良效果達(dá)到最優(yōu)。

該項目泡沫劑使用初值設(shè)定為:濃度 3%～5%,每環(huán)摻入量 10%～20%(體積比),發(fā)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(gòu)推進(jìn)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(guān)重要。同步注漿以注漿壓力和注漿量雙指標(biāo)控制,一般注漿壓力要達(dá)到略大于注漿管口的水土壓力值 20kPa,注漿量則至少達(dá)到理論計算空隙的 1.2倍方可認(rèn)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(shè)定值 L=(1.5～2.0)L1。該項目砂層段注漿量設(shè)定值 6～8m3,注漿壓力180～200kPa。

3 地表監(jiān)測

3.1 監(jiān)測點布設(shè)

該項目砂層段先在內(nèi)環(huán)路廣佛放射線立交橋下穿過,再橫穿坦尾路進(jìn)入橋中南路,隨后沿橋中南路向如意坊站推進(jìn)。在始發(fā)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(jiān)測對指導(dǎo)施工確保安全是至關(guān)重要的。該項目采取打穿公路混凝土及水泥穩(wěn)定層后埋設(shè) 1根 2m長鋼筋的方法來監(jiān)測盾構(gòu)施工期間地層的沉降變形情況,線路縱向及橫斷面上監(jiān)測點間距均為 5m,橫斷面監(jiān)測寬度為線路中心兩側(cè)各 20m,橋墩兩相鄰側(cè)壁鉆孔安裝膨脹螺釘作為監(jiān)測點。

3.2 監(jiān)測頻率

監(jiān)測頻率按照 2次/d進(jìn)行,主要監(jiān)測范圍為盾構(gòu)機前后各 30m。根據(jù)設(shè)計要求監(jiān)測地表沉降報警值-24、+8mm,控制值 -30、+10mm。采用萊卡精密水準(zhǔn)儀 +測微器和銦瓦鋼尺測量,精度為 0.3 mm/km。

3.3 實際監(jiān)測結(jié)果

根據(jù)監(jiān)測方案對盾構(gòu)機前后各 30m的范圍內(nèi)的地表、建筑物沉降變形進(jìn)行了監(jiān)測。監(jiān)測結(jié)果見圖1。

圖1 地表沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)

4 土倉壓力、同步注漿量與地表沉降關(guān)系分析

土壓平衡盾構(gòu)機的工作原理是在土倉內(nèi)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(gòu)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(guān)系到盾構(gòu)施工的工后沉降大小。

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

圖2 地表沉降與土倉壓力及同步注漿關(guān)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(dāng)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(yīng)控制在略大于理論計算值 20kPa左右范圍內(nèi)。

5 結(jié)論

通過分析施工參數(shù)與地表沉降值的關(guān)系,可知土壓平衡盾構(gòu)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(jù),以略大于理論計算的土倉壓力值推進(jìn),并在推進(jìn)過程中嚴(yán)格采用注漿壓力、注漿量雙指標(biāo)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(nèi)。

[1]張 敏,等.擴展土壓平衡盾構(gòu)在含水地層中的適應(yīng)性[J].隧道建設(shè),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(yīng)用實例[J].建筑科學(xué),2004,20(4):33-42.