盾構(gòu)隧道下穿深圳濱海大道沉降控制技術(shù)

陳學(xué)軍,鄒寶平,鄺光霖,崔曉艷

(1.桂林理工大學(xué)土木與建筑工程學(xué)院,桂林 541004;2.廣東華隧建設(shè)股份有限公司,廣州 510635)

盾構(gòu)隧道下穿深圳濱海大道沉降控制技術(shù)

陳學(xué)軍1,鄒寶平1,鄺光霖2,崔曉艷1

(1.桂林理工大學(xué)土木與建筑工程學(xué)院,桂林 541004;2.廣東華隧建設(shè)股份有限公司,廣州 510635)

結(jié)合深圳地鐵 2號線南山商業(yè)中心站—科技園站區(qū)間盾構(gòu)隧道穿越濱海大道的施工實(shí)際經(jīng)驗(yàn),介紹盾構(gòu)掘進(jìn)施工要準(zhǔn)確設(shè)定土倉平衡壓力、控制掘進(jìn)速度、合理控制注漿材料配合比、確定適合土層的泡沫劑、確定盾尾油脂用量及注入壓力、制定全面的機(jī)械檢修與保養(yǎng)工作,同時(shí)通過監(jiān)控量測,信息化管理,找出盾構(gòu)法施工引起地表沉降的主要原因,及時(shí)采取有效措施控制地表沉降,保證了深圳市濱海大道行車安全。

地鐵;盾構(gòu)隧道;沉降控制

1 概述

近年來,隨著我國地下空間開發(fā)利用程度的不斷擴(kuò)展,盾構(gòu)隧道施工技術(shù)日益成熟,然而,盾構(gòu)隧道開挖過程中都不可避免地會(huì)對原有的地層和應(yīng)力場產(chǎn)生擾動(dòng),從而引起地層的移動(dòng)和地表沉降(或隆起),進(jìn)而對地表建(構(gòu))筑物帶來不良影響。尤其在軟土層開挖,軟土靈敏度高,稍經(jīng)擾動(dòng)就會(huì)喪失承載力,且要經(jīng)過很長的時(shí)間才能穩(wěn)定下來[1]。國內(nèi)外學(xué)者對盾構(gòu)隧道施工引起地表沉降的規(guī)律進(jìn)行了大量研究,但關(guān)于軟土地區(qū)盾構(gòu)隧道下穿深圳市主要城市干道的工程經(jīng)驗(yàn)還沒有,對于隧道上部深圳市濱海大道車輛動(dòng)荷載反復(fù)作用下的沉降規(guī)律是否與一般地面沉降類似,尚缺乏可靠的資料和認(rèn)識。

盾構(gòu)法施工引起周圍地層變形的主要原因是,施工引起的地層損失和盾構(gòu)隧道周圍受擾動(dòng)或受剪切破壞的重塑土的再固結(jié)[2]。加強(qiáng)對影響盾構(gòu)隧道施工的主要因素進(jìn)行定量分析,總結(jié)出地表變形或結(jié)構(gòu)沉降與盾構(gòu)開挖過程中各種因素之間的關(guān)系,在施工過程中減少對土工環(huán)境的損傷和破壞、確保施工安全等方面具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[3]。以深圳地鐵 2號線南山商業(yè)中心站—科技園站區(qū)間盾構(gòu)隧道在里程 ZDK9+892.500～ZDK 10+45.000處下穿深圳市濱海大道為背景,通過施工階段對大量現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)的整理和分析,初步得出本工程施工引起深圳市濱海大道沉降規(guī)律的認(rèn)識,為將來類似工程的設(shè)計(jì)、施工提供參考。

2 工程概況

深圳地鐵 2號線南山商業(yè)中心站—科技園站區(qū)間為盾構(gòu)區(qū)間,起訖里程為 YDK 9+629.740～YDK10 850.200,全長 1 220.46m。本工程采用 2臺全新德國海瑞克公司制造的復(fù)合式土壓平衡式盾構(gòu)機(jī) S470和S471由南山商業(yè)中心站向科技園站方向掘進(jìn),盾構(gòu)開挖直徑 6.28 m,盾構(gòu)隧道在里程 ZDK9+892.500～ZDK10+45.000處下穿深圳市濱海大道。深圳市濱海大道是南山區(qū)連接福田區(qū)、羅湖區(qū)的主要快速干道和深圳市重要的海濱自然風(fēng)景帶,于 1999年建成通車。本工程盾構(gòu)隧道左右線間距為 14.2m,隧道覆土厚度為 14.25～17.50 m,平面處于直線段,縱斷面最大坡度為 22.66‰,該區(qū)間隧道是深圳地鐵 2號線工程的施工重點(diǎn)和難點(diǎn)。盾構(gòu)隧道與深圳市濱海大道位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 盾構(gòu)隧道與深圳市濱海大道平面位置關(guān)系

該區(qū)間原始地貌為濱海相潮間帶(灘涂),后經(jīng)軟基處理,由填海而成。隧道穿越復(fù)雜地層條件,依次為 ：Qml層填石、填砂 ;Q4m層淤泥質(zhì)黏土和礫砂(含淤泥);Q4al+pl層黏土和礫砂;Q3al+pl層黏土;Q2el層礫(砂)質(zhì)黏土和礫 (砂)質(zhì)黏土;γ53層全風(fēng)化巖、強(qiáng)風(fēng)化巖、中等風(fēng)化巖和微風(fēng)化巖等構(gòu)成。賦存于黏性土和各砂層中的地下水類型為孔隙潛水,賦存于基巖風(fēng)化層中的地下水類型為基巖裂隙水,但二者滲透性相近,因而兩種類型的地下水一般不具承壓性。區(qū)間范圍地下水位埋深0.70～4.60m,水位高程 -1.40～2.81m,最大隧道涌水量為 7 576m3/d,屬水量極豐富區(qū),易造成局部流砂、涌水等現(xiàn)象。施工區(qū)域巖土物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 土層的物理力學(xué)指標(biāo)

3 地表沉降控制技術(shù)措施

造成深圳市濱海大道產(chǎn)生地表沉降的原因主要有施工引起的地層損失,包括開挖土體應(yīng)力和地層原始應(yīng)力的變化,盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)的擠壓作用以及盾尾后面隧道外圍建筑空隙中壓漿不足,襯砌結(jié)構(gòu)變形和管片的滲漏水。此外,盾構(gòu)在推進(jìn)過程中,由于擠壓、超挖和盾尾的壓漿作用,使土層受到擾動(dòng),在隧道周圍產(chǎn)生正、負(fù)超孔隙水壓力,從而使盾構(gòu)隧道周圍土體受擾動(dòng)或受剪切破壞的重塑土的再固結(jié),也是其產(chǎn)生地表沉降的原因[4～6],如果沉降差異過大,濱海大道就有可能遭到破壞,因此,要控制盾構(gòu)施工引起濱海大道的地表沉降(或隆起),關(guān)鍵要使盾構(gòu)掘進(jìn)對正面及周圍土體的擾動(dòng)最小化,要準(zhǔn)確設(shè)定土倉平衡壓力、控制掘進(jìn)速度、合理控制注漿材料配合比、確定適合土層的泡沫劑、確定盾尾油脂用量及注入壓力、制定全面的機(jī)械檢修與保養(yǎng)工作等,同時(shí)以監(jiān)測數(shù)據(jù)指導(dǎo)盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)的設(shè)置,進(jìn)行信息化施工。

3.1 土倉平衡壓力控制

盾構(gòu)掘進(jìn)土艙壓力的設(shè)置,主要考慮地層土壓、地下水壓(孔隙水壓)和預(yù)壓 3部分,同時(shí)結(jié)合地表沉降監(jiān)測反饋數(shù)據(jù)進(jìn)行修正,從而科學(xué)合理地設(shè)置土壓力值和適宜的推進(jìn)速度等參數(shù)。該區(qū)間段隧道覆土厚度為 14.25～17.50m,根據(jù)計(jì)算和實(shí)測經(jīng)驗(yàn),土艙壓力設(shè)置偏大時(shí)常導(dǎo)致開挖面前方地層發(fā)生破壞性隆起,且最終沉降量較大;偏小時(shí)刀盤前方地表沉降較大,對最終沉降控制也不利。因此,設(shè)計(jì)開挖面水土壓力為1.8～1.9bar,盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)時(shí)土艙壓力控制在 1.9～2.0 bar(1 bar=100 kPa)。

3.2 盾構(gòu)推進(jìn)速度和姿態(tài)控制

盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)速度和姿態(tài)控制直接影響到土體沉降。盾構(gòu)在穿越濱海大道時(shí)應(yīng)適當(dāng)放慢掘進(jìn)速度,推進(jìn)的速度與正面的土壓力、千斤頂推力、土體性質(zhì)等因素都有關(guān)系,應(yīng)綜合考慮。本工程的掘進(jìn)速度控制在40～50mm/min,即一環(huán)(1.5m)掘進(jìn)時(shí)間控制在 30～40min,并盡量保持盾構(gòu)機(jī)勻速前進(jìn),以減少對土體的擾動(dòng)。

此外,為了保持盾構(gòu)姿態(tài)、方向、高程準(zhǔn)確無誤,在施工中盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)變化不宜過大或過頻,并且嚴(yán)格控制中線平面位置偏差、盾構(gòu)切口與盾尾平面以及高程偏差均不超過 ±50mm,并且達(dá)到 ±30mm時(shí)報(bào)警。同時(shí)要加強(qiáng)激光導(dǎo)向,并定期跟進(jìn)中線控制樁,加密施工中線、高程的測量頻率,并據(jù)以隨時(shí)調(diào)整輸入數(shù)據(jù),保證激光導(dǎo)向的正確無誤,使盾構(gòu)的前進(jìn)始終按預(yù)定目標(biāo)進(jìn)行,一旦出現(xiàn)盾構(gòu)偏移軸線過大或地面變形偏大,應(yīng)逐步糾正,并及時(shí)調(diào)整推進(jìn)速度。

3.3 合理控制注漿材料配合比

盾構(gòu)施工引起的地層損失和盾構(gòu)隧洞周圍受擾動(dòng)或受剪切破壞的重塑土的再固結(jié)以及地下水的滲透,是引起地表沉降的重要原因。為了減少和防止沉降,在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中,要盡快在盾尾脫離出的襯砌管片背后同步注入足量的漿液材料充填盾尾環(huán)形建筑空隙。同時(shí)漿液質(zhì)量要達(dá)到易于壓送、不離析、不沉淀不堵管。本工程采用單液水泥砂漿填充管片外環(huán)形間隙,同時(shí)結(jié)合本區(qū)間實(shí)際地質(zhì)情況并經(jīng)多次試驗(yàn)確定漿液的初凝時(shí)間為 6～8h,1d齡期強(qiáng)度達(dá)到0.3～0.MPa。每 m3漿液配比及性能指標(biāo)如表2、表3所示。

表2 每 m 3材料含量配比

表3 同步注漿漿液性能指標(biāo)

3.4 確定適合土層的泡沫劑

泡沫劑的使用能保證盾構(gòu)在掘進(jìn)時(shí)能調(diào)整土倉內(nèi)渣土的和易性,降低刀盤的扭矩和刀盤的工作溫度,保證渣土均勻從螺旋輸送機(jī)送出,保持土倉壓力的均勻本工程在盾構(gòu)施工過程中,推薦使用的泡沫品牌有康達(dá)克和艾爾科,試驗(yàn)艾爾科有更容易消除泥餅、軟化黏土的作用。同時(shí),在盾構(gòu)施工過程中,要加強(qiáng)對泡沫管的保護(hù),發(fā)現(xiàn)堵塞時(shí)及時(shí)疏通和改造泡沫系統(tǒng),并注意泡沫使用的濃度和用量,確定發(fā)泡倍數(shù)和稀釋度。

3.5 確定盾尾油脂用量及注入壓力

根據(jù)以往施工經(jīng)驗(yàn),通過加大盾尾油脂壓注量能防止注漿液通過盾尾流失。經(jīng)現(xiàn)場施工及監(jiān)測信息反饋,當(dāng)盾尾油脂壓力設(shè)計(jì)為 1.2 bar時(shí),能較好地充填飽滿盾尾空腔,防止盾尾漏漿,確保盾尾間隙均勻。

3.6 盾構(gòu)機(jī)的維修保養(yǎng)

在濱海大道底不允許停機(jī)開倉,因此為了保證盾構(gòu)掘進(jìn)以較好狀態(tài)進(jìn)入濱海大道底,在盾構(gòu)機(jī)過濱海大道前,盾構(gòu)機(jī)應(yīng)停止掘進(jìn),提前對盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行全面的檢修與保養(yǎng)工作,確保盾構(gòu)機(jī)以良好的狀態(tài)順利穿過濱海大道。另外,對盾尾密封加強(qiáng)檢查,控制好盾尾間隙,保證盾尾油脂注入的數(shù)量和質(zhì)量,保護(hù)好盾尾刷,保證盾尾密封良好。同時(shí)對地面配套設(shè)施,如龍門吊、砂漿站等進(jìn)行全面檢修保養(yǎng),確保過濱海大道施工過程中所需的材料、機(jī)械配件等的充分供給。

4 施工監(jiān)測及效果評價(jià)

在盾構(gòu)穿越深圳濱海大道時(shí),在濱海大道上布置監(jiān)測點(diǎn),點(diǎn)位沉降觀測選 4個(gè)斷面,分別為 ZDK9 925、ZDK9+950、ZDK 9+980、ZDK10+005斷面 ,每個(gè)斷面選 4個(gè)觀測點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測,監(jiān)測點(diǎn)布置如圖2所示ZDK9+925、ZDK9+950、ZDK9+980、ZDK10+005斷面觀測點(diǎn)沉降趨勢如圖3～圖6所示。

圖2 隧道地表沉降測點(diǎn)布置(單位：m)

從以上監(jiān)測數(shù)據(jù)可以看出,盾構(gòu)在下穿深圳濱海大道時(shí),ZDK 9+925、ZDK9+950、ZDK9+980、ZDK10+005四個(gè)斷面中,ZDK9+925斷面沉降累計(jì)最大值發(fā)生在中軸縱線,為 28.1mm,累計(jì)最小值是 ZDK9 925-1橫斷面,為 13.7mm;ZDK9+950斷面沉降累計(jì)最大值發(fā)生在中軸縱線,為 27.8mm,累計(jì)最小值是ZDK9+950-4橫斷面,為 12.4mm;ZDK9+980斷面沉降累計(jì)最大值發(fā)生在中軸縱線,為 13.6mm,累計(jì)最小值是 ZDK9+980-1橫斷面,為 5.7mm;ZDK10 005斷面沉降累計(jì)最大值發(fā)生在中軸縱線,為 10.mm,累計(jì)最小值是 ZDK10+005-4橫斷面,為 4.mm。因此,中軸線縱線沉降量最大的是 ZDK9+925,為 28.1mm,中軸線縱線沉降量最小的是 ZDK10 005,為 4.4mm,且距盾構(gòu)隧道中線最遠(yuǎn)的點(diǎn)沉降量累計(jì)最小,但所有點(diǎn)位沉降量累計(jì)值都在 30mm以內(nèi),也就是說盾構(gòu)下穿濱海大道地表沉降均控制在 ±3 mm以內(nèi),小于規(guī)范允許的 ±30mm,符合規(guī)范要求,因而確保了濱海大道的行車安全。盾構(gòu)隧道縱斷面地表累計(jì)量如圖7所示。

圖7 左線盾構(gòu)隧道縱斷面地表累計(jì)沉降

5 結(jié)語

在盾構(gòu)隧道施工過程中,產(chǎn)生沉降的原因主要是由于盾構(gòu)頂推過程中原狀土層受到較大程度的擾動(dòng),且當(dāng)盾構(gòu)離開后發(fā)生了超孔隙水壓消散的主固結(jié)沉降以及土體骨架蠕變所引起的次固結(jié)沉降[7],此外深圳市濱海大道車輛動(dòng)荷載長期作用也使道路逐步產(chǎn)生永久累積變形。因此,本工程在采用了以上提到的各項(xiàng)施工技術(shù)和監(jiān)測措施,使左右線隧道分別于 2008年7月 1 4日 ～ 12月 18日和 2 00 9年 2月 1日 ～ 4月30日在不影響深圳濱海大道正常運(yùn)行情況下,成功實(shí)施了穿越,且各項(xiàng)指標(biāo)均在理想的控制范圍內(nèi),符合有關(guān)規(guī)范要求,這對今后類似工程設(shè)計(jì)和施工具有重要的指導(dǎo)意義。

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U 455.43

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1004-2954(2010)03-0092-03

2009-11-09;

2009-11-19

廣西自然科學(xué)基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目(桂科自 0832252);廣西重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金資助項(xiàng)目(桂科能 07109005-2);廣西研究生教育創(chuàng)新計(jì)劃資助項(xiàng)目(2008105960814M 08)。

陳學(xué)軍(1961—),男,教授,2001年畢業(yè)于中國地質(zhì)大學(xué)。