大直徑盾構(gòu)小半徑曲線段接收技術(shù)探討

呂寶偉

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司城交分院,天津 300251)

1 工程概況

1.1 設(shè)計(jì)概述

某工程盾構(gòu)機(jī)選用泥水加壓平衡盾構(gòu)機(jī),盾構(gòu)機(jī)外形輪廓尺寸為 φ12 m,盾構(gòu)機(jī)長(zhǎng) 11.44 m,總長(zhǎng)約 57 m。圓形隧道內(nèi)輪廓為 φ10.60 m,外輪廓為 φ11.60 m,管片的厚度為0.5m,管片環(huán)寬為 1.8m。盾構(gòu)到達(dá)接收段位于半徑為 600 m的曲線上,盾構(gòu)隧道在到達(dá)盾構(gòu)井處最小覆土厚度為 8.92m。

1.2 工程及水文地質(zhì)條件

本工程范圍內(nèi)地層主要為第四系全新統(tǒng)新近沉積層(Q4si),第Ⅰ陸相層(Q4al)、第Ⅰ海相層(Q4m)、第 Ⅱ陸相層(Q4al)、第 Ⅲ陸相層(Q3al))、第 Ⅱ海相層(Q3m)、第Ⅳ陸相層(Q3al)、第Ⅲ海相層(Q3m);表層覆蓋第四系全新統(tǒng)人工堆積層(Q4ml))。巖性主要為雜填土、素填土、黏土、粉土、粉質(zhì)黏土、粉砂及細(xì)砂。盾構(gòu)范圍內(nèi)主要為黏土、粉土、粉質(zhì)黏土、粉砂及細(xì)砂。盾構(gòu)接收段地質(zhì)條件見(jiàn)圖1。

隧道內(nèi)表層地下水類(lèi)型為第四系孔隙潛水。賦存于第Ⅱ陸相層及其以下粉砂及粉土中的地下水具有微承壓性,為微承壓水。潛水地下水位埋藏較淺,勘測(cè)期間水位埋深為 0.9～4.8 m。潛水主要依靠大氣降水入滲和地表水體入滲補(bǔ)給,水位具有明顯的豐、枯水期變化,受季節(jié)影響明顯?？睖y(cè)期間微承壓水穩(wěn)定水位埋深為 3.73～7.85 m。

2 設(shè)計(jì)中需要解決的主要問(wèn)題

大直徑盾構(gòu)在小半徑曲線的接收,如何解決盾構(gòu)接收偏差和保證盾構(gòu)安全接收,是本工程的重點(diǎn)與難點(diǎn),其中到達(dá)接收方案、盾構(gòu)到達(dá)段地下水處理、盾構(gòu)到達(dá)段加固是在設(shè)計(jì)中需要解決的主要問(wèn)題。

圖1 盾構(gòu)接收段地質(zhì)縱剖面(單位:m)

3 到達(dá)接收方案

目前,在國(guó)內(nèi)外盾構(gòu)隧道工程中,尚沒(méi)有在小半徑圓曲線上接收盾構(gòu)的工程實(shí)例,設(shè)計(jì)過(guò)程中就圓曲線上接收的理論偏差進(jìn)行了分析,產(chǎn)生理論偏差的主要原因?yàn)?在小半徑曲線段,由于盾構(gòu)機(jī)本體為直線形的剛體,無(wú)法和曲線完全擬合[5]。在 R=600 m的圓曲線上按常規(guī)辦法接收盾構(gòu),盾構(gòu)機(jī)頭一出洞,就要沿著井內(nèi)盾構(gòu)接收基座前進(jìn),盾構(gòu)機(jī)在接收基座上很難按曲線糾偏,只能直線掘進(jìn),盾構(gòu)機(jī)軸線與設(shè)計(jì)軸線存在偏差。考慮到正常的盾構(gòu)掘進(jìn)施工誤差(含測(cè)量誤差、管片制作拼裝誤差、盾構(gòu)蛇行軸線誤差),另外,本段盾構(gòu)隧道所在場(chǎng)址處還有不少不明地下障礙物,所以在實(shí)際掘進(jìn)過(guò)程中有可能發(fā)生左右側(cè)一軟一硬的現(xiàn)象,導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)一側(cè)偏移量更大,該段盾構(gòu)機(jī)長(zhǎng)度范圍內(nèi)隧道工后可能就無(wú)法滿足限界要求,造成廢棄工程。

針對(duì)本技術(shù)難點(diǎn),設(shè)計(jì)過(guò)程中進(jìn)行了盾構(gòu)接收方案的比選分析,主要有以下 2個(gè)方案。

(1)正常的盾構(gòu)井外增設(shè)備用副井方案

為了確保圓曲線接收盾構(gòu)方案的可靠穩(wěn)妥,采取適當(dāng)延長(zhǎng)盾構(gòu)到達(dá)段的加固長(zhǎng)度,同時(shí)在正常的盾構(gòu)井外13.5m范圍先實(shí)施副井圍護(hù)結(jié)構(gòu)地下連續(xù)墻(盾構(gòu)范圍采用玻璃纖維筋代替鋼筋),如果該段盾構(gòu)隧道工后無(wú)法滿足限界要求,也無(wú)法實(shí)施調(diào)線調(diào)坡,則開(kāi)挖副井段至管片底部,拆除該部分管片,按明挖隧道施作襯砌。

(2)盾構(gòu)接收井回填方案

為了解決盾構(gòu)接收理論偏差,確保盾構(gòu)隧道工后滿足限界要求,在盾構(gòu)井主體結(jié)構(gòu)施工完成后進(jìn)行回填,主體結(jié)構(gòu)預(yù)留洞口(預(yù)埋鋼環(huán)),圍護(hù)結(jié)構(gòu)地下連續(xù)墻在盾構(gòu)范圍采用玻璃纖維筋代替鋼筋,盾構(gòu)直接切削進(jìn)洞,待盾構(gòu)完全進(jìn)入豎井后,將豎井內(nèi)回填土清除,吊出盾構(gòu)機(jī),完成盾構(gòu)接收。

經(jīng)綜合比較,設(shè)計(jì)選用正常的盾構(gòu)井外增設(shè)備用副井方案,見(jiàn)圖2、圖3。

圖2 盾構(gòu)接收方案平面(單位:mm)

4 盾構(gòu)到達(dá)段地下水處理

盾構(gòu)隧道在到達(dá)盾構(gòu)井處覆土厚度為 9.0 m。盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)底埋深 20.6 m,位于⑥31粉土、⑥44粉砂層,為微承壓水含水層。根據(jù)抽水試驗(yàn)結(jié)果,該含水層滲透系數(shù)大,水量豐富,穩(wěn)定水位埋深為 3.73～7.85 m。如果外側(cè)土體加固效果欠佳,造成封門(mén)外土體暴露時(shí)間過(guò)長(zhǎng),可采用布置井點(diǎn)將地下水位降至能保證安全出洞水位的預(yù)防措施[1]。

設(shè)計(jì)采用在正常的盾構(gòu)井外 13.5 m長(zhǎng)范圍內(nèi),先實(shí)施到達(dá)盾構(gòu)井副井地下連續(xù)墻,將盾構(gòu)接收段基坑進(jìn)行封閉,地連墻深 42 m,地下連續(xù)墻均穿透承壓水含水層,置于下部相對(duì)隔水的黏土、粉質(zhì)黏土中,這樣可有效的隔斷微承壓水。地下連續(xù)墻幅間采用工字鋼接頭,接縫處旋噴樁止水。在封閉基坑內(nèi)設(shè)置 5口降水井,降水遵循:“分層降水、按需控制、動(dòng)態(tài)調(diào)整”的原則,降水井井內(nèi)降水作業(yè)深度為盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)底深度下 1.0 m,保證副井內(nèi)無(wú)水作業(yè)。盾構(gòu)接收前 20 d進(jìn)行降水。降水井布置見(jiàn)圖2、圖3。

圖3 盾構(gòu)接收方案剖面(單位:mm)

5 盾構(gòu)到達(dá)段加固

當(dāng)盾構(gòu)工作井周?chē)貙訛樽苑€(wěn)能力差、透水性強(qiáng)的松散砂土或飽和含水黏土?xí)r,如不對(duì)其進(jìn)行加固處理,則在鑿除封門(mén)后,必將會(huì)有大量土體和地下水向工作井內(nèi)坍陷,導(dǎo)致洞周大面積地表下沉,危及地下管線和地下建筑物[4]。

在曲線段盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)形成的線形為一段段連續(xù)的折線,為了使得折線與曲線接近吻合,盾構(gòu)施工時(shí)需連續(xù)糾偏[5]。曲線半徑越小,盾構(gòu)機(jī)越長(zhǎng),則糾偏量越大,糾偏靈敏度越低,軸線就比較難于控制。盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí),糾偏量較大,對(duì)土體擾動(dòng)的增加易發(fā)生較大沉降。小半徑曲線隧道的施工與直線段施工相比,除直線段隧道施工原有的地層變形因素外,還將增加以下 3個(gè)因素的影響。

(1)由于沿小半徑曲線掘進(jìn),盾構(gòu)機(jī)處于糾偏狀態(tài),需進(jìn)行超挖,實(shí)際掘進(jìn)面為一橢圓形,實(shí)際挖掘量超出理論挖掘量[5]。

(2)在正常施工條件下,小半徑曲線掘進(jìn)將增加地層損失[5]。

(3)糾偏量較大,對(duì)土體的擾動(dòng)亦大,容易造成較長(zhǎng)時(shí)間的后期沉降。

當(dāng)洞口段土體不能滿足盾構(gòu)接收對(duì)防水、防坍等安全要求時(shí),必須采取加固措施[6],因此在盾構(gòu)到達(dá)接收時(shí),為確保接收安全,減小沉降,對(duì)盾構(gòu)井洞口外側(cè)一定范圍土體進(jìn)行加固;另外,考慮到豎井結(jié)構(gòu)與區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)剛度上存在一定的差異,所以需在洞口周?chē)M(jìn)行土體加固以盡可能減少不均勻沉降。因深層攪拌法適用于飽和軟黏土等土層的地基加固,提高軟土地基承載力,減少沉降量,穩(wěn)定豎井外側(cè)的土體[3],在綜合考慮安全性和經(jīng)濟(jì)性以及合理考慮場(chǎng)地條件的基礎(chǔ)上,所以到達(dá)接收段地基加固采用深層水泥土攪拌樁的形式進(jìn)行加固。盾構(gòu)到達(dá)段的加固主要為到達(dá)接收井端頭加固、副井端頭備用加固以及姿態(tài)控制加固3部分內(nèi)容。

5.1 盾構(gòu)到達(dá)接收加固(副井內(nèi)加固)

為確保盾構(gòu)出洞的安全,減少到達(dá)接收井段盾構(gòu)隧道與豎井之間的縱向不均勻沉降,結(jié)合場(chǎng)區(qū)的地質(zhì)條件、盾構(gòu)機(jī)的技術(shù)參數(shù),對(duì)到達(dá)接收井端頭進(jìn)行地層加固,加固范圍為副井內(nèi)全部土體,加固方式采用深層水泥土攪拌樁。

5.2 副井開(kāi)挖端頭備用加固

開(kāi)挖副井作為應(yīng)急預(yù)案,確保開(kāi)挖時(shí)基坑的穩(wěn)定及安全,防止因開(kāi)挖面壓力不足引起的開(kāi)挖面坍塌[2],同時(shí)為控制盾構(gòu)姿態(tài),減少副井外與副井段盾構(gòu)隧道之間的縱向不均勻沉降量,結(jié)合場(chǎng)區(qū)的地質(zhì)條件,對(duì)副井端頭長(zhǎng) 6m、寬 18m范圍土體采取了深層水泥土攪拌樁的加固。

5.3 姿態(tài)控制加固

由于到達(dá)段盾構(gòu)頂覆土厚度較小,為確保建立泥水平衡切口壓力、有效控制盾構(gòu)姿態(tài)、保證施工安全,對(duì)副井端頭備用加固外長(zhǎng) 12 m、寬 15 m范圍,采用深層水泥土攪拌樁加固。

6 結(jié)語(yǔ)

大直徑盾構(gòu)小半徑曲線接收技術(shù),是一個(gè)非常復(fù)雜的課題,本文僅就小曲線半徑接收設(shè)計(jì)與施工,提供一些個(gè)人看法,希望能為同類(lèi)工程提供一些參考。目前,該工程接收井(含副井)地下連續(xù)墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)已施工,筆者認(rèn)為盾構(gòu)接收段施工主要應(yīng)注意以下幾點(diǎn)。

(1)盾構(gòu)隧道施工需先加固后掘進(jìn)施工,多種措施(洞內(nèi)、洞外,同步注漿、工藝,預(yù)測(cè)與監(jiān)測(cè))同時(shí)采用。

(2)盾構(gòu)隧道施工時(shí)要控制掌子面泥水壓力(泥水壓力與地層壓力相差在 ±50 kPa)參數(shù)。

(3)控制盾構(gòu)推進(jìn)參數(shù),控制盾構(gòu)姿態(tài);控制盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)地層損失率在 0.5%～1%。

(4)盾構(gòu)掘進(jìn)到曲線地段(特別是小半徑 R=600 m段)前,應(yīng)提前控制好軸線蛇形偏移,盡可能在進(jìn)入曲線地段時(shí),使軸線蛇形偏移量為零。

(5)盾構(gòu)掘進(jìn)中應(yīng)嚴(yán)格控制隧道軸線(平面位置和高程),在小半徑曲線地段尤其要嚴(yán)格,如發(fā)現(xiàn)偏離應(yīng)逐步糾正,不得猛糾硬調(diào)。實(shí)施盾構(gòu)糾偏必須逐環(huán)、小量糾偏,必須防止過(guò)量糾偏而損壞已拼裝管片和盾尾密封[6]。

(6)盾構(gòu)到達(dá)接收工作井前,應(yīng)采取適當(dāng)措施,使拼裝管片環(huán)縫擠壓密實(shí),確保密封防水效果[6]。

[1] 周文波.盾構(gòu)法隧道施工技術(shù)及應(yīng)用[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2004.

[2] 尹旅超,朱振宏,李玉珍,等譯.日本隧道盾構(gòu)新技術(shù)[M].武漢:華中理工大學(xué)出版社,1999.

[3] 陳饋 洪開(kāi)榮 吳學(xué)松.盾構(gòu)隧道[M].北京:人民交通出版社,2009.

[4] 施仲衡.地下鐵道設(shè)計(jì)與施工[M].西安:陜西科學(xué)技術(shù)出版社,2002.

[5] 白 云,丁志誠(chéng).隧道掘進(jìn)機(jī)施工技術(shù)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2008.

[6] GB50446—2008,盾構(gòu)法隧道施工與驗(yàn)收規(guī)范[S].