石家莊地鐵1號線土壓平衡盾構(gòu)施工掘進(jìn)參數(shù)研究

關(guān)輝輝，王 軍，劉中心

(1.中鐵西南科學(xué)研究院有限公司，四川成都 610031;2.中鐵港航局集團有限公司，廣東廣州 510660;3.中鐵上海工程局有限公司，上海 200436)

石家莊地鐵1號線是石家莊市首條地鐵線，該線路貫穿中山路東西方向，地質(zhì)條件及環(huán)境較為復(fù)雜，埋深淺、周圍建(構(gòu))筑物多，施工難度大，也是首次將盾構(gòu)法應(yīng)用于該市地鐵隧道施工。1號線一期工程共有21個區(qū)間，其中盾構(gòu)法施工隧道占區(qū)間隧道總長的2/3，因此，研究盾構(gòu)法施工對該市地鐵建設(shè)有重大意義。本文以石家莊地鐵1號線地質(zhì)條件為背景，依據(jù)三種地層盾構(gòu)先期施工情況，分析歸納其盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)，并通過監(jiān)控量測驗證施工參數(shù)的合理性，優(yōu)化盾構(gòu)施工技術(shù)，為該地區(qū)后續(xù)盾構(gòu)施工提供參考。

1 工程概況

石家莊地鐵1號線西起西王，沿中山路向東，穿過京珠高速公路后，轉(zhuǎn)向南至長江大道，之后沿長江大道向東至秦嶺大街向北，到達(dá)終點南村站。全長23.9 km，均為地下線，共21個車站，平均站間距1.215 km。

石家莊地鐵1號線沿線穿越地層主要有新近沉積黃土狀粉土②3層、黃土狀粉質(zhì)黏土③1層、黃土狀粉土③2層、粉細(xì)砂④1層、中粗砂④2層、粉質(zhì)黏土⑤1層等。

工程沿線45 m深度范圍內(nèi)地下水類型以潛水為主，地下水位普遍較深，整體地下水位沿東西方向呈漏斗狀，以省博物館站為漏斗中心，地下水位埋深達(dá)55 m，地下水位向東西方向逐漸變淺，埋深一般在25～50 m。

2 地鐵工程特點分析

1)地質(zhì)條件的典型性

石家莊地鐵1號線呈東西走向，工程地質(zhì)環(huán)境較為復(fù)雜，具有一定代表性，地層物理力學(xué)性質(zhì)差異大。根據(jù)隧道穿越的地層可分為三段，分別為黃土狀粉土、粉質(zhì)黏土段;黏土質(zhì)與砂質(zhì)結(jié)合段(復(fù)合段);粉細(xì)砂、中粗砂段。

2)地鐵工程的復(fù)雜性

本工程沿線地表環(huán)境較為復(fù)雜，主要穿越石家莊繁華地帶，且路面車流量大。同時地下管線密集，種類繁多。為保證地鐵沿線道路、管線及居民區(qū)的安全，地鐵施工過程中控制地表沉降是施工的重中之重，因此優(yōu)選盾構(gòu)法作為地鐵隧道掘進(jìn)的施工方法。

3 典型地層盾構(gòu)施工技術(shù)

3.1 黏土質(zhì)地層段

1)地質(zhì)情況

本段調(diào)研的典型盾構(gòu)區(qū)間為西王站—時光街站和時光街站—長城橋站。根據(jù)勘察資料，該地層段區(qū)間隧道穿越地層主要為黃土狀粉土層、粉質(zhì)黏土層和粉土層，覆土厚度約為9.9 m。

①黃土狀粉土層:黃褐色，孔隙比0.712，密實，含水率16.9%，稍濕，可見小孔，含鐵錳氧化物和云母片，少量姜石，無搖振反應(yīng)。

②粉質(zhì)黏土層:黃褐色，可塑，中等壓塑性，土質(zhì)不均一，含姜石，局部富集，夾粉土、細(xì)沙薄層，連續(xù)分布。

③粉土層:黃褐色，孔隙比0.684，密實，含水率21.2%，濕，中等壓縮性，土質(zhì)不均，含姜石較多，可見鐵、錳質(zhì)浸染，局部與粉質(zhì)黏土呈互層，層內(nèi)夾細(xì)砂薄層。

2)盾構(gòu)掘進(jìn)施工關(guān)鍵參數(shù)的確定

盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，合理選擇盾構(gòu)施工參數(shù)(土倉壓力、盾構(gòu)機總推力、刀盤扭矩、掘進(jìn)速度、注漿壓力、注漿量等)能有效地保持開挖面穩(wěn)定和控制地表沉降，盾構(gòu)始發(fā)段尤為重要。

所選參數(shù)是否合理，需要地表沉降、管線沉降等監(jiān)測數(shù)據(jù)來驗證，只有將監(jiān)測結(jié)果與施工有效地結(jié)合，才能優(yōu)化盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)，保證盾構(gòu)順利推進(jìn)。根據(jù)設(shè)計文件及工程實際情況，沿隧道軸線方向每10 m布設(shè)一個沉降測點，每50 m布設(shè)一個監(jiān)測斷面，斷面上布設(shè)11個測點。通過在掘進(jìn)過程中現(xiàn)場采集并記錄的盾構(gòu)施工參數(shù)，繪制出盾構(gòu)在掘進(jìn)過程中的施工參數(shù)曲線，見圖1。盾構(gòu)在黏土地層掘進(jìn)時地表累計沉降曲線見圖2。

圖1 黏土地層各掘進(jìn)參數(shù)變化曲線

圖2 盾構(gòu)在黏土地層掘進(jìn)時地表累計沉降曲線

分析圖1、圖2可知，盾構(gòu)機掘進(jìn)至4環(huán)時，由于考慮洞門密封效果及反力架強度、剛度等因素，盾構(gòu)土倉壓力、注漿壓力、同步注漿量及總推力均要相應(yīng)降低，故該處地表產(chǎn)生了－11.62 mm的沉降。當(dāng)盾構(gòu)掘進(jìn)至37環(huán)時，因土倉壓力(0.08 MPa)較小，且同步注漿量(4.0 m3)未控制好，推力(7 150 kN)較小，致使該處地表沉降較大，達(dá)到－10.15 mm，對比其余斷面地表沉降及施工參數(shù)，該區(qū)域盾構(gòu)施工參數(shù)控制明顯較差。

通過統(tǒng)計盾構(gòu)始發(fā)段的掘進(jìn)參數(shù)與地表沉降的關(guān)系可知，在出土量、注漿壓力相同或相似時，地表沉降隨土倉壓力及注漿量增大而有所減小，隨掘進(jìn)速度增大而增大，而盾構(gòu)機推力及扭矩對地表沉降影響較小，且刀盤轉(zhuǎn)速過快容易產(chǎn)生高溫，使刀盤結(jié)泥餅的幾率增大。因此合理選擇土倉壓力、注漿量及掘進(jìn)速度是控制黏土地層地表沉降的有效途徑。

對石家莊地鐵1號線西王站—和平醫(yī)院站盾構(gòu)區(qū)間掘進(jìn)參數(shù)及地表沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，見表1。

表1 黏土質(zhì)地層段盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)及地表沉降值

3.2 復(fù)合地層段

1)地質(zhì)情況

本段現(xiàn)場調(diào)研的典型盾構(gòu)區(qū)間為和平醫(yī)院站—烈士陵園站、烈士陵園站—中山廣場站、省博物館站——體育館站及北宋站—談固站。根據(jù)勘察資料，該段盾構(gòu)區(qū)間穿越地層主要為粉質(zhì)黏土層、粉細(xì)砂層和中粗砂層，覆土厚度約為7.9 m。

①粉質(zhì)黏土層:黃褐色，可塑，中等壓塑性，土質(zhì)不均一，含姜石，局部富集，夾粉土、細(xì)沙薄層，沿區(qū)間線路零星分布。

②粉細(xì)砂層:褐黃色，中密，稍濕，砂質(zhì)較純，以石英、長石為主，含少量粉質(zhì)黏土塊，顆粒均勻，分選較好，沿線路連續(xù)分布。

③中粗砂層:褐黃色，中密，稍濕，砂質(zhì)純凈，主要成分為石英、長石、云母，含少量粉質(zhì)黏土塊，向下粒徑漸粗，層底可見礫砂薄層，沿線路連續(xù)分布。

2)復(fù)合地層盾構(gòu)掘進(jìn)關(guān)鍵參數(shù)的確定

掘進(jìn)速度、土倉壓力、總推力及扭矩是評價盾構(gòu)機工作性能的重要指標(biāo)，一般在掘進(jìn)過程中呈動態(tài)變化。復(fù)合地層中施工時掘進(jìn)參數(shù)變化曲線見圖3。

圖3 復(fù)合地層各掘進(jìn)參數(shù)變化曲線

分析圖3可知，復(fù)合地層段中盾構(gòu)總推力、扭矩及土倉壓力數(shù)據(jù)離散性較大，可說明復(fù)合地層段由于地質(zhì)條件不斷變化，總推力及扭矩不易控制。根據(jù)多個區(qū)間統(tǒng)計得出該復(fù)合段推力宜為7 100～8 500 kN，扭矩2 100～2 300 kN·m，土倉壓力0.08～0.10 MPa。在軟硬不均地層刀盤轉(zhuǎn)速及掘進(jìn)速度離散性較小，說明該種地層對刀盤轉(zhuǎn)速及掘進(jìn)速度影響不大;復(fù)合段出土量與同步注漿量基本控制較好，注漿率達(dá)到160%，在復(fù)合地層段由于巖性軟弱，顆粒松散，因此注漿壓力不宜過大，避免出現(xiàn)跑漿現(xiàn)象。通過地表沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證，該段所選施工參數(shù)較為合理。

對和平醫(yī)院站—中山廣場站盾構(gòu)區(qū)間、省博物館站—體育館站盾構(gòu)區(qū)間及北宋站—談固站盾構(gòu)區(qū)間的掘進(jìn)參數(shù)及地表沉降進(jìn)行統(tǒng)計分析，結(jié)果見表2。

表2 復(fù)合地層段盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)及地表沉降值

3.3 砂質(zhì)地層段

1)地質(zhì)情況

本段調(diào)研的典型盾構(gòu)區(qū)間為朝暉橋站—留村站、火炬廣場站—南村站。根據(jù)勘察資料，該段盾構(gòu)區(qū)間穿越地層主要為粉細(xì)砂層和中粗砂層，覆土厚度約為10.9 m。

①粉細(xì)砂層:黃褐～灰白色，中密～稍密，稍濕，中～低壓縮性，砂質(zhì)純凈，顆粒均勻，以長石為主，含少量粉土塊，顆粒均勻，分選較好，沿線路連續(xù)分布。

②中粗砂層:灰白色，中密～稍密，中～低壓縮性，砂質(zhì)純凈，以石英、云母為主，沿線路連續(xù)分布。

2)復(fù)合地層盾構(gòu)掘進(jìn)關(guān)鍵參數(shù)的確定

砂質(zhì)地層中掘進(jìn)時地表累計沉降曲線見圖4。砂質(zhì)地層中施工時各掘進(jìn)參數(shù)變化曲線見圖5。

圖4 砂質(zhì)地層中掘進(jìn)時地表累計沉降曲線

圖5 砂質(zhì)地層中施工時各掘進(jìn)參數(shù)變化曲線

分析圖4、圖5可知，盾構(gòu)機自始發(fā)至40環(huán)，其出土量、刀盤扭矩、土倉壓力、刀盤轉(zhuǎn)速、推進(jìn)速度基本保持一致，而注漿量和推力隨著環(huán)數(shù)的增加而不斷變化，但地表沉降變化較小。說明該段地表沉降主要受注漿量和推力的影響，即地表沉降隨注漿量增大而減少，隨推力增大而減少。當(dāng)盾構(gòu)機由40環(huán)掘進(jìn)至100環(huán)時，因注漿量減少地表沉降明顯增大。因此，在砂質(zhì)地層中盾構(gòu)掘進(jìn)時注漿量是影響地表沉降的最主要因素。通過對多個區(qū)間掘進(jìn)參數(shù)與地表沉降的分析，盾構(gòu)機在砂質(zhì)地層段掘進(jìn)時，宜采用小推力、低壓力、高注漿量的推進(jìn)模式。

對石家莊地鐵1號線砂質(zhì)地層段的掘進(jìn)參數(shù)及地表沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，結(jié)果見表3。

表3 砂質(zhì)地層段盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)及地表沉降值

4 結(jié)論

通過對石家莊三種地層中盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)的統(tǒng)計，結(jié)合地表沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)，得出以下結(jié)論:

1)對于總推力、土倉壓力而言，黏土地層段＞復(fù)合地層段＞砂質(zhì)地層段;對于同步注漿量而言，由于地層特性不同，砂質(zhì)地層段要比黏土地層段和復(fù)合地層段大。出土量及注漿壓力相同或相似時，同步注漿量及土倉壓力是三種地層地表沉降影響最大因素。在砂質(zhì)地層段適當(dāng)增加同步注漿量，保持土倉壓力合理性是控制盾構(gòu)施工地表沉降的有效途徑。

2)軟弱地層或者盾構(gòu)始發(fā)段宜采用小推力、低壓力、高注漿量、低掘進(jìn)速度、洞門早封閉的掘進(jìn)模式。

3)盾構(gòu)穿越的地質(zhì)條件不同對地表沉降的影響也不同。黏土地層段地表沉降值較小，復(fù)合地層段次之，砂質(zhì)地層段最大。

4)盾構(gòu)在掘進(jìn)過程選擇的施工參數(shù)是否合理，需要地表沉降等監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證，只有將監(jiān)測結(jié)果與施工有效的結(jié)合，才能保證盾構(gòu)順利掘進(jìn)。

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