青島盾構(gòu)隧道安全風險組段劃分方法研究

劉緒壯,王旭春,羅敏鶴,郝展鵬,洪 勇

(青島理工大學 土木工程學院 青島市 266033)

0 引 言

盾構(gòu)/TBM在施工過程中常常發(fā)生因設備參數(shù)控制不合理而引發(fā)風險的事情,如土壓設置過低導致掌子面失穩(wěn)進而使地面沉降甚至塌陷,又如扭矩過高導致設備經(jīng)常性停轉(zhuǎn)不能正常施工等風險,地鐵隧道存在著較高的施工風險,一旦發(fā)生危險,所產(chǎn)生的損失將是不可彌補的,因此需要對掘進參數(shù)進行精細控制,并建立完善的施工參數(shù)控制體系才能防范于未然。何其平[1]對南京地鐵施工進行研究,分析了適用于該地層的盾構(gòu)機類型以及施工參數(shù)范圍;袁敏正等[2]對廣州地鐵主要掘進參數(shù)進行研究,確定了主要掘進參數(shù)范圍;王洪新等[3]建立土壓平衡盾構(gòu)掘進的數(shù)理模型,推導出盾構(gòu)掘進主要闡述的經(jīng)驗關系式,這些關系對盾構(gòu)掘進時的參數(shù)控制有著重要的指導意義;張厚美[4]以廣州地鐵三號線為背景,建立了土壓平衡盾構(gòu)的掘進速度以及刀盤扭矩模型。現(xiàn)階段施工單位大多以施工經(jīng)驗對盾構(gòu)的推力、刀盤扭矩、刀盤轉(zhuǎn)速等掘進參數(shù)進行控制來達到規(guī)避風險的目的,而且國內(nèi)外專家學者主要是對盾構(gòu)掘進的主要參數(shù)進行研究,對掘進參數(shù)范圍進行控制,但并未對地層進行劃分,因此適應性不高,組段劃分就成為了盾構(gòu)隧道施工安全風險評估的重要工作和首要內(nèi)容[5-8]。目前人們對地鐵隧道地層分類還不成熟,且將地層分類與施工安全結(jié)合的研究較少[9-12]。文章將結(jié)合青島地區(qū)的自身及環(huán)境風險進行劃分組段、界定等級,建立適用于區(qū)間不同地質(zhì)、環(huán)境等特殊條件下的盾構(gòu)施工參數(shù)控制標準和控制范圍,是對盾構(gòu)/TBM施工參數(shù)精細化控制的有效手段。

1 基于地層與施工風險的組段劃分方法

1.1 地層分段

結(jié)合青島地區(qū)不同區(qū)域和不同深度范圍內(nèi)的隧道均有土、巖層共存的實際情況,將盾構(gòu)施工區(qū)間隧道穿越的地層劃分為4種不同類型的段,分別為:

(1)A段,穿越地層為粘土、中砂、細沙、粉土、粉質(zhì)粘土以及如上地層組成的復合地層。

(2)B段,穿越地層為粗砂、碎石層、卵石、礫石、以及這四種地層和/或A段的土層、砂層組成的復合地層。

(3)C段,穿越地層為A段和/或B段包含的地層等與巖石地層的混合地層。

(4)D段,穿越的地層為全斷面巖層,包括中風化至未風化的各類巖層(全風化巖層劃入土層管理,強風化地層根據(jù)實際圍巖情況判斷劃入土層或全斷面巖層管理)。

1.2 環(huán)境分級

盾構(gòu)施工環(huán)境的風險分級,應根據(jù)環(huán)境風險工程分級原則,結(jié)合盾構(gòu)施工特點,并充分考慮隧道的埋深、特殊地質(zhì)情況(漂石、隧道上方有河流等水體及斷裂帶等)和盾構(gòu)隧道上覆地層情況等風險因素綜合確定。青島地鐵盾構(gòu)隧道施工的環(huán)境分級組合分為如下三級,分別為:

(1)Ⅰ級,上跨/下穿既有線路,或下穿重要市政管線和河湖、海、洋等工程,或下穿/臨近重要建(構(gòu))筑物,或隧道埋深深度小于9m的淺埋隧道,或穿越地層中有漂石、斷層破碎帶、高水壓地帶、孤石等特殊地質(zhì)情況,或有上述兩種或兩種以上情況的組合。

(2)Ⅱ級,隧道埋深9m以上,或者下穿一般的市政管線,或者地層內(nèi)地質(zhì)條件比較惡劣,對盾構(gòu)施工影響較小、沒有其他特殊地質(zhì)情況;或隧道下穿/臨近一般建筑物,或下穿重要市政道路。

(3)Ⅲ級,隧道埋深在13m以上,或隧道上方地層無管線或者僅有不敏感沉降管線(如電力管線、廣播電視管線、電信管線等)且管線埋設較淺,或隧道遠離建筑物基礎、重要市政道路,或地層沒有不良地質(zhì)情況。

1.3 綜合組段劃分

綜合組段劃分,應根據(jù)一下規(guī)則進行:

(1)根據(jù)盾構(gòu)穿越地層分段、施工環(huán)境綜合分級,將A、B、C、D四個地層分段和三個環(huán)境綜合分級Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ組合,劃分為AⅠ、AⅡ、AⅢ、BⅠ、BⅡ、BⅢ、CⅠ、CⅡ、CⅢ、DⅠ、DⅡ、DⅢ共計12個組段,即將每個地層分段與盾構(gòu)施工環(huán)境綜合分級劃分的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三個級別分別組合在一起,形成青島地鐵考慮盾構(gòu)穿越地層和上覆地層及其環(huán)境等因素綜合在一起的盾構(gòu)區(qū)間隧道綜合組段劃分,將覆蓋青島地鐵建設中盾構(gòu)施工所遇到的所有地層。

(2)盾構(gòu)隧道綜合組段劃分如圖1所示。

圖1 盾構(gòu)隧道安全風險組段的綜合劃分示意圖

2 工程實例

2.1 工程簡介

青島地鐵6號線03標黃海學院站—海港路站區(qū)間起訖里程Y(Z)DK29+952.749～Y(Z)DK31+000.593,左線區(qū)間長1050.014m,右線區(qū)間長1047.844m。區(qū)間線路出黃海學院站后,沿開城路向東敷設,到達海港路站,盾構(gòu)區(qū)間隧道洞體,以微風化花崗巖層為主,部分區(qū)段位于強風化和中風化的花崗巖中,圍巖主要為Ⅱ～Ⅴ級。隧道拱頂埋設深度在10～32m,隧道底部埋設深度在16～38m,區(qū)間平面圖如圖2所示。

圖2 黃海區(qū)間平面圖

2.2 組段劃分

由盾構(gòu)隧道組段劃分可知穿越的地層為全斷面巖層,地層為D段。環(huán)境分級為區(qū)間拱頂埋深10～32m,下穿開城路、磚結(jié)構(gòu)房、溝渠、高壓線塔管線;側(cè)穿月亮灣水庫、金盾加油站、高壓線塔、管線等,因此劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級。綜合組段劃分結(jié)果為依據(jù)地層分段、環(huán)境分級,綜合組段劃分為3個組段,分別為DⅠ、DⅡ、DⅢ,組段劃分示意圖如圖3所示。

圖3 組段劃分過程示意圖

3 施工情況

3.1 施工段掘進參數(shù)

本區(qū)間將DⅠ、DⅡ、DⅢ分別組段劃分為第一、二、三施工段。黃海學院站—海港路站區(qū)間盾構(gòu)隧道風險組段劃分見表1,盾構(gòu)掘進參數(shù)設置見表2。

表1 青島地鐵03標黃海學院站—海港路站盾構(gòu)隧道風險組段

表2 青島地鐵03標黃海學院站—海港路站盾構(gòu)掘進參數(shù)設置

3.2 地表沉降情況

本區(qū)間按照表2盾構(gòu)掘進參數(shù)對盾構(gòu)掘進主要參數(shù)進行了控制,施工過程中未出現(xiàn)發(fā)生事故,根據(jù)《地面沉降調(diào)查與監(jiān)測規(guī)范》規(guī)定地表沉降累計值控制值為±30mm,變化速率控制值為±3mm/d,圖4所示的各施工段地表沉降情況顯示,最大正向沉降值處于DⅠ段,最大正向沉降值為-3.52mm,最大沉降速率為0.77mm/d,地表沉降累計值為-14.25mm,均位于控制值以內(nèi)。

圖4 地表沉降情況

3.3 施工效果評價

盾構(gòu)隧道安全風險組段劃分方法結(jié)合實際工程黃海學院站—海港路站施工結(jié)果充分考慮了盾構(gòu)施工穿越地層、上覆地層及隧道埋深等因素以及地下水狀況,并綜合考慮了所處區(qū)域的地面及上覆地層內(nèi)的施工環(huán)境狀態(tài),如地面及地下建(構(gòu))筑物、重要管線等對掘進參數(shù)進行控制,使該盾構(gòu)隧道從始發(fā)至接收未發(fā)生塌方、涌水等安全事故,用更科學有效的施工方法,保障了盾構(gòu)隧道順利貫通,大大提高了施工安全,減少了施工事故的發(fā)生。

4 結(jié)論

結(jié)合青島地區(qū)不同區(qū)域和不同深度范圍內(nèi)土層的實際情況,將盾構(gòu)施工區(qū)間隧道穿越的地層與施工風險進行組段劃分,使原本以經(jīng)驗控制掘進參數(shù)的施工方式轉(zhuǎn)變?yōu)楦茖W有效的方法,結(jié)合青島地鐵的實際工程驗證了盾構(gòu)隧道安全風險組段劃分方法的可靠性與必要性。

盾構(gòu)隧道安全風險組段劃分方法,可為盾構(gòu)隧道施工提供借鑒,但該方法需結(jié)合施工地區(qū)內(nèi)實際地質(zhì)條件及施工環(huán)境進行調(diào)整,以確保掘進參數(shù)控制的準確性。