摘　要　以成都地铁区间隧道工程为实例,阐述了富水砂卵地层条件下盾构机通过浅覆土路段时地层破坏机理,同时用有限元软件PLAXIS进行了数值模拟分析,研究发现盾构机过浅覆土路段对地层扰动性较大,施工安全系数低,必须采取加固土体、改善盾构掘进参数等一系列施工控制措施。

关键词　EPB盾构　砂卵石地层　破坏机理　浅覆土　有限元

 

      在城市地铁工程的修建中,盾构法隧道施工技术以其独有的智能化、安全、快捷、地层适用性广等特点与优势,越来越多地得到推广和应用。虽然盾构法取得了斐然成绩,但此法施工不可避免地引起地表沉降,尤其是当隧道埋深较浅,盾构推进对地层的扰动更为明显。地表沉降过大,会影响到盾构隧道的安全施工和地表建筑物的正常使用。当产生不可控的局部超挖时,拱顶浅覆土更容易引起开挖面失稳,甚至地表坍塌。

      成都地铁1号线一期工程区间段地铁线路处于人民北路和人民中路上。由北向南,沿人民北路南部和人民中路敷设,共三个区间,即人民北路站~文武路站区间、文武路站~骡马市站区间、骡马市站~天府广场站区间。区间隧道大部分都采用盾构法施工,全长4 799. 09单线延米。盾构区间隧道线路间距为11~15 m,隧道埋深15~20 m。临近车站区间拱顶覆土厚度6. 8~9. 2 m,属浅覆土路段,盾构主要穿越  -1人工填土层; ④-3粉质黏土层; ④-8-1稍密卵石土层;（四）-7-1稍密卵石土层;  -4-1稍密卵石土层;  -2强风化泥岩层。

 

      沿隧洞轴线边向前推进边对前方土体进行挖掘的一种暗挖工法。该圆柱体组件的壳体(护盾)对挖掘出的尚未施加衬砌的隧洞段起着临时支撑的作用,承受周围土层及地下水的压力。挖掘、排土、衬砌等作业在护盾的掩护下进行。盾构法施工主要由稳定开挖面、挖掘及排土、衬砌(包括壁后注浆)三大要素组成,其中开挖面的稳定方法是其工作原理的主要方面。土压盾构又称削土密闭式或泥土加压式盾构,它的前端有一个全断面切削刀盘,切削刀盘的后面有一个贮留切削土体的密封舱,在密封舱中心线下部装置长筒形螺旋输送机,输送机一头设有出入口,如图1所示。所谓土压平衡就是密封舱中切削下来的土体和泥水充满密封舱,并具有适当压力与开挖面土压平衡,以减少对土体的扰动,控制地表沉降。

      成都地层岩体松散,无胶结,自稳能力差,单个石块强度高,卵石块在地层中起骨架作用。砂卵石地层是一种典型的力学不稳定地层,颗粒之间的空隙大,没有黏聚力,砂卵石地层在无水状态下,颗粒之间点对点传力,地层反应灵敏,刀盘旋转切削时,地层很易破坏原来的相对稳定或平衡状态而产生坍塌,引起较大的地层损失和围岩扰动。根据地质勘察资料,该路段主要穿越富水、砂卵石地层。此地层具有含水量大、透水性强、砂卵石起骨架作用、结构松散的特点。

      结合以往实际施工经验,土体破坏可以总结为以下2种形式:

      类型一:土体的主要破坏发生在邻近盾构切口的附近。土层的塌方会影响刀盘的转速,从而影响了盾构掘进的速度;同时土层移动破坏了土体之间原始的应力平衡状态,严重会造成后期沉降过大,见图1。

      类型二:在这种类型中,破坏蔓延到了地表,形成了一个与地表连通的通道,在地表呈现出泡沫状的形态。开挖面的失稳引起了周围地层的附加变形,可能对周围既有建筑物造成破坏。在河流或者湖泊的底部以及在土层易液化路段,将形成连通的水流通道,造成隧道的涌水或地表大面积坍塌,见图2。

      关于开挖面的破坏形态,剑桥大学Mair,R. J.等人也做了一些研究,认为盾构开挖面破坏形态是泡状的,应变主要集中在泡的边界面上,在盾构开挖面的前方大小只有盾构直径的一半大,在距离盾构面一个直径距离的地方,泡状再继续结合在一起。盾构埋深越深,泡能够闭合并且面的稳定性也能得到保证,在更浅的埋深时,泡不能闭合,盾构的横截面表明泡的内部没有任何变形,不同的埋深与盾构直径的比值影响到开挖面的破坏形态。

 

      有限元模型采用岩土工程软件PLAXIS建立几何对象采用平面应变模型,有限元网格基于15节点单元。计算土层区域横向取60m,纵向30m。土体采用Mohr-Coulomb弹塑性屈服准则。隧道衬砌与土体的相互作用则是通过在模型隧道表面设置古德曼接触面单元并选取合理的虚拟厚度因子及强度折减因子模拟。模型底部施加完全固定约束,在两侧施加竖直滑动约束,模型表面则取为自由边界,隧道外径6. 0 m,内径5. 3 m,隧顶埋深6. 8 m,根据以往工程经验,此范围能够满足工程研究需要。计算参数见表1、表2。

      研究断面共分为5个土层,其中盾构所在地层为第三、第四层。地下水位位于地表下2 m,计算网格模型如图4所示,盾构开挖引起的地层损失率采用1%,迭代过程考虑地下水压力影响。经计算盾构开挖引起的土体最大位移44. 91 mm,超出安全允许范围。拱顶土体最大位移41. 26 mm,位移曲线如图5所示,土体位移超出安全允许范围。

      可以看出砂卵石地层下盾构过浅覆土路段存在较大风险,如产生不可控的局部超挖,将引起很大沉降,威胁周边环境安全。结合以往盾构掘进经验,控制主要遵循4个原则:超前加固、严格控制出渣量、保证注浆(含二次注浆)回填饱满、加强地面监测分析。

      超前加固方面:通过前检查盾构机各主要部件,开仓检查刀具磨损情况,确保盾构机不停机连续通过,盾构通过速度控制在30~40 mm/min,同时通过地面注浆的方式加固盾构范围4 m内土体。

      严格控制出渣量:派专人监控出土量,每环出碴量控制在55 m³以内,穿越中尽量减少盾构纠偏量,降低对地层扰动。

      保证同步注浆饱满:注浆量控制在9 m³以上,注浆压力2. 5 bar以上。最大程度利用同步注浆填充满管片背后的间隙。盾构掘进同步注浆的同时,跟踪进行单液或双液二次注浆。在同步注浆时进行二次注浆跟踪洞内注浆,确保填充效果,浆液根据情况采用单液浆或二次浆液。注浆管片位置盾尾后3~4环的位置,注浆时间在盾尾脱出管片后3~4环的时刻。注浆点位主要在拱顶,注浆压力和注浆量同时进行控制。

      加强地面监控量测:提前布设基准点和监测点,通过前和通过中对重要建筑物进行不间断监测并及时反馈信息。

      为真实模拟土体加固前后盾构掘进引起的地表沉降,建立加固后有限元模型,加固部分采用置换土层的方式模拟,增大注浆量通过调整隧道收缩率控制。根据实际施工情况先开挖右侧隧道,后开挖左侧隧道,最大位移14.45mm拱顶位移曲线,见图6。

      比照加固前后土体位移云图,可以明显看出加固后盾构施工对地层的扰动范围较小,拱顶位移曲线相对平顺,施工采取的技术措施效果明显。

 

      近年来地铁隧道施工中盾构施工所占比例呈上升趋势,但工程事故也频发不断,如何确保盾构隧道施工的科学性和综合实现安全、进度、质量、成本等目标,是当前我国盾构施工行业面临的重大课题。本文以成都地铁一号线2标段实际工程为例,分析砂卵石地层盾构法隧道过浅覆土地层2种典型破坏方式,提出了超前加固、严格控制出渣量、保证注浆(含二次注浆)回填饱满、加强地面监测分析等安全措施,希望能为类似工程的施工积累一些经验性的意见,从而使施工安全可靠,保证施工工期和施工质量,降低工程成本。

 

1　裴洪军.城市隧道盾构法施工开挖面稳定性研究[D].南京:河海大学, 2005

2　Mair R J. Centrifugal modeling of tunnel construction soft clay[D]. Cambridge University, 1979

3　蔡永立,冯晓科,曾德光,等.盾构地铁隧道近接施工及旁穿全装配高层壁板居民楼施工技术[J].隧道建设, 2008(1)