复杂地层地铁盾构施工技术研究
2008-10-22 00:16
复杂地层地铁盾构施工技术研究
随着城市经济的高速发展，越来越多的城市都将地下交通网线作为解决交通拥挤的最为有效的手段，这亦使地铁盾构法施工在不断普及和高速发展的同时面临更大的挑战。盾构法施工将向大深度、急曲线、长距离、大直径的趋势发展，尤其是对含有较大漂石、砂卵石、砾石等河口沉积地层中的盾构隧道施工，将带来盾构机压力平衡、壁后注浆及纠偏、土体位移及地表沉降控制等困难，以及刀具磨损快等一系列技术和理论问题。
本文以北京地铁10号线n标(麦子店西路站一亮马河站一农展馆站)区间隧道工程为依托，针对粘土层与砾石层、大粒径卵石层等复杂地层地铁盾构施工的土体位移和地表沉降预测及控制、土压平衡及壁后注浆方案优化、盾构刀具磨损机理及施工参数优化等问题进行研究，从而在确保该工程安全、优质、高效的同时，为今后复杂地层条件下，盾构隧道的施工、地面环境的保护提供可借鉴的经验。
1工程及地质概况
北京地铁10号线(含奥运支线)西起海淀区的万柳站，经海淀南路、知春路、安定路、太阳宫、东三环路，向南到朝阳区劲松站。线路全长2.75km，共设车站20座。施工采用土压平衡盾构工法。工程最小平面曲线半径R二350m;最小竖曲线半径R==3000m;隧道上部荷载6t/mZ;最大坡度3知;掘进长度2750m。
北京地铁10号线11标的沿线地质情况十分复杂，部分土体的物理力学性能见表1。
2技术关键、难点及技术方案
2.1技术关键和难点
(1)穿越土层复杂，农展馆站一亮马河站隧道有200m左右断面位于砂砾石层中。
(2)区间隧道线型复杂、距离长，隧道平面呈S形，如图1所示;最小曲率半径R仅为350m，线形变化大。
在砾石地层中，土压平衡控制、壁后注浆的工艺以及其它施工参数优化等，缺乏实用化的理论和施工经验;此外，盾构机姿态测量和控制亦是工程的一个难点。
(3)工程区域环境保护要求极高、施工风险高。盾构隧道需穿越机场高速公路、高架道路、地面富水河流(亮马河)、地面高层建筑、热力隧道、市政管网等重要建筑结构物(见图2)，其技术难度和理论的复杂性是以往任何工程都未遇到过的。
2.2技术方案
为保证工程安全，对隧道施工的设备及相关参数提出了很高的要求。
2.2.盾构机选型
选用的土压平衡盾构机须具备以下功能:
(1)刀盘设计必须考虑本工程的土压、水压、土壤质的物理性能及掘进距离等施工条件。
(2)刀盘的驱动应为中间支撑驱动方式，轴承须采用耐负荷、长寿命的高性能滚动轴承，将径向及轴向的负荷传给壳体。为防止砂土和泥水进人轴承和机体内，刀盘应密封，并采用双速电机控制方式。
(3)盾构机须装备铰接装置，以能在急性曲线施工时发挥巨大的作用，并能有效地改善盾构机的姿势控制。
(4)采用由螺旋输送机和皮带输送机组成的输土方式，以排出最大直径达280mm*475mm的卵石。
(5)在2根辐条上须配备液压式超挖刀，以用于挖掘较小的拐弯时所需的扩挖，以及修正隧道掘进机的横摇、纵摇。
(6)同步注浆系统须采用单液注浆，并设置清洗装里，使之在注浆结束后可立即清洗构造，以避免残留的注浆材料堵塞喷嘴。
(7)为延长刀头的使用寿命，须采用高低差配比。刀头的滑动距离计算公式:
式中：L-构机推进距离，275Om(推进长度)
NC--刀盘转速，0.8rpm
V--推进速度，40mm/min
D—最外周倒头切削外径，Φ6.17m磨损量计算公式:
MH=SL*KEI (2)
式中 KEL--超硬刀头磨损系数，0.03mm~/km
在盾构推进过程中，根据计算，其刀盘刀头的磨损量在容许磨损量范围之内，因此在整个推进过程中无需更换刀盘刀头。
(8)在刀盘土舱内，应在螺旋机圆筒部位也设置添加材料的注人管。
2.2.2砂砾地层中注浆技术优化
为了确保在砂砾地层中盾构施工，必须优化注浆技术。由于高分子类泥浆的粘度随高分子含量的增大而显著增大，其动切力、初切力和终切力要比其它泥浆高4-6倍。作为盾构切削添加材，泥浆动切力和静切力(包括初切力和终切力)均较高，其对固相颗粒的悬浮作用也较好;反之，静切力太低，易造成固相颗粒沉淀，则对泥浆的悬渣效果不利。因此，对于泥浆的动切力和静切力的选择要适当大些，以防止固相沉淀。也就是说，既需要较低的泥浆失水量，同时又要满足注人要求。
(1)切口添加材泥浆中，应用高分子泥浆较优。在一定范围内，适当提高高分子的含量，能大大提高泥浆动切力、初切力和终切力，不仅保证了泥浆的悬渣效果，而且对失水量的控制亦非常好。
(2)膨润土:水:高分子泥浆(重量比)=1:2.5:0.050~0.075是砂砾地层切削土添加材的优化配比，泥浆在切削土中的添加量以300L/m3砂左右为宜。
2.2.3FEM数值模拟
通过对有限元模拟结果的分析及计算成果与Peck公式所得计算结果的对比，可以得出如下结论:
(1)随着盾构的不断推进，隧道周围土体的应力场不断扩大，土体的位移值在不断增大。
(2)二次扰动情况下，土体的竖向位移最大值比单线开挖时的竖向位移值的最大值增加9%。后建隧道也会对先建隧道周围的土体产生不利影响，使其位移值增大。在施工组织设计尤其是注浆压力、注浆量等施工参数设计时，应充分考虑二次开挖扰动影响，避免双线开挖引起工后沉降超限。
(3)土体的竖向位移值随着土体损失率的增加而增大。
(4)地表沉降随着土体损失率的增加而增大。
因此，施工过程中应对砂砾地层适当增大注浆量，以减少土体损失率，从而更好地控制地表沉降及深层土体位移。
2.2.4地表沉降时滞特性及其控制效果预测
实际施工过程中，在穿越粘土、砂砾两种地层中，盾构推进速度基本相同，从图3及图4可见，无论是粘土地层还是砂砾地层，盾构施工过程地表沉降均具有非常显著的时滞特性，且盾构切口到达监测断面前，地表均不同程度产生沉降;沉降一时间关系总体上呈负指数非线性关系，由于注浆压力及注浆量的差异，沉降一时间关系可用一簇负指数曲线来描述;砂砾地层沉降稳定所需时程明显小于粘土地层，前者L/D=10，后者L/D=3左右。
3施工技术动态优化
3.1信息化施工方法与步骤
由于砂砾地层盾构施工方面尚无成熟技术可供借鉴，本研究在注浆浆液比选与优化、砂砾地层浆液适用性等室内试验、注浆作用及其位移控制效果模型实验等系统研究的前提下，采用地表沉降监测、深层土体位移监测、空隙水压监测等原位试验手段，可获得盾构施工过程土体位移等环境控制参数，结合施工参数的实时监测及时反馈指导施工，有效控制了施工过程中的周边环境，以确保工程安全、优质、高效。信息化施工过程(见图5)。
3.2地表监测成果应用
3.2.1根据实测结果及时调整注浆参数
施工过程中，沿盾构轴线以5m等间距布置地表沉降监测点，同时，每25m布置地表沉降监测断面。对沉降进行实时监测并将结果进行分析反馈指导施工方案的调整与完善。每次取得沉降监测结果后，应及时分析沉降速度、沉降变化规律，并进行后续阶段位移预测，然后反馈给项目部，以指导施工参数动态优化。
3.2.2根据实测结果的时效特性合理把握注浆时间
根据粘土地层、砂砾地层盾构开挖过程中，均表现出显著的地表沉降时滞特性，其时间相关关系可用负指数函数簇表述。但由于土体性质的差异，两者的时效特性各不相同:粘土地层中，时间一位移曲线比较平缓，沉降速度缓慢，延长时间相对较长。因此，盾构推进后，壁后注浆施工时间可适当放慢。而对砂砾地层而言，沉降速度较快，位移延续时间短。开挖后沉降会很快增加，若不及时进行壁后注浆或注浆量增加过慢，有可能会导致地层(含地表)的过度沉降。
比较图6与图7可知，粘土地层和砂砾地层地表沉降具有显著时效差异:盾构工作面到达监测断面前，粘土地层地表沉降反应平缓;砂砾地层地表沉降速度明显高于粘土地层地表沉降速度，L/D=4时，砂砾地层沉降基本完成，而粘土地层在L/D=15时地表沉降才基本完成。
2.2.3深层土体沉降规律及其应用
实际施工过程中，根据原位监测取得的位移数据并经分析后反馈指导施工。动态修正、完善施工方法和施工参数，实现了对施工扰动位移的有效控制、周边建筑物的安全保护以及地铁隧道工程的优质高效。
4结论
通过室内试验、原位监测、有限元数值模拟及实测结果的统计分析等系统研究，取得了一些有理论价值和实用创新意义的研究成果。
(1)对砂砾地层盾构施工同步及壁后注浆合理浆液型式、注浆压力、注浆量等参数进行了系统优化。结果表明:对具有高松散特性的砂砾地层，盾构施工过程采用高分子浆液。因其很好的悬浮作用、渗透性能、支撑作用，从而对土体沉降具有很好的控制作用。通过比选，采用了适合于砂砾地层的浆液型式及注浆量。取得了很好的位移控制效果。
(2)通过粘土地层及砂砾地层盾构施工过程地表沉降监测结果的分析，研究了两种不同地层地表沉降变化规律以及动态分析注浆参数的适用性，建立了砂砾地层及粘土地层地表沉降的时效特性关系。结果表明:粘土地层、砂砾地层盾构开挖过程中，其地表沉降均表现出显著的时滞特性。其时间相关关系可用负指数函数簇表述。但由于土体性质的差异，两者的时效特性各不相同:粘土地层中，时间一位移曲线比较平缓，沉降速度缓慢，延长时间相对较长;而对砂砾地层而言，沉降速度较快，位移延续时间短。开挖后沉降会很快增加，若不及时进行壁后注浆或注浆量增加过慢，将有可能导致地层(含地表)过度沉降。
(3)深层土体竖向位移受盾构施工参数、壁后注浆参数、孔隙水压变化等多种因素的综合影响，体现了施工参数对土体沉降的控制作用。开挖扰动、孔隙水消散将引起土体沉降，而壁后注浆导致隧道上方土体上浮。实际土体竖向位移主要是上述3种因素综合作用的叠加。
(4)盾构施工过程土体轴向水平位移，是盾构切口压力、盾构及隧道外壁与土体接触状态、土体变形特性等因素的综合影响，其中，起着支配作用的主要因素为切口压力状态、盾构、隧道外壁与土体接触状态等。实际位移是上述两者作用的叠加。
(5)由于本工程已考虑北京土层的复杂性，过程中又能克服各种风险，使工程顺利竣工。
