广州地区盾构施工风险及控制技术要点
2011-04-28 03:58
广州地区盾构施工风险及控制技术要点
【摘 要】结合广州地区已建和在建的数条地铁线路建设过程中存在的技术难点,针对含断裂带、残积土、软弱土、溶洞、“红层”及上软下硬等特殊地层,总结分析在这些复杂变化地质条件下盾构施工风险及主要的风险控制技术,为今后地铁建设提供一定的参考及
指导。
【关键词】断裂带;残积土;分化深槽;红层;盾构施工风险;风险控制
0 引言
广州地区在2010年预计将开通运营线路合计229. 6km, 136座车站,至2015年,陆续完成规划的15条线路,运营总里程达480 km。在繁忙的地铁建设过程中,复杂的地质构造类型、多样化的岩土组成方式及差异变化的工程地质条件对盾构施工构成了严峻的考验,也引起了较多的工程事故。对于广州地区特有的工程地质条件,在建设过程中,必须对施工风险给予足够的重视。对于特殊的岩土地层———含断裂带、残积土、软弱土、溶洞、“红层”及上软下硬等地层,需要进行风险的评判归类及等级划分,并结合已有的工程经验及新的研究成果来控制施工风险,保证施工安全。
1 广州地区复杂地层特点
广州市位于珠江三角洲冲积平原边沿,区内水文地质条件复杂,岩土性质均一性差,物理、力学特性差异也较大,存在较多的断裂带、残积土分布区、风化深槽、深厚软土层、“红层”及上软下硬的复合地层;同时,部分地区土洞、溶洞较发育,形成了盾构区间面临剧烈变化的工程地质条件。
依据广州地区的工程地质条件,在0~50m深度内,同时存在沉积岩、岩浆岩、变质岩3大岩类。其中,花岗岩、灰岩、混合岩多属硬质岩,碎屑岩、红层多属软质岩,部分钙铁硅质胶结的碎屑岩也可属硬质岩,各岩层的强度指标悬殊较大[1]。
2 复杂地层盾构施工风险分析
2. 1 盾构施工风险源
施工风险识别的方法是结合项目的整体情况,在类似工程风险辨识的基础上,首先找出可能存在的各种风险因素,然后针对工程的实际情况和具体特点,通过分解、调查、讨论,从中筛选出影响工程施工的主要风险因素。在广州地区进行盾构施工,掘进过程的风险主要可以概括为技术风险、设备风险、质量风险和安全管理风险4个方面,结合工程实例,对具体风险进行总结。风险分布如图1。
总结2001—2007年广州盾构事故(见表1):工程技术方面的风险概率高达70%,这些风险都与地层的复杂性直接相关,对施工存在着较大的直接影响。
2. 2 含断裂带地层掘进风险
广州区内发育较多的断裂带,走向以北东、北西、东西向为主,多为富水且稳定性差,岩性变化复杂,局部存在十分坚硬的含铁、钙质胶结的角砾岩[2];同时,次生断裂破碎带往往是富水区和排水通道,易造成附近岩土层裂隙发育,在地下水流蚀作用下容易形成风化深槽。
由于广州地区断裂带发育,多条线路都会穿越断裂带:地铁二号线主要穿越广从断裂带、新市—嘉禾断裂带等;三号线主要穿越瘦狗岭断裂带、广三断裂带等;九号线主要穿越兴华断裂带、三华断裂带、雅瑶断裂带等,并揭露较多的风化深槽,以粉砂岩、砂岩和炭质灰岩为主。隧道在这些规模不等的断层破碎带中掘进困难,容易导致刀具磨损严重及喷水、喷泥等现象,特别在风化深槽地段,事故频繁[3]。
2. 3 花岗岩及其残积土地层掘进风险
广州地区下伏花岗岩主要为中生界燕山期花岗岩,分布面积较大。花岗岩类岩风化形成大面积残积土及球状花岗岩孤石。残积土普遍具有崩解、遇水软化等特性,典型地层分布如三号线天河客运站—华师站区间。盾构施工中应及时采用衬背注浆,防止残积土层遇水或被扰动后液化、流坍等,应特别注意残积土中夹带的花岗岩风化孤石,由于掘进过程中瞬间荷载或局部荷载突然加大,风化孤石容易对刀盘、刀具造成严重的损坏,甚至导致盾构机的倾覆。
2. 4 含土、溶洞地层掘进风险
广州地区灰岩主要分布在西部的大坦沙、北部的嘉禾至新机场花都区一带,盾构区间二号线北延段、三号线北延段、二八线、五号线、六号线及九号线都有区间通过大面积的岩溶隐伏区[4]。
广州石灰岩地层中揭露的岩溶有溶蚀裂隙及溶洞,以溶洞为主,特别是通过白云区和花都区的线路,具有见洞率高、深度大等特点。地铁九号线飞鹅岭站—花都汽车城站里程为YCK0+309. 10~+586,区间初勘钻孔数54个,其中揭露到溶洞孔数21个,见洞率高达38. 9%,洞高为0. 2~10. 9m,且发育多层溶洞,并揭露1个土洞[5]。盾构机在掘进时,极易发生盾构偏离轴线、涌水、卡壳、机头下垂甚至“掉落”于溶洞中的事故。在充分了解岩溶的成因、性质及溶洞的大小和发育状况后,针对高风险的溶洞,可采取岩面注浆法、盾构刀盘前方注浆法、旋喷法等处理措施。
2. 5 含软弱土地层掘进风险
在番禺、南沙2区不同深度内,陆续分布淤泥、淤泥质土及软塑状黏性土,同时珠江水域也沉积着较厚的淤泥土层,性质较独特,主要表现为:含水量高、含有机质量高、压缩性大、承载力低、厚度大且变化快、固结速度相对较慢。二号线海珠广场—江南西区间过江、三号线珠江新城—客村、沥滘—大石区间过江,盾构既在稳定性差的软弱土中施工,又要穿越江河地段,盾构风险较大。在这些区间掘进中比较容易发生坍塌、涌水、涌砂,甚至较大的地面沉降导致河床土体塌陷的严重后果。
2. 6 “红层”分布区掘进风险
广州地区的泥岩、砂岩及泥质粉砂岩风化后的残积土层呈红色,具有黏性好、易软化、存在夹层、力学性质变化大等特点,普遍上被定义为“红层”[6]。在地铁建设过程中,遇到的“红层”分布区较多,从一号线—二号线,都遇到过这类地层。黏性好的“红层”,在盾构掘进时,由于易遇水软化的特性,极易粘结在盾构刀盘上及出土仓内,形成“结泥饼”现象,此类事故在多条线路施工中都出现过。
2. 7 上软下硬地层掘进风险
广州地区在0~20m深度范围内即可见岩,盾构隧道断面埋深一般为14~30m,必然会遇到上部是土、下部是岩的地层。在这类上软下硬的地层掘进时,上下岩层强度相差较大,若平衡压力控制不好,刀盘工作面切削的上部土体则容易进入土舱内;而下部较硬岩则掘进困难,导致盾构机容易上翘,甚至覆土层“塌通天”。地铁一号线长寿路—陈家祠区间及三号线沥滘—大石区间,便穿越典型的上软下硬地层。在此类地层段施工,主要应控制好掘进姿态、速度及平衡压力,以及采用一定的预处理措施,使盾构机在防止刀盘刀具破坏的同时,防止盾构机姿态失控而超界限。
3 盾构施工风险控制技术
3. 1 盾构推力控制
盾构设计一般是根据地层信息和隧道的尺寸参数计算理论的设计推力。由于施工环境的变化,在掘进过程中,盾构机的有效推力在设计推力所占比例是一个动态变化过程。
盾构有效推力的主要影响因素有设计因素和施工因素。对于土压平衡状态
式中:∑F为盾构的总推力;FM为盾构外壳与围岩间的摩阻力; 
为有效推力;FS为盾尾密封与管片间的摩擦力;FNZ为台车的牵引阻力;FSP为土压引起的隔板反力。
为有效推力;FS为盾尾密封与管片间的摩擦力;FNZ为台车的牵引阻力;FSP为土压引起的隔板反力。 在复合地层推进过程中,FM和FSP占了极大的比例,部分超过80%,且在存在风化孤石地层中,硬岩额外附加应力占总推力比例较大[8];因此,掘进时,需掌握盾构的施工因素,包括地层变化、中途停机、盾构偏移及衬背注浆质量等,以此控制总推力,提高有效推力,正确指导施工。
3. 2 盾构姿态控制
盾构姿态控制包括2个方面:机体滚转控制和前进方向控制。广州地区施工中盾构姿态偏差较大的主要原因是纠偏过大或矫枉过正及由于上软下硬地层、遇到孤石引起,部分是“泥饼”或刀具磨损开挖直径不够造成的。当出现掘进前进偏离轴线时,必须结合地质条件,控制纠偏角的大小,采取针对性的有效纠偏措施。在施工中,纠偏角较小时,最大偏差就已经存在显著增大的趋势;若纠偏角过大,则达不到纠偏的理想效果。在广州这类特殊地层中,纠偏角控制在0. 7~1. 0°比较合适。所以,在初始偏差1~2cm时即开始纠偏,是比较有效的;若偏差角继续增大, 还没实施纠偏,则较难控制。
3. 3 刀盘、刀具磨损控制
广州盾构施工中,刀盘一般都需要配置滚刀和刮刀,磨损主要表现为滚刀磨损、非均匀磨损及刀圈、轴承磨损等。
在软土地层中,可以适当调整刀具的高度,预防黏性土产生“结泥饼”现象。在软硬岩互层地层中,通过合理的组合软、硬岩刀,达到既可以充分发挥软岩刀在硬岩掘进中的作用,又可以避免硬岩刀在软岩掘进中的偏磨,控制刀具的磨损量,延长刀具使用寿命。对于变化的岩土地层,防止刀具磨损可以从以下几个方面实施:
1)选用硬度大、抗剪性好的刀刃,结合使用重型刀盘;
2)合理选择刀盘滚刀的布置形式,适当增加刀具数量;
3)合理控制长短刀具比例,以适应变化岩土地层;
4)适当使用改造的滚刀,保证特定岩层中的掘进效果;
5)有计划地更换刀具,控制刀具的磨损程度;
6)优化掘进参数,控制在变化地层中的掘进速度。
3. 4 软弱地层控制
广州地区的软弱土层易由于失去压力平衡而被破坏,风险事故概率较大,结合已有工程理论与实践经验,对砂层、淤泥层分别采用不同的控制技术,降低软弱地层风险,保证施工安全。
3. 4. 1 砂层
首先要选择合适的盾构型式,最好选用泥水平衡盾构机,控制好泥水压力和稠度,以及控制盾构机掌子面的压力平衡,防止砂层漏水而引起地表沉降,保证掘进效率。
3. 4. 2 淤泥、淤泥质土层
由于淤泥土具有触变性,以及该土层中存在较大的地下水压力,必须控制好盾构压力。广州地区成功的过江施工表明(见图2):如果盾构压力采用地下水压力E+20 kPa,盾构泥水压力的波动会小于淤泥的主动土压力,容易引起淤泥开挖面失稳;选用土压力来控制盾构压力更为合适,采用E0+20 kPa左右来控制盾构切口压力,就可以保持开挖面的压力大于主动土压力Ea,同时小于被动土压力Ep,又把地下水压力考虑在内,这样就可以确保开挖面既不坍塌也不隆起。
若需要对淤泥层采取注浆加固,应控制好注浆液参数和配合比,宜采用“由浅到深”和“低压反复多次”的方式,保证加固效果。
3. 5 添加剂的使用
在广州这类复杂地层中,施工环境会不断发生变化,但随之相应更换盾构型式是不可行的。此时,土压盾构机选择合适的添加剂对变化的地层进行预处理,是一种比较合适、简单有效的措施:砂层地区使用合适的聚合物添加剂,可以维持开挖面平衡,保证掘进效率;“红层”地层中合理使用泡沫添加剂,可以解决“结泥饼”的问题;砂砾土地层中使用膨润土添加剂可以改善土体的和易性,利于碴土排出。
4、结论
在复杂地层进行盾构施工,风险控制是一项复杂的系统工程,必须综合考虑线路周边地质环境、施工技术水平,结合工法来合理控制施工风险。本文结合广州地铁的建设,针对被喻为“地质博物馆”的广州地层,主要考虑相关的不利工程地质条件对盾构施工的影响,以及相应的风险控制应用技术。广州地铁盾构施工表明:应综合考虑断裂带、残积土、溶洞、软弱土层及上软下硬土层分布等地质因素,通过合理选择盾构机型,应用适当的盾构推力,控制盾构姿态,并结合使用添加剂、及时衬背注浆和二次注浆,在进行了整体的施工风险识别、风险控制后,保证盾构施工更加安全、可靠、高效。但风险控制仍是施工中一个主要技术难点,在各个具体项目中遇到的风险类别也不尽相同,这也需要在工程实践中不断改进和完善,以形成有效的系统风险理论,更好地指导地铁施工建设。
参考文献:
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