员村站至车陂南站区间盾构施工难点
2009-02-03 18:55
员村站至车陂南站区间盾构施工难点及措施
摘 要:针对广州地铁五号线员村站—车陂南站区间盾构工程难点,对土压平衡盾构机在复合地层施工中出现的问题进行了分析研究,并提出了应对措施和处理思路,以期为类似地层施工提供参考借鉴。
关键词:盾构隧道,沉降监测,混凝土,塌方
1 工程概况
【员村站—车陂南站】区间盾构工程由两条圆形盾构隧道及相关附属工程组成,本工程盾构隧道双线总长为5 134.641单线延长米,左、右线线形基本一致。本区间主体盾构工程:掘进断面6.28 m;管片衬砌为单层预制混凝土管片衬砌,管片外径6 000 mm,内径5 400 mm,厚度300 mm,环宽1 500 mm。
此区间隧道主要通过的岩土属Ⅲ类围岩、Ⅳ类围岩、Ⅴ类围岩,岩土强度相对较为均匀,工程地质条件属一般~较好。
本工程的地下水类型主要分3种类型:上层滞水、孔隙性潜水或微承压水、基岩裂隙水。地下水位不仅与季节性降雨量有关,还受河涌潮汐动态水的影响。
本工程沿线穿过的河涌主要为棠下涌,该涌宽约24.0 m,深约3.5 m,位于【科—车】区间的西起点,隧道近乎垂直于棠下涌,河涌位置的里程约为YCK21+715~YCK21+739。由于该涌与珠江相连并距离珠江较近,因此其涌内的水量和水位除了与季节性降雨量有关外,还受珠江的潮汐作用影响明显。
2 工程实施难点及应对措施
2.1 建(构)筑物下方掘进时的沉降控制
2.1.1 沉降事故发生情况
广州鹰金钱企业集团公司C仓库位于天河区员村四横路自编5号,建于20世纪70年代,为2层砖混结构,该楼基础采用条形浅基础,基础埋深1.5 m。地铁五号线隧道从其下方通过,其中左线隧道穿越里程ZDK20+670.00~ZDK20+710.00,右线隧道穿越里程YDK20+685.00~YDK20+721.00。
【员—科】区间右线盾构进入C仓库下方,掘进540环时掘进参数异常,表现推力增大,速度降低,速度超过20 mm/min时易发生卡刀盘现象, 540掘进完成后准备开仓检查刀具,出土3斗后打开仓门,发现土仓内土仍然很多,且2点位有塌方,无法进行刀具检查;541环掘进至S=1 000 mm时再次准备开仓,结果仓门被土包裹,无法开仓;继续推进541环,掘进过程为避免出土超量,抬高土压为3 bar,推力1 200 t~1 300 t,速度5 mm/min~10 mm/min,刀盘工作油压150 bar~200 bar,推进困难542环至S=1 300 mm停止推进;同时,地面监测数据显示C仓库沉降发展较快,当天发生沉降24 mm,累计最大沉降量达到-61 mm,且沉降继续发展。
2.1.2 原因分析
1)刀具意外受损,掘进难度增大。左、右线隧道均从C仓库下方通过,根据地质剖面图,左、右线隧道地质情况相同,穿越地层均为⑦地层,该地层稳定性较好,根据以往施工经验,这类地层掘进施工非常顺利,地面沉降能够得到有效控制。且左线隧道通过情况也证明了这一点,左线盾构通过食品厂仓库期间掘进参数正常,通过后地面沉降累计最大值-25 mm。右线通过前,为确保右线盾构顺利通过食品厂C仓库,项目部在486环提前对刀具进行了彻底检查及更换,但换刀后仅掘进约55环便出现掘进参数异常情况,表现为盾构推力增大、速度降低、且出现卡刀盘现象。掘进参数的异常导致出土量难以控制,出土量偏多。
2)土仓内结泥饼。由于掘进参数异常、出土量偏多,掘进过程采用土压平衡方式掘进,结果导致土仓内出现结泥饼现象,泥饼的形成导致掘进参数更加恶化,出土量更难控制。
2.1.3 处理措施
1)地面充填及加固。根据原因分析结果,并结合地面仓库周边环境。为确保地面仓库的安全,决定暂停右线隧道的掘进施工,组织专业注浆加固队伍进场,在地面施作袖阀管对仓库下方土层进行加固,通过注浆填充盾构出土超量所形成的空洞,以保证建筑物的安全。同时,在隧道内利用吊装孔进行补充注浆,以充分充填盾构通过后的空隙。地面加固施工完成后,再恢复隧道开挖掘进施工。
本次袖阀管加固采用水玻璃水泥双液浆作为注浆材料。双液浆参考配比如下:水玻璃浓度40 Be′,水泥浆水灰比为1∶1,水玻璃溶液配比为水玻璃∶水=1∶1(体积比),水泥浆液∶水玻璃溶液=1∶1(体积比)。现场施工时根据实际情况对该配比进行适当调节,将浆液初凝时间控制在2 min左右。
2)采用压气作业方式清除泥饼及更换刀具。因尝试开仓7次,均未成功,对此,项目部研究后决定采用压气作业方式清除泥饼及更换刀具。待地面加固完毕及压气系统准备完毕后,压气作业人员分批次进仓进行压气作业,至压气作业结束,累计换刀5把,同时清除土仓内泥饼。
2.2 泥质粉砂岩段掘进时结泥饼及塌方
2.2.1 事故经过
盾构机机头位于里程KCZ22+853处,工作人员清理盾尾泥巴,清理完毕后向前掘进774环时发现推进参数异常,主要表现为盾构机推力高达1 500 t~1 800 t,刀盘工作油压100 bar~120 bar,掘进速度10 mm/min~20 mm/min,螺旋机出土困难,喷涌”情况十分严重,偶尔还会有直径50 cm左右的泥块从螺旋机出土口掉下。掘进850 mm一共出土12斗(10 m3/斗),项目部据此推断土仓内结了“泥饼”。监测反馈数据显示隧道上方路面沉降量增大: KCZ22 + 840处地面日沉降18 mm,累计沉降70 mm;KCZ22+845处日沉降达到41 mm,累计沉降79 mm;KCZ22+850处地面日沉降47 mm,累计沉降63 mm。当车辆通过时可感觉路面有明显的震颤,据此判断路面下方产生了塌方。
2.2.2 原因分析
1)隧道范围地层适宜结“泥饼”。本段隧道洞身范围内主要为⑤-2,⑥,⑦地层,洞顶以上为⑤-2,⑤-1,④-1层,再往上还有加厚的连续的③-2中、粗砂层。
洞身所处地层上软下硬,加之其上地层的自稳能力极差,因此,掘进时必须保持一定的土仓压力。由于保压则会导致掘进速度降低,每环掘进时间加长,当土仓内温度长时间保持在35℃以上时,出土稍微不顺畅就极易压实固结形成“泥饼”。
2)设备故障为泥饼形成提供条件。在到达段掘进过程中,一些零部件由于长时间的使用而出现了故障,特别是发泡剂系统和加水系统此时已不能连续正常工作了,主要表现在发泡剂和水的注入跟不上,而直接表现就是螺旋机口出来的渣土比较干稠,且常常伴随有大块泥渣。因此,掘进中常常因为需要等待发泡剂和水的注入而停机一段时间,待土仓内渣土的和易性满足要求后再出土。对于这样一种状况,如果稍有不慎,在掘进中不能及时控制好发泡剂和加水的注入量,就极易形成泥饼。
3)隧道上方存在易塌方地层。本段隧道上方存在连续的③-2中、粗砂层,最大厚度4.5 m左右,均位于稳定地下水位以下。砂层具有渗水系数大、受扰动易液化、流动性好等特点,在砂层中掘进时,一般需要尽量减少对砂层的扰动,快速通过。对于本段隧道而言,这种扰动不可避免且来自多个方面,如路面来来往往的车辆带来的扰动、右线盾构机掘进时产生的扰动,左线盾构机刀盘转动引起的扰动等。特别是,当盾构机结了泥饼后,在处理泥饼过程中会停在原地高速旋转刀盘,这样就加强了对附近地层的扰动,砂土液化的范围进一步扩大。
当液化后的砂土体从切口环位置或刀盘开口处源源不断的流入土仓时,出土量很难得到控制,从而造成上部土体塌方和掘进中的喷涌现象。
4)施工经验欠缺,对参数变化不敏感。塌方的形成确实有其客观条件,但主观原因同样不可否认。如果施工人员能及早解决盾构机故障,保障发泡剂系统和加水系统的正常运转,如果施工人员对掘进参数的异常变化引起足够重视,发现问题及早处理,最后的情况也许就不会如此了。
2.2.3 处理措施
1)双重手段处理泥饼。要想解决塌方问题,必须首先解决泥饼问题。可采取双重手段:a.提高刀盘转速。选择刀盘的高速旋转挡位,在加大转速后,泥饼能在离心力作用下松动甚至脱落。
b.向土仓内添加发泡剂和渣土分散剂。通过边加发泡剂和分散剂边旋转刀盘,同时缓慢向前推进,持续运行一段时间后,泥饼问题得到解决。
2)洞内二次补浆和地面混凝土回填。在处理泥饼的同时,通过进行盾尾和管片背后二次补浆及地面混凝土回填相结合的方式对塌方空洞进行处理。
3)加强监测。
4)做好交通疏解。
5)路面修复。虽然对塌方位置进行了回填,但该处的路面仍然出现破损,委托市政维修部门对该处路面进行维修。
2.3 洞门涌水
2.3.1 事故经过
左线工程进行到816环,在没有任何征兆的情况下,【科—车】区间车陂南站左线洞门突然出现上半部大量涌水情况,持续时间3 min左右。水流水平射程约有3.0 m,水中同时夹杂着泥砂、淤泥、砖块和生活垃圾。
2.3.2 原因分析
1)地层条件差,受扰动后易塌方。2)地下水来源丰富,土体在浸泡后强度迅速降低。3)停滞时间长,为涌水事故的发生提供了时间条件。4)地下水位高,洞门位置水压力大。
2.3.3 处理措施
1)洞门封堵。运来大量的木塞、棉纱和被褥,用来填塞洞门密封圈和管片之间的空隙,同时在空隙中打入花管,并通过花管注双液浆。在实施该措施后,涌水情况得到抑制,但时间一长,又会出现新的涌水点,并随之出现一股大的水流,持续时间也是在3 min左右,如此反复发生了3次。
2)地面回填。在隧道上方钻穿混凝土地面后发现存在约3.0 m深的空洞,同时听见哗哗的流水声,并且可以看见水的来路,水面在不断上升。为封堵水的来路,防止水越聚越多再次形成洞门涌水,必须扩大钻孔面积,然后放下水泵抽取地下水,最后向空洞内填被褥,同时回填混凝土和水玻璃的拌合物,至洞门位置不再涌水。
3)沉降监测。洞门出现涌水后,应加大洞门附近的沉降监测频率,0.5 h监测一次,整个抢险过程中,地面一直比较稳定,沉降未见异常。
3 结语
总体来讲,本工程施工比较顺利,但是,在4条隧道掘进过程中,还是出现了一些始料不及的问题,而且有些是反复出现的问题。这些问题主要集中在几个方面,如泥饼问题、扭转问题、沉降控制问题、机械设备问题等。问题的产生,有些是由于客观原因,如地质条件与勘察资料不符、机械设备存在故障等,有些则是人为原因造成的,主要体现在实践经验不够丰富,对一些掘进中的异常征兆敏感性不够等。
盾构通过超厚砂层段时可实施超压推进与少出土的方案,但这种方案的缺点是刀盘结泥饼和堵仓,这就对泡沫剂的质量有高的要求。对于这种在超厚砂层段有建筑物的盾构施工情况,可在建筑物下实施厚筏板项目来控制。在建(构)筑物四周提前施作止水帷幕对因地下水土流失而造成的地面沉降有一定的帮助。
参考文献:
[1]竺维彬,鞠世健.复合地层中的盾构施工技术[M].北京:中国科学技术出版社,2006.
[2]贺霄飞.压气作业在地铁盾构施工中的应用[J].山西建筑,2007,33(11):309-310.
