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        超大直徑泥水平衡盾構(gòu)隧道上浮施工影響因素的研究

        2016-11-18 02:28:13談曉亮
        城市道橋與防洪 2016年7期
        關(guān)鍵詞:抗浮泥水浮力

        談曉亮

        (上海隧道工程有限公司,上海市 200032)

        超大直徑泥水平衡盾構(gòu)隧道上浮施工影響因素的研究

        談曉亮

        (上海隧道工程有限公司,上海市 200032)

        超大直徑泥水平衡盾構(gòu)在淺覆土施工過程中,剛脫出盾尾的隧道管片易產(chǎn)生“上浮”現(xiàn)象。如在施工中不采取相應(yīng)的措施,隧道管片的上浮不僅直接關(guān)系到工程本身的質(zhì)量和安全,而且會(huì)對(duì)隧道周邊環(huán)境保護(hù)造成巨大的影響。結(jié)合工程實(shí)例,對(duì)造成隧道上浮的施工因素進(jìn)行詳細(xì)分析,為制定抗浮措施提供了初步的依據(jù),綜合考慮外部因素和內(nèi)部因素,提出具體建議,可供同類工程借鑒。

        隧道上浮;同步注漿;管片

        0 引言

        近年來,為了緩解大城市交通壓力,越江隧道起著越來越重要的作用。超大直徑盾構(gòu)作為越江隧道的主要施工手段,在盾構(gòu)進(jìn)出洞階段的上浮問題顯得尤為突出。根據(jù)上海多條大直徑泥水盾構(gòu)越江隧道的施工經(jīng)驗(yàn),管片脫出盾尾后都會(huì)出現(xiàn)不同程度的上浮。盾構(gòu)上浮形成的環(huán)向踏步不僅影響了成型隧道質(zhì)量,造成滲漏水,嚴(yán)重的還會(huì)對(duì)地面環(huán)境保護(hù)帶來潛在的威脅。因此,有必要對(duì)超大直徑盾構(gòu)上浮原因進(jìn)行深入分析和總結(jié),并制定針對(duì)性的措施。本文結(jié)合某建成的大直徑越江隧道工程實(shí)例對(duì)隧道上浮原因進(jìn)行分析,為制定抗浮措施提供依據(jù)和方向。

        1 虹梅南路隧道施工階段盾構(gòu)始發(fā)段上浮情況

        上海市虹梅南路隧道是連接閔行區(qū)和奉賢區(qū)的一條大直徑越江隧道,盾構(gòu)段隧道全長(zhǎng)3 391 m,先由1臺(tái)14.93 m海瑞克氣泥水平衡盾構(gòu)從奉賢段工作井始發(fā)進(jìn)行西線隧道施工,盾構(gòu)到達(dá)閔行接收井后調(diào)頭再完成東線隧道施工。東線隧道始發(fā)段主要位于④灰色淤泥質(zhì)黏土(占60%)以及⑤灰色黏土(占40%)中,出洞頂部覆土9~10 m,如圖1所示。

        圖1 盾構(gòu)閔行始發(fā)段1~100環(huán)地質(zhì)橫縱剖面圖

        虹梅南路東線隧道始發(fā)0~100環(huán)推進(jìn)過程中,隧道出現(xiàn)比較明顯的上浮,管片之間產(chǎn)生一定踏步,最大處可達(dá)3 cm,但尚處于可控范圍內(nèi),地面環(huán)境保護(hù)較好,沒產(chǎn)生較大的地面沉降??垢〈胧┲饕堑孛娓欁{、盾構(gòu)內(nèi)部壓載以及調(diào)整注漿參數(shù)等。

        2 隧道上浮原因分析

        隧道上浮是因?yàn)槌尚退淼赖淖灾丶吧细餐翂毫Σ蛔阋缘挚雇饨鐚?duì)其施加的浮力,隧道所受的上浮力可以分為靜態(tài)外力和動(dòng)態(tài)外力。靜態(tài)外力是指隧道長(zhǎng)期被包裹在液體中而產(chǎn)生的浮力,主要是因注漿漿液、地下水、帶壓泥水等包裹產(chǎn)生的上浮力;動(dòng)態(tài)外力是指盾構(gòu)糾偏以及同步注漿壓力?;谝陨显虻姆治霭l(fā)現(xiàn)隧道上浮受施工因素影響還是比較大的,下文將結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目進(jìn)行分析和研究[1]。

        2.1施工環(huán)境因素

        隧道上浮的外部因素主要包括施工場(chǎng)地內(nèi)不明的地下建(構(gòu))筑物和不良的地質(zhì),如能在施工前充分將盾構(gòu)施工沿線環(huán)境情況排查清楚,并結(jié)合不良現(xiàn)狀采取預(yù)處理措施,如土層置換加固、清障等,則可以降低施工外部因素的影響。

        (1)不良地質(zhì)。如盾構(gòu)掘進(jìn)范圍內(nèi)覆土層存在暗浜以及質(zhì)量較差的回填土,且覆蓋面廣、埋深大,會(huì)減小上覆土的抗力并造成隧道上浮。

        (2)不明的地下構(gòu)筑物。盾構(gòu)上覆土內(nèi)存在不明的地下空腔結(jié)構(gòu),降低了上覆土荷載,應(yīng)采取清障并回填壓實(shí)原狀土的措施。

        (3)具體實(shí)例。虹梅南路隧道東線出洞階段在1~100環(huán)內(nèi)產(chǎn)生了一定的隧道上?。ㄒ妶D2),根據(jù)地質(zhì)勘探資料發(fā)現(xiàn),盾構(gòu)始發(fā)范圍內(nèi)存在一條廢棄的1 650 mm排污管道,其平行于隧道軸線正上方沿推進(jìn)方向延伸;且該范圍地處暗浜回填區(qū)域,經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)開挖取樣發(fā)現(xiàn)大面積的腐殖土位于隧道正上方,厚度達(dá)1~1.5 m。以上不良環(huán)境因素如不及時(shí)處理,會(huì)加劇隧道上浮。

        圖2 隧道上浮地面情況環(huán)境示意圖

        2.2施工內(nèi)在因素

        相比施工外部環(huán)境因素對(duì)隧道上浮的影響,施工內(nèi)在因素對(duì)隧道上浮的影響更大,動(dòng)態(tài)調(diào)整施工參數(shù)對(duì)上浮可起到有效的控制。

        2.2.1泥水后竄

        有道是“寶貝放錯(cuò)了地方就是垃圾”。依我看,“能量”一旦用錯(cuò)了地方,就是“廢品”,甚至是“危險(xiǎn)品”。我們知道,毒品中毒有急性與慢性之分,而慢性中毒更為常見。所謂慢性中毒,是指人體臟器通過吸收毒品,積少成多,慢慢累積,以致形成侵蝕和損害,且中毒所造成的疾病狀態(tài)會(huì)一直伴隨。現(xiàn)實(shí)生活中,一些人因?yàn)椴涣私饴灾卸镜母拍詈臀:Γ楸源笠?,吸毒中毒。鐵的事實(shí)表明,毒品既毒害著社會(huì),也毒害著家庭,更毒害著身體。而像吳業(yè)平這樣的干部,因?yàn)椤澳芰俊庇缅e(cuò)了地方,其造成的危害,并不亞于毒品。

        由于盾構(gòu)整體設(shè)計(jì)成倒錐形,刀盤存在一定的超挖量,所以盾構(gòu)殼體與外界土體存在一定的間隙,如果泥水壓力設(shè)定較高,宜通過該通道后穿至后方成型隧道,造成管片上浮,此時(shí)管片被包裹的介質(zhì)不再是土體中的水體,而是同步漿液和泥水的混合物,比重大,導(dǎo)致脫出盾尾的管片所受的浮力增大。例如,目前大直徑泥水平衡盾構(gòu)泥水比重一般控制在1.2~1.3 kg/m3。如混合同步漿液后將達(dá)到1.5~1.6 kg/m3,相對(duì)于水的浮力增大1.5倍左右。浮力的增大最終導(dǎo)致管片上?。?]。

        泥水擊穿盾尾(見圖3)的關(guān)鍵因素是切口水壓設(shè)定過高,這可以通過地面沉降的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及每環(huán)推進(jìn)的土砂量統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)。如發(fā)現(xiàn)盾構(gòu)切口范圍內(nèi)的地面經(jīng)常出現(xiàn)隆起,且出現(xiàn)連續(xù)幾環(huán)土砂量統(tǒng)計(jì)偏少的現(xiàn)象,就要懷疑盾構(gòu)掘進(jìn)存在欠挖,這時(shí)應(yīng)該及時(shí)降低切口水壓的參數(shù)。否則,較高的切口水壓極易使泥水通過盾殼間隙形成后竄。

        圖3 泥水后穿示意圖

        2.2.2同步注漿

        在管片脫出盾尾時(shí),管片和盾殼間會(huì)產(chǎn)生一定建筑間隙,需立即通過同步注漿進(jìn)行填充,此時(shí)的漿液帶有一定的壓力。同步注漿對(duì)上浮的影響主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn):

        (1)分布在管片周圍的注漿壓力達(dá)到一定程度后會(huì)對(duì)管片造成上浮。如圖4所示,現(xiàn)以配置6根注漿管路的盾構(gòu)為例,上部2根管路和下部2根管路產(chǎn)生的壓力差構(gòu)成了管片的一部分上浮力,左右兩側(cè)對(duì)稱管片正好平衡掉,不參與上浮。

        根據(jù)圖4的受力模型可得出管片的壓力差為[1]

        ΔF=2(q1-q2)Rsinθ

        式中:q1和q2分別為上部和下部的注漿壓力;θ為注漿漿液分布區(qū)域邊界與豎向的夾角。

        圖4 注漿量均勻時(shí)受力示意圖

        從上式可知,注漿壓差決定了動(dòng)態(tài)上浮力的大小,所以合理控制各注漿區(qū)域壓力對(duì)控制上浮有利。

        (2)同步漿液也起到了隔絕正面泥水后竄的作用。同步注漿不僅起到了填充建筑間隙的作用,同時(shí),它也隔絕盾構(gòu)前方后竄的泥水。同步漿液的填充和隔絕效果主要取決于漿液的質(zhì)量和填充的密實(shí)度。

        目前大直徑泥水平衡盾構(gòu)的同步漿液以惰性漿液為主,而非雙液漿,這種漿液的質(zhì)量主要是指其抗剪強(qiáng)度和初凝時(shí)間:抗剪強(qiáng)度的提高有利于控制后續(xù)隧道的上?。怀跄龝r(shí)間則決定了漿液強(qiáng)度形成的時(shí)間,越早建立,強(qiáng)度就能及時(shí)起到抗浮作用和隔絕泥水的作用。

        以虹梅南路隧道為例,使用的同步漿液為惰性單液漿,漿液的組成為砂、粉煤灰、膨潤(rùn)土、外摻劑、石灰以及水。盾構(gòu)始發(fā)階段隧道出現(xiàn)了上浮,后續(xù)對(duì)漿液配比進(jìn)行了調(diào)整,具體調(diào)整的漿液參數(shù)見表1。

        表1 現(xiàn)場(chǎng)同步注漿漿液配合比實(shí)驗(yàn)(每m3)

        從表1可以得出,原漿液中調(diào)整水泥參量會(huì)縮短其初凝時(shí)間,使其提前硬化和建立抗剪強(qiáng)度,隔絕前方的泥水。在一些特殊地段,為了滿足施工需要,需適當(dāng)調(diào)整漿液的配比,添加合適的外加劑來改變漿液的參數(shù)。

        填充的密實(shí)度即同步漿液的壓注量,根據(jù)不同的地層,注漿量須在理論壓注量的基礎(chǔ)上增加一定的充盈系數(shù),一般為110%~150%。由于開挖卸荷,應(yīng)力重新分布,土體向上產(chǎn)生位移,如不能及時(shí)填充建筑間隙,幾種不利因素疊合在一起,勢(shì)必加劇管片上浮的現(xiàn)象。

        2.2.3盾構(gòu)姿態(tài)

        在盾尾間隙均勻的時(shí)候,盾尾密封刷對(duì)管片環(huán)存在一較為均勻的環(huán)向壓力,一般情況下,這些荷載不會(huì)對(duì)管片結(jié)構(gòu)造成影響。但是,當(dāng)盾構(gòu)在曲線段掘進(jìn)、糾偏,或者因其他原因造成盾構(gòu)長(zhǎng)時(shí)間停止掘進(jìn)(造成盾構(gòu)機(jī)“磕頭”發(fā)生)時(shí),盾殼對(duì)管片造成的荷載尤其是擠壓荷載就變得不可忽視,會(huì)造成脫出盾尾處的管片上浮,如圖5所示[3]。

        圖5 盾殼作用力示意圖

        3 抗浮措施的建議

        上述抗浮因素的分析為制定抗浮措施提供了初步的依據(jù),需綜合考慮外部因素和內(nèi)部因素的影響,具體建議如下:

        (1)在盾構(gòu)始發(fā)與到達(dá)前對(duì)周圍環(huán)境和地質(zhì)情況進(jìn)行詳細(xì)勘探,對(duì)不良地質(zhì)情況需預(yù)先進(jìn)行土體改良,對(duì)存在底下空腔結(jié)構(gòu)進(jìn)行清障和回填壓密處理。

        (2)合理設(shè)置泥水參數(shù),尤其是保證黏度指標(biāo),根據(jù)埋深和地面采集的沉降數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)調(diào)整切口水壓,避免因設(shè)定值過高導(dǎo)致泥水后竄。

        (3)核算覆土深度,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件考慮在隧道及盾構(gòu)機(jī)設(shè)備內(nèi)部增加壓載,提高管片的自重以克服上浮力。

        (4)根據(jù)土層特性和隧道埋深設(shè)定合理的注漿壓力以及注漿量,嚴(yán)格控制漿液性能參數(shù),并根據(jù)施工參數(shù)動(dòng)態(tài)調(diào)整。

        4 結(jié) 語

        在軟土地層盾構(gòu)始發(fā)與到達(dá)施工中,當(dāng)管片脫離盾尾后會(huì)出現(xiàn)較明顯的上浮,結(jié)合工程實(shí)例對(duì)上浮的原因進(jìn)行分析和研究,可以確認(rèn)以下幾點(diǎn):

        (1)土體被盾構(gòu)機(jī)開挖卸荷后,應(yīng)力會(huì)重新分布,土體會(huì)產(chǎn)生向上的位移,此時(shí)需及時(shí)對(duì)盾尾間隙進(jìn)行填充,否則會(huì)加劇上浮。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)調(diào)整注漿壓力和注漿量對(duì)制約盾構(gòu)上浮起到重要作用。

        (2)覆土深度對(duì)盾構(gòu)上浮起到了關(guān)鍵的作用,在隧道設(shè)計(jì)過程中需結(jié)合盾構(gòu)設(shè)備特點(diǎn)和地質(zhì)資料對(duì)進(jìn)出洞的埋深予以充分考慮。

        (3)泥水氣平衡盾構(gòu)的功能特點(diǎn)決定了切口水壓和泥水參數(shù)合理設(shè)定能避免盾尾被泥水擊竄,造成泥水后竄,使后續(xù)成型隧道包裹在泥漿中形成較大的上浮力。

        [1]葉飛,朱合華,丁文其,等.施工期盾構(gòu)隧道上浮機(jī)理與控制對(duì)策分析[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2008,36(6):738-743.

        [2]周文博.盾構(gòu)法隧道施工技術(shù)及應(yīng)用[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2004.

        [3]黃威然,竺維彬.施工階段盾構(gòu)隧道漂移控制的研究[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2005,42(1):71-76.

        U455.43

        B

        1009-7716(2016)07-0232-03

        10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.07.068

        2016-03-13

        談曉亮(1983-),男,上海人,工程師,從事大直徑越江隧道工程設(shè)計(jì)、施工工作。

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