郝志強(qiáng) 馬 林 陳 林 祝煦益 勾承藻
中國水利水電第七工程局有限公司 四川 成都 610213
近年來,隨著城市軌道交通的發(fā)展,國內(nèi)巖溶地區(qū)大量運(yùn)用盾構(gòu)法修建區(qū)間隧道。然而在盾構(gòu)施工過程中,脫出盾尾的管片常出現(xiàn)局部或整體上浮現(xiàn)象[1-2],且由于巖溶地層中裂隙發(fā)育、地下水豐富等特征,巖溶區(qū)盾構(gòu)管片上浮問題相較于一般地層更加突出。
為解決巖溶地層對隧道管片的影響問題,減少管片上浮帶來的錯(cuò)臺(tái)、開裂、破損及滲漏水等質(zhì)量病害,提高隧道的耐久性,不少學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究。
劉敦文等[3]通過云模型和安全評價(jià)方法,建立巖溶-侵蝕地質(zhì)條件下的管片上浮影響因素評價(jià)體系,基于湘江隧道工程研究施工期管片上浮的影響因素,并提出了控制盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)速度及軸線偏差等針對性措施。
吳鎮(zhèn)[4]對盾構(gòu)穿越灰?guī)r巖溶上浮段所存在的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了分析,并從地層處理、盾構(gòu)掘進(jìn)模式及參數(shù)選擇、渣土改良三方面采取控制措施以保證施工質(zhì)量。
宮海光[5]基于廣州地鐵5號線管片上浮問題,從把控同步注漿施工質(zhì)量、及時(shí)進(jìn)行二次注漿等方面提出了控制措施。
代昂[6]根據(jù)上海地鐵7號線及武漢長江越江隧道的實(shí)測數(shù)據(jù),將管片上浮問題總結(jié)為漿液浮力、泥漿后竄、上覆土反向壓縮等因素的影響。
上述研究結(jié)合實(shí)際工程,提出了巖溶區(qū)管片上浮的影響因素及控制措施,取得了豐富的成果,但對巖溶地層的針對性分析不多且實(shí)測數(shù)據(jù)較少。
為進(jìn)一步分析巖溶地層裂隙發(fā)育、地下水儲(chǔ)存豐富等特殊條件對盾構(gòu)隧道管片上浮的影響,本文以南京軌道交通工程巖溶集中段為背景,結(jié)合實(shí)測管片姿態(tài)數(shù)據(jù)及現(xiàn)場質(zhì)量檢查結(jié)果,分析其施工期管片上浮因素并提出相應(yīng)控制措施。
南京軌道交通工程巖溶段區(qū)間長739.1 m,其隧道埋深范圍為12.9~23.44 m,地面無重要建筑物。選用鐵建重工DZ422復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機(jī),隧道開挖直徑6 410 mm,管片內(nèi)徑5 500 mm、厚度350 mm、長1 200 mm。隧道右線的地質(zhì)剖面及管片布設(shè)情況如圖1所示。
根據(jù)勘察資料,盾構(gòu)掘進(jìn)范圍內(nèi)地層主要為粉質(zhì)黏土、中風(fēng)化泥質(zhì)灰?guī)r及花崗巖。其中第220~605環(huán)為中風(fēng)化泥質(zhì)灰?guī)r區(qū)段,區(qū)間內(nèi)巖溶發(fā)育(圖1中橢圓形區(qū)域),鉆孔巖溶遇洞率為86.86%,溶洞高度在0~3 m內(nèi)的占84%,溶洞平均充填率達(dá)75%,充填物主要為軟塑-可塑狀黏土及粉質(zhì)黏土。巖土層變化大,軟硬不均,局部有破碎帶及裂隙發(fā)育段。區(qū)間內(nèi)地下水埋深為1.2~4.3 m,其類型主要為孔隙潛水、基巖裂隙水和巖溶溶隙水。具有承壓性的巖溶、裂隙水主要賦存于泥質(zhì)灰?guī)r(弱透水)中,在施工影響下易產(chǎn)生滲透破壞。
圖1 區(qū)間右線地質(zhì)剖面及管片布設(shè)
當(dāng)盾構(gòu)施工位于右線隧道0.427 5%上坡段時(shí),第272~300環(huán)管片在脫離盾尾后向上垂直位移較大,部分管片上浮量達(dá)40 mm,接近施工控制上限,如圖2所示。圖2中縱坐標(biāo)正值代表管片上浮量。該范圍內(nèi)隧道呈現(xiàn)整體上浮趨勢,結(jié)合現(xiàn)場檢查管片質(zhì)量,未發(fā)現(xiàn)有明顯錯(cuò)臺(tái)、破損問題。
圖2 右線隧道220~300環(huán)施工期管片上浮量
由圖1、圖2可看出,隧道自第270環(huán)起進(jìn)入具有探明溶洞的中風(fēng)化泥質(zhì)灰?guī)r層,其管片上浮量也逐漸開始增加,并從第280環(huán)開始保持在一個(gè)較高數(shù)值。根據(jù)地勘資料,上述泥質(zhì)灰?guī)r區(qū)段局部有破碎帶及裂隙發(fā)育段,其中的灰?guī)r破碎裂隙及溶洞溶隙給該層地下水提供了儲(chǔ)水條件及運(yùn)輸通道。
此外,該區(qū)段施工前后降雨豐富,為地下水的富集提供了條件,且該層地下水局部受完整灰?guī)r及上覆粉質(zhì)黏土層隔擋,顯現(xiàn)承壓特性。在上述地質(zhì)條件下,具有承壓性的巖溶、裂隙水在盾構(gòu)開挖擾動(dòng)下易產(chǎn)生滲透破壞并導(dǎo)致管片上浮。
通過現(xiàn)場質(zhì)量檢查(表1)可見,區(qū)間管片質(zhì)量問題主要為滲漏水,且滲漏水位置多見于拱頂,如圖3所示。為解決地下水對管片質(zhì)量的影響,選擇對隧道上浮區(qū)域的管片定期進(jìn)行開孔放水。實(shí)踐發(fā)現(xiàn),管片周圍水壓大且泄壓時(shí)間長,印證了本推論的合理性。
表1 隧道右線170~330環(huán)管片質(zhì)量檢查記錄
圖3 巖溶、裂隙水引起的管片滲漏問題
經(jīng)調(diào)查,前期同步注漿采用惰性漿液。該漿液強(qiáng)度低,初凝時(shí)間長,且穿越地層巖溶、裂隙水問題嚴(yán)重,漿液在初凝前易被稀釋。
一方面,低強(qiáng)度、未凝結(jié)的漿液無法對管片提供約束作用,漿液對管片的浮力將直接導(dǎo)致上浮問題;另一方面,該區(qū)段巖層破碎、巖溶高度發(fā)育且存在連通現(xiàn)象,在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)開挖和軌道車運(yùn)行的振動(dòng)影響下,未凝固漿液易發(fā)生離析并被擠至地層間隙中,造成漿液流失,進(jìn)一步加劇了隧道管片上浮問題。
針對該現(xiàn)象,通過配制初凝時(shí)間短、早期強(qiáng)度高的硬性漿液以抵抗開挖后地層收縮對管片產(chǎn)生的不均勻壓力[7],并保證漿液具有和易性且硬化后體積收縮率、滲透系數(shù)小,以便更好地固定管片。為增加注漿材料稠度、縮短初凝時(shí)間,對注漿材料配比進(jìn)行調(diào)節(jié)并制備了多組實(shí)驗(yàn)試塊(圖4),最終通過比選獲得了較優(yōu)的配比。
在盾構(gòu)施工過程中,注漿壓力通常取1.1~1.2倍靜止土壓力[8],該區(qū)段靜止土壓力約為0.21 MPa,故其注漿壓力應(yīng)設(shè)置為0.231~0.252 MPa。
通過對隧道右線第250~300環(huán)的同步注漿壓力及注漿量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(圖5)后可以看出,每環(huán)管片平均注漿量為3.5 m3,符合設(shè)計(jì)要求;注漿壓力為0.10~0.22 MPa,小于理論值。
圖4 制作注漿材料試樣
圖5 右線隧道250~300環(huán)管片同步注漿壓力及注漿量
同時(shí),管片自第250環(huán)便出現(xiàn)整體上浮趨勢,但后續(xù)盾構(gòu)施工過程中仍保持下點(diǎn)位注漿壓力略大于上點(diǎn)位注漿壓力,兩者的最小壓力差為0.01 MPa,最大壓力差為0.1 MPa,該注漿壓力差給管片提供了向上的作用力,增大了隧道管片上浮的效果。
綜上,應(yīng)在綜合考慮注漿壓力不致對周圍土體引起較大擾動(dòng)、不影響管片結(jié)構(gòu)正常使用性能的前提下,增大上下注漿壓力差,并保證上部注漿點(diǎn)位注漿壓力(1#、4#)大于下部注漿點(diǎn)位(2#、3#),如圖6所示,此時(shí)壓力差豎直向下,可抵抗部分管片上浮力,起到抑制隧道上浮的作用。
盾構(gòu)施工過程中曾對表1中發(fā)生滲漏的管片進(jìn)行二次補(bǔ)充注漿,注漿量約為1 m3/環(huán)。但由于注入的水泥單漿液易被地下水稀釋,導(dǎo)致漿液及地下水在注漿位置與盾尾間流動(dòng),使成形的隧道管片受到額外浮力作用,增大了管片上浮效果。
針對該問題,對于已發(fā)生管片嚴(yán)重上浮的區(qū)段,將二次注漿材料換為瞬凝雙漿液,每推進(jìn)3~5環(huán)便停機(jī)進(jìn)行二次注漿,且壓注順序應(yīng)遵循沿隧道坡度方向,從隧道拱頂至兩腰,最后壓注拱底的原則。終注指標(biāo)應(yīng)以打開拱底注漿孔時(shí)無滲水為標(biāo)準(zhǔn),防止盾構(gòu)恢復(fù)掘進(jìn)后管片繼續(xù)上浮。
對于隧道整體上浮現(xiàn)象,可采用局部注漿措施以到達(dá)環(huán)箍的效果。
圖6 盾構(gòu)注漿點(diǎn)位示意
根據(jù)圖7中的管片姿態(tài)曲線,可以發(fā)現(xiàn)區(qū)間隧道在第220~300環(huán)范圍內(nèi)垂直及水平方向位移均呈現(xiàn)波浪形變化,這與盾構(gòu)實(shí)際操作存在較大關(guān)系。
圖7 右線隧道220~300環(huán)管片姿態(tài)曲線
在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中,隨著盾構(gòu)千斤頂總推力的豎向分力增加,隧道上浮趨勢增加[9],且其分力大小受千斤頂總推力、盾構(gòu)掘進(jìn)線路設(shè)計(jì)坡度值以及盾構(gòu)機(jī)俯仰角的影響。
但千斤頂總推力要與地層相匹配,不可過度調(diào)節(jié);而隧道線形在設(shè)計(jì)階段已經(jīng)確定,亦不可改變其坡度值。綜上,可控制盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)在一定范圍內(nèi)改變以減小管片上浮趨勢。
當(dāng)前述控制措施均已采取但隧道仍發(fā)生較大上浮時(shí),可通過將隧道實(shí)際掘進(jìn)軸線維持在設(shè)計(jì)軸線以下一定高度的措施以控制管片上浮。
本文從巖溶地層盾構(gòu)隧道施工期管片上浮問題出發(fā),結(jié)合實(shí)際工程,通過施工數(shù)據(jù)分析、理論驗(yàn)算以及現(xiàn)場質(zhì)量檢查等方法,總結(jié)其施工期管片上浮因素并提出相應(yīng)的控制措施,具體如下:
1)巖溶地層裂隙發(fā)育、地下水儲(chǔ)存豐富,具有承壓性的巖溶、裂隙水在盾構(gòu)開挖擾動(dòng)下易產(chǎn)生滲透破壞并導(dǎo)致管片上浮,可通過對管片各部位定期開孔放水以減少該影響。
2)同步注漿材料的配合比、注漿壓力及注漿量均會(huì)對管片上浮產(chǎn)生不同程度的影響。針對巖溶地層的裂隙及地下水問題,應(yīng)選擇初凝時(shí)間短、早期強(qiáng)度高的硬性漿液,以保證上部注漿壓力略大于下部,從而達(dá)到抑制隧道上浮的目的。
3)為避免地下水對二次注漿效果的影響,其注漿材料應(yīng)選用瞬凝雙液漿,并采取定期有序壓注的方式;同時(shí)可采用局部注漿措施以實(shí)現(xiàn)環(huán)箍效果,從而控制隧道的整體上浮。
4)可通過調(diào)整盾構(gòu)姿態(tài)或?qū)?shí)際掘進(jìn)軸線維持在設(shè)計(jì)軸線下一定高度,以控制管片上浮趨勢。