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        軟土和砂土液化地層盾構(gòu)隧道修建技術(shù)

        2022-11-09 12:57:58伍偉林
        四川建筑 2022年5期
        關(guān)鍵詞:施工

        伍偉林, 鄒 育

        (1. 佛山市鐵路投資建設(shè)集團(tuán)有限公司,廣東佛山528000; 2. 中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司,四川成都610031)

        軟土和粉細(xì)砂層主要分布于沿海和河流三角洲地區(qū),上海、佛山、寧波等城市是典型的軟土和粉細(xì)砂地區(qū)。目前軟土和砂土液化地層盾構(gòu)隧道施工和運(yùn)營問題較多,盾構(gòu)隧道施工階段中風(fēng)險(xiǎn)主要表現(xiàn)為:在粉細(xì)砂地段存在涌水涌砂、掌子面失穩(wěn)、管片上浮及地表沉降大[1-3];在軟土中姿態(tài)難以控制,易出現(xiàn)“磕頭”和“蛇形前進(jìn)”現(xiàn)象,管片錯(cuò)臺(tái)量大,頂部裂縫多[4-5]。地鐵隧道在運(yùn)營階段中病害主要表現(xiàn)為滲漏水、結(jié)構(gòu)裂縫及損壞、隧道縱向沉降及橫向收斂變形等[6]。如上海一號線自1995年通車至今,最大沉降量超過300 mm,上海全網(wǎng)隧道滲漏水為隧道病害主要類型,占全部病害之比達(dá)71%,結(jié)構(gòu)損傷類病害占比為22%[7-9];引起病害的主要原因有施工過程的質(zhì)量問題、地面區(qū)域沉降、列車振動(dòng)和周邊物業(yè)開發(fā)等[10]。

        為了減少施工及運(yùn)營期間地鐵隧道的病害和風(fēng)險(xiǎn),需對軟土和液化砂層區(qū)域的盾構(gòu)隧道采取更有效的設(shè)計(jì)方法和合理的施工參數(shù)。本文以佛山地鐵二號線一期工程為依托,對軟土和液化砂層區(qū)間盾構(gòu)隧道修建技術(shù)進(jìn)行研究。

        1 工程概況

        佛山地鐵二號線一期工程地下段全長25.31km,共14個(gè)地下區(qū)間,2個(gè)出入段線,地下區(qū)間以盾構(gòu)區(qū)間為主。地下區(qū)間沿線建構(gòu)筑物復(fù)雜,地質(zhì)條件較差,盾構(gòu)隧道主要穿越淤泥(流塑)、軟土(流塑—軟塑)、軟土(流塑—軟塑)、淤泥質(zhì)粉細(xì)砂、淤泥質(zhì)粉土及粉細(xì)砂層等不良地質(zhì),隧道范圍軟土層厚達(dá)20~35 m,其中位于軟土和砂土液化地層的盾構(gòu)隧道約13 km,占全線盾構(gòu)區(qū)間長度51%(圖1)。

        圖1 佛山二號線一期穿越軟土和砂土液化地層典型縱斷面

        2 軟土和砂土液化地層盾構(gòu)隧道關(guān)鍵技術(shù)

        2.1 長期運(yùn)營沉降控制

        2.1.1 隧道設(shè)計(jì)

        (1)隧道平面盡量遠(yuǎn)離重要性建構(gòu)筑及對沉降變形敏感區(qū)段,縱斷面“用足線路縱坡、困難情況下可適當(dāng)考慮加大車站埋深,減少隧道處于軟土和液化砂層地層,盡量讓隧道底位于穩(wěn)定持力地層”。

        (2)深厚軟土或砂土液化地層采用內(nèi)徑6 m盾構(gòu)隧道,較常規(guī)內(nèi)徑5.4 m盾構(gòu)隧道,隧道限界預(yù)留300 mm的變形量,便于運(yùn)營階段調(diào)線調(diào)坡及為后期加固措施預(yù)留空間。

        (3)隧道管片采用錯(cuò)縫拼裝,確保圓環(huán)接縫剛度分布趨于均勻,增加隧道整體空間剛度,更有利于抵抗軟土和砂土液化地層中的隧道結(jié)構(gòu)變形。

        軟弱地層及砂土液化地層中,為了提高襯砌的空間剛度,優(yōu)先采用錯(cuò)縫式。

        (4)在管片接縫之間設(shè)置中空的管狀構(gòu)件——裝配式定位榫,連接螺栓從管狀構(gòu)件中穿過,并與管狀構(gòu)件協(xié)同變形(圖2)。

        圖2 裝配式定位榫安裝順序示意

        湖綠區(qū)間右線隧道有20環(huán)管片應(yīng)用了定位榫,使用帶定位榫的管片平均錯(cuò)臺(tái)量由10~15 mm減少為3~5 mm,且無滲漏水點(diǎn),拼裝質(zhì)量較其他管片有較明顯的提高,同時(shí)通過對采用定位榫前后各20環(huán)成型隧道圓度進(jìn)行測量發(fā)現(xiàn),定位榫段管片橢變更小(圖3)。

        圖3 定位榫安裝對管片圓度的影響

        2.1.2 地層加固設(shè)計(jì)

        當(dāng)隧道軌面線以下無法避開軟土和砂土液化砂層時(shí),需要對隧道周邊地層進(jìn)行加固處理。在地面有條件的情況下,優(yōu)先采用了地面加固措施,保證加固質(zhì)量。當(dāng)?shù)孛鏌o條件,且隧底軟土或砂土液化地層小于3 m時(shí),可采用洞內(nèi)注漿加固。

        針對深厚軟弱下臥層區(qū)段隧道,全斷面加固造成大量浪費(fèi),采用上部格柵+下部點(diǎn)陣的加固方式,垂直于線路方向的三軸攪拌樁加固深度為地面至穩(wěn)定地層以下1 m,平行于線路方向攪拌樁加固深度為拱腰以上3 m至隧底以下3 m(圖4、圖5)。

        圖4 上部格柵+下部點(diǎn)陣式三軸攪拌樁加固平面

        圖5 上部格柵+下部點(diǎn)陣式三軸攪拌樁加固剖面

        除軟土和砂土液化地層段,針對軟硬地層起伏較大或者車站與區(qū)間過渡區(qū)段,為了防止基底剛度差異較大引起差異沉降,導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)損壞,隧道加固方案應(yīng)與車站基底加固方案保持一致。同理,處于軟土和砂層液化地層聯(lián)絡(luò)通道加固方案應(yīng)該兼顧盾構(gòu)隧道加固。

        通過建立三維有限元模型,研究列車振動(dòng)荷載作用下,砂土液化地層改良前后隧道長期不均勻沉降變化。從圖中可以看出,砂土液化地層中隧道沉降量會(huì)隨著時(shí)間增加不斷地緩慢累計(jì),在運(yùn)營初期發(fā)展較快,隨著運(yùn)營時(shí)間的增加,沉降發(fā)展逐漸變緩。當(dāng)對砂土液化地層進(jìn)行加固處理后,隧道結(jié)構(gòu)的長期沉降值明顯減少(圖6)。

        圖6 砂土液化地層隧道沉降與運(yùn)營時(shí)間關(guān)系曲線

        2.2 施工過程風(fēng)險(xiǎn)控制

        軟土和砂土地層盾構(gòu)施工過程考慮的主要風(fēng)險(xiǎn)在于聯(lián)絡(luò)通道開挖,盾構(gòu)始發(fā)、接收和盾構(gòu)正常掘進(jìn),其中聯(lián)絡(luò)通道開挖和盾構(gòu)始發(fā)、接收的安全與加固質(zhì)量有關(guān),盾構(gòu)正常掘進(jìn)與盾構(gòu)選型和盾尾刷的密封性有較大聯(lián)系。

        2.2.1 聯(lián)絡(luò)通道加固

        二號線一期全線共7個(gè)聯(lián)絡(luò)通道位于砂層中,5個(gè)位于淤泥質(zhì)土層中。當(dāng)聯(lián)絡(luò)通道位于軟土地層時(shí)采用地面三軸攪拌樁加固,而對砂層地段聯(lián)絡(luò)通道,需再增加外包素連續(xù)墻,并素連續(xù)墻內(nèi)設(shè)置降水井。加固范圍都為結(jié)構(gòu)平面輪廓外擴(kuò)3 m,素連續(xù)墻深度由地面至進(jìn)入不透水層1 m(圖7)。

        圖7 聯(lián)絡(luò)通道端頭加固設(shè)計(jì)方案

        在地面加固實(shí)施后,并不能保證砂層地層聯(lián)絡(luò)通道施工安全,在進(jìn)行抽芯時(shí)發(fā)現(xiàn)芯樣中存在大量未加固的砂層,且水平探孔時(shí)部分探孔存在涌水涌砂情況,后通過采用地面注漿或冷凍法加固方才保證聯(lián)絡(luò)通道的施工安全。

        針對富水砂層地段聯(lián)絡(luò)通道,建議優(yōu)先采用冷凍法加固法,既避地面加固效果難以保證,又可以減少管線遷改和交通疏解。

        2.2.2 端頭加固

        二號線一期全線共10個(gè)端頭含砂層,6個(gè)端頭位于淤泥質(zhì)土層中,盾構(gòu)區(qū)間端頭位于軟弱地層時(shí),采取三軸攪拌樁加固;當(dāng)端頭范圍存在砂層時(shí),新增外包素混凝土墻+一排旋噴樁咬合的加固方案,三軸攪拌樁加固范圍都為隧道上下左右各外擴(kuò)3 m,素連續(xù)墻深度由地面至進(jìn)入不透水層1 m。盾構(gòu)始發(fā)加固體厚度為10 m,盾構(gòu)接收加固體厚度為10.8 m(圖8)。

        圖8 盾構(gòu)端頭加固設(shè)計(jì)方案

        在地面加固實(shí)施后,并不能保證砂層地段的盾構(gòu)端頭安全,水平探孔時(shí)洞門處均發(fā)生了涌水涌砂,后通過地面補(bǔ)償注漿加固或鋼套筒才保證了盾構(gòu)安全始發(fā)、接收。

        針對位于砂層的盾構(gòu)端頭,地面攪拌樁加固效果不佳,采用鋼套筒始發(fā)、接收更有利于保證施工安全。

        2.2.3 盾構(gòu)選型設(shè)計(jì)

        結(jié)合工程地質(zhì)及水文條件、周邊環(huán)境及施工場地等因素選用不同的盾構(gòu)機(jī),針對滲透性和地下水壓力較大的地層,優(yōu)先采用泥水平衡盾構(gòu)。當(dāng)場地條件受限的情況時(shí),通過對土壓平衡盾構(gòu)設(shè)置防噴涌裝置,采用雙螺旋輸送機(jī)、加強(qiáng)盾構(gòu)密封等措施,也能保證盾構(gòu)施工過程的安全,但地表變形將加大。

        2.2.4 冷凍法更換盾尾刷設(shè)計(jì)

        盾構(gòu)正常掘進(jìn)時(shí),盾尾刷是保證盾構(gòu)內(nèi)部與外部隔離的一道重要的安全屏障,由于盾尾刷養(yǎng)護(hù)不當(dāng)或盾尾刷使用時(shí)間過長等原因,在盾尾刷密封性效果差的時(shí)候需要及時(shí)進(jìn)行更換,特別是在砂層地段容易出現(xiàn)重大安全事故。而地面加固在深厚砂層地段加固效果又難以保證,盾尾刷更換過程中又存在較大安全風(fēng)險(xiǎn)。

        湖綠區(qū)間右線隧道盾構(gòu)機(jī)采用4道盾尾刷,其中第1道、2道為可更換式,設(shè)計(jì)考慮了一次冷凍法更換盾尾刷。通過在預(yù)設(shè)的盾尾設(shè)置一塊全環(huán)鋼管片,利用鋼管片預(yù)留的水平孔凍結(jié)加固地層,使盾尾外圍土體凍結(jié),形成強(qiáng)度高,封閉性好的凍結(jié)帷幕,阻止盾尾滲漏到盾構(gòu)隧道內(nèi)。在凍結(jié)體取芯孔無滲漏,整體凍結(jié)效果良好,進(jìn)行盾尾刷更換。湖綠區(qū)間右線隧道盾尾刷更換過程地面沉降小于3 mm,整體風(fēng)險(xiǎn)可控(圖9)。

        圖9 冷凍鋼管片測溫孔及取芯孔位置

        2.3 施工參數(shù)控制

        結(jié)合盾構(gòu)在軟土及砂土地層掘進(jìn)經(jīng)驗(yàn),盾構(gòu)施工過程同步注漿壓力為0.2~0.5 MPa,二次注漿壓力為0.3~0.4 MPa,注漿量往往達(dá)到理論計(jì)算空隙量的180%~200%,采用注漿壓力和注漿量雙指標(biāo)控制標(biāo)準(zhǔn)。

        針對砂層中產(chǎn)生管片上浮的現(xiàn)象,同步注漿的水泥砂漿配合比適當(dāng)增加水泥摻量,采用早強(qiáng)水泥,減少膨潤土的摻量;二次注漿材料選用水泥-水玻璃雙液漿。砂層地層盾構(gòu)掘進(jìn)過程中對盾尾第4環(huán)管片進(jìn)行二次注漿,注漿點(diǎn)位主要在1點(diǎn)或者11點(diǎn)位置,避開封頂塊位置,注漿量按照每環(huán)0.2~0.3 t水泥,通過雙液注漿使管片盾尾同步注漿快速凝固,增加管片頂部抵抗力,抵抗管片的浮力。

        除注漿參數(shù),在軟土和砂土地層的盾構(gòu)機(jī)自身掘進(jìn)參數(shù)也非常重要,軟土和砂土地層的盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)參考值見表1。

        表1 軟土和砂土地層的盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)參考值

        3 現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)

        軟土和砂土地層盾構(gòu)隧道施工過程除了保證自身安全,還需要保證周邊環(huán)境的安全,并通過地面監(jiān)測情況及時(shí)調(diào)整盾構(gòu)施工參數(shù)。根據(jù)軟土和砂土地層的盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)參考值,對未采用地面加固的位于全斷面淤泥質(zhì)土或粉細(xì)砂層盾構(gòu)隧道和采用地面加固的深厚淤泥質(zhì)土盾構(gòu)隧道的掘進(jìn)過程進(jìn)行地表沉降監(jiān)測分析。

        粉細(xì)砂地層盾構(gòu)隧道掘進(jìn)過程中,地表沉降主要發(fā)生在盾構(gòu)刀盤前后10環(huán),即盾構(gòu)刀盤和盾尾脫出盾構(gòu)機(jī)階段,盾構(gòu)通過后地表沉降很快趨于穩(wěn)定,穩(wěn)定后最大沉降約29.2 mm,如圖10所示,滿足規(guī)范要求的30 mm控制值。

        圖10 粉細(xì)砂層盾構(gòu)掘進(jìn)縱向地表沉降時(shí)程曲線

        淤泥質(zhì)土盾構(gòu)掘進(jìn)過程中,刀盤前方土體會(huì)發(fā)生隆起,刀盤后方土體出現(xiàn)沉降。如圖11所示,刀盤后方15環(huán)地表沉降發(fā)展較快,15環(huán)以后的地面沉降仍在繼續(xù)發(fā)展,即管片脫出盾尾后,所產(chǎn)生的地層沉降占施工導(dǎo)致的地層沉降的絕大部分,同時(shí)受盾構(gòu)施工擾動(dòng)的淤泥質(zhì)土固結(jié)時(shí)間長,后續(xù)地表沉降持續(xù)增大。

        圖11 淤泥質(zhì)土層盾構(gòu)掘進(jìn)縱向地表沉降時(shí)程曲線

        當(dāng)淤泥質(zhì)土層采用地面三軸攪拌樁進(jìn)行上部格柵+下部點(diǎn)陣的加固方式后,由于加固區(qū)非滿堂加固,盾構(gòu)掘進(jìn)過程中掌子面的地層會(huì)不斷變化,強(qiáng)度差異較大,導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)土倉內(nèi)壓力難以控制。如圖12所示,由于盾構(gòu)前方未加固的土體受到一定擠壓而出現(xiàn)較大的隆起,最大隆起量約7.8 mm,而當(dāng)管片脫出盾尾后,地表沉降迅速發(fā)生沉降,但最終沉降量相對較少,最大沉降約5.3 mm,且盾構(gòu)通過后地表沉降很快趨于穩(wěn)定,體現(xiàn)了地面加固的效果。

        圖12 加固后的淤泥質(zhì)土層盾構(gòu)掘進(jìn)縱向地表沉降時(shí)程曲線

        4 結(jié)束語

        軟土及砂土液化地層盾構(gòu)隧道存在施工階段風(fēng)險(xiǎn)大、運(yùn)營過程變形大的問題。通過對佛山地鐵二號線一期工程的建設(shè)過程進(jìn)行研究和總結(jié),得出一套適合軟土及砂土液化地層修建盾構(gòu)隧道的方法:

        (1)軟土及砂土液化盾構(gòu)隧道施工過程地面變形也較大,采用地面加固后沉降發(fā)展很快趨于穩(wěn)定,但仍存在地表沉降和隆起現(xiàn)象,區(qū)間隧道設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量位于穩(wěn)定持力地層中。

        (2)深厚軟土地層盾構(gòu)隧道除采用加固措施外,建議加大隧道內(nèi)徑,方便后續(xù)調(diào)線調(diào)坡及后續(xù)隧道加固。

        (3)軟土及砂土液化管片采用定位榫進(jìn)行拼裝,減少了軟弱地層中管片拼裝過程中的錯(cuò)臺(tái)量和滲漏水病害,提高成型隧道質(zhì)量,保證了管片耐久性。

        (4)砂層地層中三軸攪拌樁加固效果不佳,位于砂層地層中的聯(lián)絡(luò)通道建議優(yōu)先采用冷凍法加固,位于砂層地層中的盾構(gòu)端頭優(yōu)先采用鋼套筒始發(fā)、接收。

        (5)盾尾刷為盾構(gòu)掘進(jìn)過程中最后一道安全保證,對長距離位于砂層中的盾構(gòu)隧道建議增加冷凍法更換盾尾刷。

        針對軟土及砂土液化地層隧道的運(yùn)營沉降,目前只局限于理論計(jì)算模擬,最終的效果有待長期運(yùn)營的檢測。

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