盾构施工对上软下硬地层的沉降分析及防控措施 吴健

发表时间:2019/12/18   来源:《建筑模拟》2019年第35期   作者:吴健
[导读] 随着我国城市地下综合管廊建设的不断发展,盾构法施工在综合管廊中的应用也日益普遍。盾构在施工过程中,工程地质条件是影响地层扰动以及变形的重要因素。上软下硬地层是盾构施工中一种常见的复杂地质条件,因上部软弱土体强度较小,稳定性较差,而下部硬岩力学性能较好,盾构在掘进过程中易使盾构姿态失稳,造成土体超挖,引起较大的地层损失,甚至严重的地表沉降等工程问题。本文对盾构施工对上软下硬地层的沉降分析及防控措施进
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        摘要:随着我国城市地下综合管廊建设的不断发展,盾构法施工在综合管廊中的应用也日益普遍。盾构在施工过程中,工程地质条件是影响地层扰动以及变形的重要因素。上软下硬地层是盾构施工中一种常见的复杂地质条件,因上部软弱土体强度较小,稳定性较差,而下部硬岩力学性能较好,盾构在掘进过程中易使盾构姿态失稳,造成土体超挖,引起较大的地层损失,甚至严重的地表沉降等工程问题。本文对盾构施工对上软下硬地层的沉降分析及防控措施进行探讨。
        关键词:盾构法施工;综合管廊;防控措施
       
        一、工程背景
        1、工程概况
        成都轨道交通9号线一期工程范围为金融中心东站~成飞集团站,线路全长约22.18km.本标段为成都轨道交通9号线一期工程土建2标锦城大道站~三元站区间,长约1.9km,隧道直径为6700mm,管片厚度350mm,内径6000mm,环宽1500mm,采用一台直径为6980mm的土压平衡式盾构机。
        2、工程地质
        据地质钻探资料表明,盾构段主要出露①第四系全新统人工填土层②第四系全新统冲积层③第四系上全更新统冰水沉积、冲积层④下伏基岩为白垩系灌口组泥岩。锦城大道站~三元站盾构区间右线始发段地层主要为①<1-2>杂填土②<3-2-2>粉质黏土③<3-8-2>卵石土④<5-1-3>中等风化泥岩。
        锦城大道站~三元站区间场区地表水发育,沿线流经的河流主要有肖家河、栏杆堰,锦城湖。肖家河及栏杆堰已受到人为改造,底部已做防渗处理,以素混凝土铺砌为主,无明显渗漏痕迹,对工程基本无影响。地下水中上层滞水水量小,对地下工程影响较小。该层地下水主要赋存于场区第四系全新统、上更新统的砂、卵石土中,水量较丰富,为孔隙潜水。隧道洞身多位于泥岩中,透水性弱,孔隙水对工程影响小;场区基岩裂隙水主要赋存于岩石强、中等风化带张开型节理、裂隙中,全风化岩含水弱,富水性差,含水量甚微,但不排除局部地段有富水条件,储藏有一定裂隙水,对地下工程有一定影响。本次勘察期间,地下水位埋深一般为3~9m,地下水标高一般在480.31~485.17m,故在模型中设置水位为7m,不考虑地下水与土体的耦合作用。
        3、施工难点
        由于盾构掘进路线中存在同一断面岩性不均一的土体,这给掘进施工造成极大的困难。盾构隧道线路周边管线及建构筑较多,需减少地表沉降以确保众多建构筑物的安全。隧道穿越泥岩软弱夹层以及上软下硬地层,易造成上部土体沉降量过大、刀具磨损严重、盾构纠偏过大等问题。
        二、地表沉降因素的分析以及施工参数的选定
        1、地表沉降因素分析
        在盾构掘进过程中,引起地层损失以及地层固结沉降的因素是极其复杂的,其主要因素可总结为以下几个方面:
        1.1掘进压力
        当盾构推进施工时,挖掘面土体的水平支护力与原始侧应力的平衡关系决定着地表的沉降或隆起。当土体受到的水平支护应力过小时,掘进面上方的土体为弥补地层损失而向隧道内部移动,从而导致土体沉陷;当开挖面土体所受水平支护力大于原始侧应力时,则掘进面上部土体会向前或向上位移,引起掘进面前部土体隆起。
        1.2注浆压力
        当盾构机尾部脱出后,因盾构外径和管片之间存在一定的间隙,造成土体应力松弛,从而引起地层下沉,适宜的注浆压力以及注浆量会在一定程度上对沉降量起到控制作用。其作用效果受注浆压力以及浆液参数等因素影响,如若注浆压力过小,则控制效果不明显,反之,则会导致地表隆起。
        1.3盾构姿态控制
        盾构机在沿曲线或“仰头”推进时,需对盾构的姿态进行连续纠偏,而盾构实际的挖掘面不是规则圆而是椭圆,会导致土体超挖的现象发生,增大了地层损失的可能性,进而引发地表沉降。


        2、模拟土层的选取
        2.1土层复合高度比
        在分析过程中,为了能够更好地对不同比例的上软下硬复合地层进行理解,引用软硬复合地层高度比B的概念。
        软硬复合地层高度比B是指隧道断面软弱部分的高度与隧道断面总高度(隧道直径)之比:B=h/H式中:B为软硬复合地层的高度比;h为上部软弱地层的高度;H为隧道断面总高度。
        2.2分析断面的选取
        当盾构在不同地层中掘进时,为了能够使对比更加直观和简便,选取5个埋深约为18m的典型断面,断面(1)、断面(2)、断面(3)、断面(4)、断面(5)分别相对于隧道位置的55环、58环、61环、64环和66环,其断面的软硬土高度复合比依次为50%、40%、30%、20%、0%。分别在以上管片所对应的位置设置监测点,以轴线为中心,测点以3m、3m、5m的距离相隔。
        三、复合地层中的沉降控制措施
        1、姿态控制应对措施
        ⑴盾尾与主体的连接方式为铰接式,以减小盾构的长径比,使盾构在调节方向时更加灵活。
        ⑵定期人工测量复核为确保盾构机掘进方向的可靠性和精准性,盾构机内装有PLC盾构激光导向系统,该系统能够对盾构掘进姿态、轴线以及位置关系等进行精确的测量和显示。除此之外,对该系统的测量数据进行周期性的人工校核,以确保盾构机能够沿隧道轴线方向掘进。
        ⑶在圆周方向设置4组推进油缸,每组油缸的推进压力可以单独控制调节,方便进行纠偏及偏选油压,以便能够及时准确地调整盾构的姿态和掘进方向。
        ⑷刀盘四周加装8把保径刀,确保刀盘在主切削刀磨损后仍能保证开挖范围,减少盾构姿态纠偏或形成卡筒体情况。
        2、刀盘受力不均的应对措施
        ⑴做好地质勘探的补充工作,在地层起伏交界处进行钻孔取样,查清上软下硬地层的具体情况。在盾构掘进过程中根据碴土情况以及软硬岩的比例,及时调整掘进参数。
        ⑵在上软下硬地层中,因上层土体力学性能相对较差,盾构机姿态易出现上抬现象,应当合理控制千斤顶的推进油压,以确保盾构机能按照设计线路掘进。
        ⑶在上软下硬地段掘进中,盾构机应采用高推力、低转速,以减少刀具与岩土分界面的冲击,以期达到降低磨损的效果。
        3、盾构机具的防磨损措施
        ⑴通过在刀盘前端及土仓内注入足量的流塑状粘土,对刀盘、刀具以及碴土之间起到全面的润滑作用,以达到改善碴土和易性的目的,形成不透水的塑流性土层,建立良好的土压平衡形态,从而减低机具的磨损程度,提高盾构掘进效率。
        ⑵在盾构机选型中适当加大刀盘开率,选用镶嵌合金块的宽刃滚刀和重型齿刀,其中心为鱼尾刀,周边为单刃滚刀,滚刀两侧同一轨迹线加焊贝壳刀来保护滚刀(贝壳刀比滚刀短5~10mm);实践证明此措施能够有效降低无功消耗,提高盾构的掘进效率。
        ⑶推进时采用土压平衡模式掘进,其推进速度、掘进压力以及扭矩等施工参数要根据软硬土比例的不同进行调整和控制,还应经常转换旋转方向。通过严格盾构掘进压力、推进速度、推力以及刀盘扭矩等参数,既可保持开挖面的平衡和稳定,又有利于保护刀具、降低磨损。
        ⑷加强刀盘的整体耐磨性,在刀盘面、进碴口、刀盘轮缘等部位进行焊接耐磨块等处理。
        ⑸进行有计划的刀具检查、更换,根据盾构施工经验,及时根据掘进参数的变化判断刀具的磨损量和适应性。
        ⑹合理调整发泡剂参数,以改善碴土的流动性及降低土仓的温度,能够有效地降低刀具磨损以及偏磨的程度。
        结束语
        盾构在上软下硬地层的掘进过程中,硬土比例越大,其地表沉降值以及管底隆起值越小,反之亦然。最后通过地表沉降的预测做好施工参数的优化,提前通过工程手段做好防护工作,将隐患降到可控范围内。
        参考文献:
        [1]李杰,基于FLAC3D地铁盾构施工引起地表沉降的分析研究[D].邯郸:河北工程大学,2013.
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