砂卵石地层下盾构过浅覆土路段施工技术.docx

砂卵石地层下盾构过浅覆土路段施工技术宋修元(中铁十三局集团第二工程有限公司 广东深圳518083 )摘 要 以成都地铁区间隧道的工程为例 ,阐述了富水砂卵地层条件下盾构机通过浅覆土路段地层破坏机理 ,同时用有限元软件 p laxis进行了数值模拟分析 ,研究发现盾构机过浅覆土路段对地层扰动性较大 ,施工安全系数低 ,必须采取加固土体 、改善盾构掘进参数等一系列施工安全性的控制措施 。关键词EPB 盾构 砂卵石地层 破坏机理 浅覆土中图分类号U23113文献标识码B文章编号100924539 ( 2009) 0920106 204C on struc t ion M ea sure s of the Sh ie ld through Sha llow C over in gSec t ion un der San dy Gra ve l Form a t ionS o n g X iu yu a n( Ch ina R a ilway 13 th B u reau Group Co. L td. , Shenzhen 518083 , Ch ina)A b stra c t B a sed on the tunne l p ro jec t of Chengdu m e tro sec tion, the fa ilu re m echan ism of the sh ie ld th rough sha llow cov2 e ring sec tion unde r wa te r2rich sandy grave l fo rm a tion is e labo ra ted in de ta il and the num e rica l sim u la tion ana lysis is done by fin ite e lem en t softwa re p laxis. The re su lt show s tha t, when the sh ie ld p a ssing th rough sha llow cove ring sec tion, it w ill cau se heavy d istu rbance and low con struc tion safe ty fac to rs. The refo re, the con tro lling m ea su re s fo r con struc tion safe ty such a s so il m a ss con so lida tion, p a ram e te rs of sh ie ld d riving imp rovem en t and so on m u st be taken.Key word s EPB sh ie ld; sandy grave l fo rm a tion; fa ilu re m echan ism; sha llow cove ring人民中路敷设 ,共 3个区间 ,即人民北路站 文武路站区间 、文武路站 骡 马市 站 区间 、骡 马市 站 天 府广场站区间 。区间大部分采用盾构法施工 ,全长4 799. 09单线延米 。隧道线路间距为 11 15 m ,埋 深 1520 m。临近车站区 间拱 顶 覆土 厚度 6. 8 9. 2 m ,属浅覆土路段 , 主要穿越人工填土层 、粉质 黏土层 、稍密卵石土层 、稍密卵石土层 、稍密卵石土 层 、强风化泥岩层 。1引言在城市地铁工程的修建中 ,盾构法隧道施工技术以其独有的智能化 、安全 、快捷 、地层适用性广等 特点与优势 ,越来越多的得到推广和应用 。虽然盾 构法取得了斐然成绩 ,但此法施工不可避免引起地表沉降 ,尤其是当隧 道 埋深 较浅 , 盾 构推 进 对地 层 的扰动更为明显 。地表沉降过大 ,会影响盾构隧道 的安全施工和建筑物 的 正常 使用 。当产 生 不可 控 的局部超 挖 时 , 拱 顶 浅 覆 土 更 容 易 引 起 开 挖 面 失 稳 ,甚至地表坍塌 。成都地铁 1 号线一期区间段沿人民北路南部和2土压平衡盾构基本工作原理及砂卵地层破坏机理分析2. 1E PB 盾构基本工作原理盾构法的 基本 工作 原 理就 是一 个 圆柱 体的 钢 组件沿隧洞轴线边向前推进边对前 方 土体 进行 挖收稿日期 : 2009 07 20铁道建筑技术RA ILW A Y CO N S TRU C T IO N TEC HNO LO G Y 2 00 9 ( 9)106隧道 /地下工程掘的一种暗挖工法 。该圆柱体组件的壳体 (护盾 )对挖掘出的尚未施加衬砌的隧洞段 起着 临 时支 撑 的作用 ,承受 周 围土 层及 地下 水 的压 力 。挖 掘 、排 土 、衬砌等作业在护盾的掩护下进行 。盾构法施 工主 要由 稳定 开 挖面 、挖 掘 及 排 土 、衬砌 (包括壁后注浆 )三大要素组成 ,其中开挖面的 稳定方法是其工作原 理 的主 要方 面 。土 压 盾构 又 称削土密闭式或泥土加压式盾构 ,它的前端有一个 全断面切削刀盘 ,切削刀盘的后面有一个贮留切削 土体的密封舱 ,在密封舱中心线下部装置长筒形螺 旋输送 机 , 输 送 机 一 头 设 有 出 入 口 , 如 图 1 所 示 。 所谓土压平衡就是密封舱中切削下 来的 土 体和 泥 水充满密 封 舱 , 并 具 有 适 当 压 力 与 开 挖 面 土 压 平 衡 , 以减少对土体的扰动 ,控制地表沉降 。图 2 E PB 盾构正面失稳类型一( 2 )在这种类型中 ,破坏蔓延到了地表 ,形成了一个与地表连通的通道 ,在地表呈现出泡沫状的形 态 。开挖面的失稳引起了周围地层的附加变形 ,可 能对周围既有建筑 物造 成破 坏 。在 河 流或 者湖 泊 的底部以及在土层易液化路段 ,将形成连通的水流 通道 , 造成 隧 道的 涌水 或 地表 大面 积 坍塌 , 如 图 3所示 。图 3 E PB 盾构正面失稳类型二图 1 E PB 盾构开挖面平衡基本工作原理2. 2 盾构穿越砂卵地层破坏机理分析成都地层岩体松散 ,无胶结 ,自稳能力差 ,单个 石块强度高 ,卵石块在地层中起骨架作用 。砂卵石 地层是一种典型的力学不稳定地层 ,颗粒之间的空隙大 ,没有粘聚力 ,砂卵石地层在无水状态下 ,颗粒之间点对点传力 ,地层反应灵敏 ,刀盘旋转切削时 , 地层很易破坏原来的相对稳定或平 衡状 态 而产 生 坍塌 ,引起较大的地层变动和围岩扰动 。根据地质 勘察资料 ,论文研究 路 段主 要穿 越富 水 、砂 卵石 地 层 。此地层具有 含 水量 大 、透水 性强 、砂 卵 石起 骨 架作用 、结构松散的特点 。结合以往实际施工经验 ,土体破坏可以总结为 以下两种类型 。( 1 )土体的主要破坏发生在邻近盾构切口的附 近 。土层的塌方会影响刀盘的转速 ,从而影响了盾 构掘进的速度 ;同时土层移动破坏了土体之间原始的应力平衡状态 ,严重会造成后期沉降过大 ,如图 2所示 。铁道建筑技术 RA ILW A Y CO N S TRU C T IO N TEC HNO LO G Y关于开挖面的 破 坏形 态 , 剑桥 大 学 M a ir. R. J.等人也做了一些研究 ,认为盾构开挖面破坏形态是 泡状的 ,应变主要集中 在泡 的边 界 面上 , 在 盾构 开 挖面的前方大小只有盾构直径的一半大 ,在距离盾 构面一个 直 径 距 离 的 地 方 , 泡 状 再 继 续 结 合 在 一 起 。盾构埋深越深 ,泡能够闭合并且面的稳定性也 能得到保证 ,在更浅的埋深时 ,泡不能闭合 ,盾构的 横截面表明泡的内部没有任何变形 ,不同的埋深与 盾构直径的比值影响到开挖面的破坏形态 。3盾构穿越浅埋路段有限元数值模拟及施工技术措施3. 1 模型情况有限元模型采用岩土工程软件 PLAX IS 建立 , 几何对象用采用平面应变模型 ,有限元网格基于 15 节点单元 。计算土层区域横向取 60 m ,纵向 30 m。 土体采用 Moh r2Cou lom b 弹塑性屈服准则 。隧道 衬2 00 9 ( 9)107隧道 /地下工程砌与土体的相互作用则是通过在模 型隧 道 表面 设置古德曼接触面单元并选取合理的 虚拟 厚 度因 子 及强度折减因子模拟 。模型 底 部施 加完 全 固定 约 束 ,在两侧施加竖直 滑 动约 束 , 模型 表面 则 取为 自 由边 界 , 隧 道 外 径 6. 0 m , 内 径 5. 3 m , 隧 顶 埋 深6. 8 m ,根据以往工程经验 ,此范围能够满足工程研 究需要 。计算参数见表 1和表 2。表 1 土层参数图 5 加固前土体位移云图 (最大位移 4 4. 91 m m )图 6 加固后拱顶土体位移曲线 (最大位移 41. 26 m m )3. 2 控制措施由上可以看出 ,砂卵石地层下盾构过浅覆土路 段存在较大风险 , 如产 生不 可控 的 局部 超挖 , 将 引起很大沉降 ,威胁周边环境安全 。结合以往盾构掘 进经验 ,控制主要遵循四个原则 : 超前加固 、严格控 制出渣量 、保证注浆 (含二次注浆 ) 回填饱满 、加强 地面监测分析 。( 1 )超前加固方面 。通过前检查盾构机各主要 部件 ,开仓检查刀具磨 损情 况 , 确保 盾 构机 不停 机 连续通过 ,盾构通过速度控制在 3040 mm /m in,同 时通过地面注浆的方式加固盾构范围 4 m 内土体 。( 2 )严格控制出 渣量 。派专 人 监控 出土 量 , 每 环出碴量控制在 55 m3 以内 ,穿越中尽量减少盾构 纠偏量 ,降低对地层扰动 。( 3 )保 证 同 步 注 浆 饱 满 。注 浆 量 控 制 在 9 m3 以上 ,注浆压力 2. 5 ba r以上 。最大程度利用同步注 浆填充满管片背后 的间 隙 。盾 构掘 进 同步 注浆 的 同时 ,跟踪进行单液或双液二次注浆 。在同步注浆时进行二次注浆跟 踪洞 内 注浆 , 确 保填 充效 果 , 浆 液根据情况采用单 液浆 或二 次 浆液 。注浆 管片 位置盾尾后 34环的位置 ,注浆时间在盾尾脱出管片 后 3 4环的时刻 。注浆点位主要在拱顶 ,注浆压力和注浆量同时进行控制 。表 2 结构物参数研究断面共分为 5 个土层 ,其中盾构所在地层为第三 、第四层 。地下水位位于地表下 2 m ,计算网 格模型如图 4所示 ,盾构开挖引起的地层损失率采用 1 % ,迭代过程考虑地下水压力影响 。经计算盾 构开挖引起的土体最大位移 44. 91 mm ,超出安全允许范围 , 位 移 云 图 如 图 5 所 示 , 位 移 曲 线 如 图所示 。6图 4 计算网格有限元模型铁道建筑技术RA ILW A Y CO N S TRU C T IO N TEC HNO LO G Y 2 00 9 ( 9)108参数 结构EA / ( kN m - 1 )E I / ( kNm2 /m )d /m衬砌14 000 000143 0000. 350. 167加固区土体230. 365 00040参数 土层sa t /( kN m - 3 )E ref /( kN m - 2 )C ref /( kN m - 2 )/ ( )1 人工 填土180. 37 0001302 - 3 粉 质黏土19. 60. 310 00036. 0716. 422 - 8 - 1 稍 密卵石土200. 350 0008383 - 7 - 1 稍 密卵石土210. 355 0008424 - 4 - 1 稍 密卵石土230. 360 000852隧道 /地下工程( 4 )加强地面监控量测 。提前布设基准点和监测点 ,通过前和通过 中 对重 要建 筑不 间 断监 测 , 及 时反馈信息 。为真实模 拟土 体加 固前 后 盾构 掘进 引 起的 地 表沉降 ,建立加固后 有 限元 模型 , 加 固部 分 采用 置 换土层的方式模拟 ,增大注浆量通过调整隧道收缩 率控制 。根据实际施工情况先开挖右侧隧道 ,后开挖左侧隧道 ,位移云图及拱顶位移曲线见图 7、图 8。固后盾构施工对地层的扰动范围较小 ,拱顶位移曲线相对平顺 ,施工采取的技术措施效果明显 。4结语近年来地 铁隧 道施 工 中盾 构施 工 所占 比例 呈 上升趋势 ,但工程事故 也频 发不 断 , 如 何确 保盾 构 隧道施工的科学性和综合实现安全 、进度 、质量 、成 本等目标 ,是当前我国盾构施工行业面临的重大课 题 。以成都地铁一号线 2 标段实际工程为例 ,分析 砂卵石地层盾构法隧道过浅覆土地 层 两种 典型 破 坏方式 ,提出了超前加固 、严格控制出渣量 、保证注 浆 (含二次注浆 )回填饱满 、加强地面监测分析等安 全措施 ,希望能为类 似 工程 的施 工 积累 一些 经 验 , 使施工安全可靠 , 保证 施工 工期 和 质量 , 降 低工 程 成本 。图 7 加固后土体位移云图 (最大位移 1 4. 4 5 m m )参考文献1裴洪军 . 城市隧道盾构法施工开挖面稳定性研究 D . 南京 :河海大学 , 2005M a ir R J. Cen trifuga l mode ling of tunne l con struc tion soft c lay D . London: Cam b ridge U n ive rsity, 1979蔡永立 ,冯晓科 ,曾德光. 盾构地铁隧道近接施工及旁穿全装配高层壁板居民楼施工技术 J . 隧道建设 , 2008 ( 1)2图 8 加固后拱顶土体位移曲线 (最大位移 14. 4 5 m m )3比照加固前后土体位移云图 ,可以明显看出加(上接第 105页 )( 7 )总结规律 、预测岩爆加强岩爆 的风 险识 别 , 通常 在 围 岩 完 整 、挤 压 裂隙密集发育 、岩石 新 鲜 、发 育 结构 面洞 段 或部 位发生强