廣州地鐵某盾構(gòu)區(qū)間在富水高粘性紅層中的施工技術(shù)

劉陽(yáng)升

摘要:富水高粘紅層是盾構(gòu)施工中的不良地層之一。文章針對(duì)這類(lèi)地層的主要特征，分析了盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)通過(guò)時(shí)容易產(chǎn)生結(jié)泥餅、噴涌的情況，從而引起地面隆起或沉降的風(fēng)險(xiǎn)，提出控制掘進(jìn)參數(shù)、施做止水環(huán)、合理使用發(fā)泡劑、土倉(cāng)泄水等幾方面的對(duì)策，并列舉了成型隧道質(zhì)量控制的要點(diǎn)，可為類(lèi)似工程提供參考。

關(guān)鍵詞:盾構(gòu) 紅層 風(fēng)險(xiǎn)與對(duì)策 質(zhì)量控制

中圖分類(lèi)號(hào)：TU74文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：

Construction technology of Guangzhou subway shield zone in the water-rich high viscous red beds

Liu YangSheng

(Guangzhou Municipal DunJian Underground Construction Engineering Co., Ltd., Guangzhou 510030)

AbstractThe water-rich high viscous red beds is one of the adverse strata on shield tunnel. Aiming at the main characteristics of these strata, analysis of the shield machine driving through easily generate node mud cake, spewing, causing surface uplift or subsidence risk, Puts forward the control parameter of shield driving, construction waterproof ring, rational use of foaming agent, soil drainage and other aspects of the Countermeasures, and listed some of tunneling when the abnormal situation to identify and handle, provide a reference for similar projects.

Key wordsShield, red beds, Risks and Countermeasures, Quality Control

1引言

在地鐵工程建設(shè)中，盾構(gòu)法與傳統(tǒng)的礦山法相比由于其快速、安全、經(jīng)濟(jì)等方面的優(yōu)勢(shì)得到了廣泛的應(yīng)用。盾構(gòu)工程，往往與地質(zhì)情況密不可分，一些不良的地層往往給施工帶來(lái)困難。在廣州、深圳地區(qū)存在的一種高粘性紅層的地層，其粘性很高，容易使掘進(jìn)中的盾構(gòu)機(jī)結(jié)泥餅，如果碰上富水性強(qiáng)的紅層，那更是增加了噴涌的風(fēng)險(xiǎn)，使盾構(gòu)掘進(jìn)困難，隧道質(zhì)量難以保證，且有地面沉降等安全風(fēng)險(xiǎn)。

2工程概況和地質(zhì)水文條件

2.1 工程概況

廣州某盾構(gòu)區(qū)間位于廣州市中心區(qū)，為外直徑6米的盾構(gòu)隧道，隧道頂面埋深約20~30米，單線(xiàn)長(zhǎng)度約500米，線(xiàn)路上方地面穿越較多房屋，平行于該區(qū)間約200~500米為珠江。

2.2 工程地質(zhì)與水文條件

本標(biāo)段地貌形態(tài)為珠江三角洲沖積平原地貌，微地貌單元為河流沖積階地，地勢(shì)低平，區(qū)間巖土層由白堊系紅層地層及新生界的第四系地層組成。隧道主要通過(guò)的地層主要為<7>強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、<8>中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、<9>微風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖。隧道以上的地層由下至上依次為<7>、<6>、<4-1>、<3-1>、<2-1A>。

地質(zhì)詳勘顯示, 該工程隧道洞身地層主要包括泥巖、粉砂巖及砂巖，粉土和粘性顆粒很高，且區(qū)間部分地段裂隙較發(fā)育，并靠近珠江，故具有高粘性及富水性的特點(diǎn)。

3盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)富水高粘性紅層的施工風(fēng)險(xiǎn)

依上所述，該工程地質(zhì)情況表現(xiàn)為富水高粘性紅層巖土，其自穩(wěn)性較好，但形成的中、強(qiáng)、微風(fēng)化巖強(qiáng)度均不高。這些特征，使盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)時(shí)容易產(chǎn)生以下施工風(fēng)險(xiǎn)：

1）粉土和黏土顆粒含量高，所以盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)過(guò)程中容易在土倉(cāng)中和刀盤(pán)上結(jié)成“泥餅”。如“泥餅”初形成時(shí)不及時(shí)處理，隨著“泥餅”與土倉(cāng)的摩擦使倉(cāng)內(nèi)溫度越來(lái)越高，導(dǎo)致“泥餅”越來(lái)越大，越結(jié)越硬，將最終幾乎填滿(mǎn)整個(gè)土倉(cāng)，其核心結(jié)成類(lèi)似于巖石的一樣的硬物。結(jié)“泥餅”后，盾構(gòu)機(jī)的推力和扭矩逐漸增大，出土困難，掘進(jìn)緩慢，直至無(wú)法掘進(jìn)[1]。而盾構(gòu)機(jī)推力的異常及對(duì)周邊地層的不斷擾動(dòng)，將會(huì)使得地面有隆起或沉降的風(fēng)險(xiǎn)，從而影響地面建筑物的安全。

2）地層中的含水量過(guò)高，會(huì)存在“噴涌”的風(fēng)險(xiǎn)，而本區(qū)間主要通過(guò)微風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化巖層，為具有一定的強(qiáng)度的巖石，故掘進(jìn)速度不可能很高，以致大大增加了“噴涌”的風(fēng)險(xiǎn)?！皣娪俊鼻闆r出現(xiàn)后，隧道內(nèi)充滿(mǎn)泥漿，文明施工狀況差，工人清理不但影響了工效，而且在清理的時(shí)候土倉(cāng)有時(shí)聚集大量的水，重新掘進(jìn)時(shí)又加大了噴涌量，如此造成惡性循環(huán)。因“噴涌”導(dǎo)致水土流失，引起了地面沉降。

3）本工程的“泥餅”和“噴涌”具有互相影響的特點(diǎn)。由于具有結(jié)“泥餅”的風(fēng)險(xiǎn)，故土倉(cāng)土壓力不能太高，當(dāng)停機(jī)拼管片時(shí)，周邊的水很快的填滿(mǎn)整個(gè)土倉(cāng)，重新開(kāi)機(jī)時(shí)將會(huì)引起“噴涌”；“噴涌”出現(xiàn)后，噴出來(lái)的都是水和稀泥漿，大部分的泥土還留在土倉(cāng)內(nèi)，含有粉土和粘性顆粒的泥土在不斷的攪拌下，導(dǎo)致形成“泥餅”的風(fēng)險(xiǎn)增加。

降低施工風(fēng)險(xiǎn)的措施

針對(duì)盾構(gòu)機(jī)在此類(lèi)地層中掘進(jìn)容易出現(xiàn)結(jié)“泥餅”和“噴涌”的情況，在施工中要做好掘進(jìn)方面的控制，并輔以輔助性施工措施，從而抑制風(fēng)險(xiǎn)的產(chǎn)生。

掘進(jìn)參數(shù)控制

防治“泥餅”和“噴涌”，掘進(jìn)控制是重中之重，而對(duì)掘進(jìn)的控制，首先要從推力、扭矩和速度開(kāi)始。高速度推進(jìn)有利于防止“噴涌”，但本工程地質(zhì)條件的限制以致不能使用過(guò)高的速度，且高速度推進(jìn)也容易產(chǎn)生“泥餅”，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，確定在該類(lèi)地層中使用25~35mm/min的速度掘進(jìn)較為合適。在風(fēng)化紅層巖層中掘進(jìn)時(shí)，推力及扭矩均不宜太高，否則土倉(cāng)內(nèi)掉落大量大塊的巖塊，導(dǎo)致出土不順，容易形成“泥餅”。

對(duì)掘進(jìn)控制的另一個(gè)重點(diǎn)是土倉(cāng)壓力，從防止結(jié)“泥餅”的角度，土倉(cāng)壓力不能太高，但壓力低又會(huì)導(dǎo)致倉(cāng)內(nèi)水量增加，引起“噴涌”。對(duì)于這種情況，可采取半土壓半氣壓平衡的推進(jìn)方式，在掘進(jìn)時(shí)，倉(cāng)內(nèi)只保留少量的土，防止“泥餅”的產(chǎn)生，同時(shí)又往土倉(cāng)內(nèi)加一定的氣量，對(duì)地下水有一定的封堵作用，從而減少了“噴涌”的機(jī)會(huì)。另外，在每環(huán)掘進(jìn)即將完成時(shí)，逐步減少氣量增加土量，防止在拼裝管片時(shí)由于倉(cāng)內(nèi)氣體的泄漏其失去堵水的作用。

合理使用發(fā)泡劑改善渣土

在高粘性富水紅層中掘進(jìn)，應(yīng)合理使用發(fā)泡劑，目的是改善土倉(cāng)渣土，但要防止過(guò)量而引起“噴涌”。一般使用發(fā)泡劑時(shí)要密切關(guān)注渣土的形態(tài)和刀盤(pán)扭矩，正常使用發(fā)泡劑時(shí)刀盤(pán)扭矩不高且渣土呈流塑狀，當(dāng)扭矩將低時(shí)要根據(jù)情況減少發(fā)泡劑用量或停止使用，否則很容易引起“噴涌”。

施工止水環(huán)堵住管片背后來(lái)水

在盾構(gòu)施工過(guò)程中，及時(shí)對(duì)脫出盾尾后方的管片施做止水環(huán)，可防止管片背后來(lái)水，從而減少土倉(cāng)的水量，減少出現(xiàn)“噴涌”的機(jī)會(huì)。止水環(huán)一般離開(kāi)盾尾5~10環(huán)較為合適，能起到堵水的效果，又防止注漿材料裹住盾尾。注漿材料可選用水泥水玻璃雙液漿，注漿配合比根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)而定。

掘進(jìn)前減少土倉(cāng)水量

在停機(jī)拼裝管片的過(guò)程中，土倉(cāng)內(nèi)往往聚集了大量的水，當(dāng)再次掘進(jìn)時(shí)將很容易出現(xiàn)“噴涌”。因此再次掘進(jìn)前，可打開(kāi)盾構(gòu)機(jī)前體3點(diǎn)及9點(diǎn)位的泄水孔放水，減少土倉(cāng)內(nèi)的水量。但采取此項(xiàng)措施時(shí)，要對(duì)地面沉降加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，如有異常變化應(yīng)及時(shí)采取應(yīng)急措施。

5成型隧道的質(zhì)量控制要點(diǎn)

由于該區(qū)間處于自穩(wěn)性很好的中、強(qiáng)、微風(fēng)化巖層，且該地段地下水豐富，因此防止管片滲漏和上浮是隧道質(zhì)量控制的重點(diǎn)。為保證隧道質(zhì)量，須做好以下幾點(diǎn)：

1）盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)加強(qiáng)同步注漿，同步注漿量須能充滿(mǎn)管片背后空隙并有一定的富余，注漿流量與掘進(jìn)速度相匹配，注漿材料宜采用水泥砂漿，配合比根據(jù)試驗(yàn)確定。

2）掘進(jìn)時(shí)控制好姿態(tài)避免變化太快太大，并防止盾尾間隙過(guò)小，減少管片錯(cuò)臺(tái)的情況，從而防止?jié)B漏。

3）拼管片時(shí)管片螺栓一定要擰緊，并且要在掘進(jìn)時(shí)對(duì)推進(jìn)千斤頂附近幾環(huán)管片多次復(fù)緊[2]。

4）脫出盾尾的管片及時(shí)進(jìn)行二次注漿，將同步注漿未能填充密實(shí)的部位填充密實(shí)。

6施工效果

該盾構(gòu)區(qū)間從2010年1月開(kāi)始施工，至2010年5月完成，前半段施工由于掘進(jìn)參數(shù)控制不好、使用發(fā)泡劑不合理、止水環(huán)效果不好等原因，經(jīng)過(guò)約3個(gè)月才完成了300米的掘進(jìn)，并且掘進(jìn)過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)“噴涌”，還多次開(kāi)倉(cāng)打“泥餅”；后200米施工時(shí)，按上述措施進(jìn)行了控制，只用1個(gè)月便完成掘進(jìn)，并且只出現(xiàn)過(guò)幾次“噴涌”，沒(méi)產(chǎn)生“泥餅”的現(xiàn)象。

圖1 隧道相片

7結(jié)語(yǔ)

富水高粘性紅層由于其特殊的地質(zhì)特點(diǎn)，容易引起盾構(gòu)結(jié)“泥餅”和“噴涌”，并由此引起地面隆起或沉降等施工安全風(fēng)險(xiǎn)。廣州地鐵某盾構(gòu)區(qū)間的施工經(jīng)驗(yàn)表明，在掘進(jìn)方面加強(qiáng)控制，并使用一些輔助措施相結(jié)合，通過(guò)綜合防治“泥餅”和“噴涌”來(lái)減少施工風(fēng)險(xiǎn)的方法是有效的。另外，在該類(lèi)地層中施工，常規(guī)的同步注漿、二次注漿、復(fù)緊螺栓及控制盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)等方式也是控制隧道質(zhì)量的關(guān)鍵措施。

參考文獻(xiàn)

[1] 竺維彬鞠世健史海鷗. 廣州地鐵三號(hào)線(xiàn)盾構(gòu)隧道工程施工技術(shù)研究[M].廣州:暨南大學(xué)出版社,2007年12月.

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

注：文章內(nèi)所有公式及圖表請(qǐng)以PDF形式查看。