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摘要：針對(duì)成都地鐵盾構(gòu)施工的特點(diǎn)，提出風(fēng)險(xiǎn)分析在盾構(gòu)施工中的重要性。對(duì)盾構(gòu)施工中蘊(yùn)含的風(fēng)險(xiǎn)源進(jìn)行辨識(shí)與風(fēng)險(xiǎn)分析，并提出具體的風(fēng)險(xiǎn)控制對(duì)策。...

成都地鐵砂卵石地層盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)分析及對(duì)策

鐘  山   劉世杰   段紹和

(中鐵二局股份有限公司  四川成都  610032)

    隨著城市化進(jìn)程的加快和城市交通量急劇增長(zhǎng)，發(fā)展城市地鐵已成為必然的選擇。因其自身的優(yōu)勢(shì)，盾構(gòu)法施工在城市地鐵隧道建設(shè)中正扮演越來(lái)越重要的角色。

    我國(guó)上海、廣州、北京等城市已經(jīng)采用盾構(gòu)法成功實(shí)施了不少工程。成都的地質(zhì)情況與上述城市截然不同，成都地鐵施工具有獨(dú)特的“三高”特點(diǎn)，即地層具有高富水及砂卵石  含量高、卵石和漂石強(qiáng)度高的特點(diǎn)。這種不良地質(zhì)條件增大了盾構(gòu)施工難度。因此，加強(qiáng)盾構(gòu)施工技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)分析并找出相應(yīng)的對(duì)策是極其必要的。

    本文以成都地鐵某盾構(gòu)區(qū)間隧道為例，對(duì)施工中存在的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行辨識(shí)，并提出相應(yīng)的控制措施，以確保盾構(gòu)在富水砂卵石地質(zhì)條件下的順利掘進(jìn)。

1.工程概況

     成都地鐵某盾構(gòu)區(qū)間隧道最大埋深13.5m，最小坡度2‰，最大坡度6．99‰，左右線間距13～13.5m，最小曲線半徑400m。

     隧道穿越的地層主要為卵石土層，含夾薄層粉細(xì)砂透鏡體，20～200mm卵石含量約占55.0％，75.4％，粒徑一般以30～70 mm為主，部分粒徑80～120 mm；填充物以細(xì)砂、中砂為主，夾少量黏性土及礫石，含量約為10．0％～25．0％：漂石含量一般為5％～l0％，隨機(jī)分布，地勘揭露漂石最大粒徑為340 mm。卵石單軸極限抗壓強(qiáng)度為90.9～91.7 MPa，漂石單軸極限抗壓強(qiáng)度為88.6～95.3MPa。

    地下水系為第四系孔隙潛水和基巖裂隙水兩種類(lèi)型。孔隙潛水主要埋藏于砂卵石土層中，滲透系數(shù)K=20.0 m/d．為強(qiáng)透水層。地下水位埋藏較淺，豐水期地下水位正常埋深約為3m，成都充沛的降雨量是地下水的重要補(bǔ)給源之一。基巖裂隙水主要賦存于泥巖強(qiáng)風(fēng)化裂隙帶中，透水性較差。

    隧道下穿南河與濱江路下穿隧道，并近距離水平穿越錦江大橋與開(kāi)行大廈(26層)。

    地層“三高”特點(diǎn)及沿線建(構(gòu))筑物，對(duì)隧道掘進(jìn)主要有以下幾個(gè)方面的影響。

    (1)隧道圍巖均為卵石土夾透鏡體砂層，自穩(wěn)能力差，透水性強(qiáng)，地下水位較高，水量十分豐富。區(qū)間隧道盾構(gòu)施工，開(kāi)挖面容易產(chǎn)生涌水、涌砂，造成細(xì)顆粒物質(zhì)大量流失，引起開(kāi)挖面失穩(wěn)、地面沉降甚至塌陷。

    (2)隧道頂部覆土為人工填筑土、粉質(zhì)黏性土、卵石土夾透鏡體砂層，均為松散土體，自穩(wěn)能力差，盾構(gòu)掘進(jìn)可能引起地面沉降或塌陷。

    (3)隧道圍巖分布有高強(qiáng)度、大粒徑的卵石、漂石，容易造成超挖和排碴困難，還造成對(duì)盾構(gòu)設(shè)備磨損嚴(yán)重。這些都對(duì)盾構(gòu)順利施工有較大影響。

    (4)盾構(gòu)掘進(jìn)需要先后穿越南河、濱江路下穿隧道，近距離通過(guò)開(kāi)行大廈和錦江大橋。盾構(gòu)掘進(jìn)，對(duì)周?chē)�土體產(chǎn)生擾動(dòng)，可能造成周?chē)��?/span>(構(gòu))筑物變形和破壞。

    (5)通過(guò)南河時(shí)，地下水位較高，砂卵石地層滲透性強(qiáng)，開(kāi)挖面易涌水、涌砂，容易發(fā)生噴涌，引起河床的沉陷，甚至發(fā)生冒頂事故。

2.盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)分析及對(duì)策

    根據(jù)國(guó)內(nèi)外盾構(gòu)施工經(jīng)驗(yàn)及成都地質(zhì)調(diào)查分析，筆者對(duì)該地段盾構(gòu)施工存在的風(fēng)險(xiǎn)源進(jìn)行辨識(shí)、分析并提出了相應(yīng)解決對(duì)策。

    2.1盾構(gòu)進(jìn)出洞地表坍陷風(fēng)險(xiǎn)

    2.1.1風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)

    盾構(gòu)進(jìn)出洞時(shí)，洞門(mén)外側(cè)地面坍陷。

    2.1.2風(fēng)險(xiǎn)分析

    由于成都地鐵盾構(gòu)工作井洞門(mén)圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用玻璃纖維筋樁，盾構(gòu)能直接破除洞門(mén)，因而未對(duì)端頭地基進(jìn)行特殊加固處理。這樣，盾構(gòu)進(jìn)出洞時(shí)，可能會(huì)由于洞門(mén)密封失效引起洞門(mén)漏水、噴砂，大量土體從洞口流人端頭井內(nèi)；或由于車(chē)站施工長(zhǎng)期降水導(dǎo)致端頭地層中砂土流失，地層受盾構(gòu)掘進(jìn)擾動(dòng)而坍陷。

    2.1.3風(fēng)險(xiǎn)控制措施

    加強(qiáng)降水井的降水、排水措施；提高洞門(mén)密封性能。同時(shí)對(duì)端頭地層預(yù)留加固注漿孑L，當(dāng)?shù)貙映两底冃屋^大時(shí)，及時(shí)對(duì)端頭補(bǔ)充注漿加固。

    2.2盾構(gòu)掘進(jìn)軸線偏差風(fēng)險(xiǎn)

    2.2.1風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)

    盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中，盾構(gòu)推進(jìn)軸線過(guò)量偏移導(dǎo)致隧道設(shè)計(jì)軸線發(fā)生偏差。

    2.2.2風(fēng)險(xiǎn)分析

    造成軸線偏差的主要原因包括盾構(gòu)超挖或欠挖，糾偏不及時(shí)、測(cè)量誤差與同步注漿量不夠。

    2.2.3風(fēng)險(xiǎn)控制措施

    正確設(shè)定平衡土壓力，使盾構(gòu)的出土量與理論值接近，減少超挖與欠挖現(xiàn)象，控制好盾構(gòu)姿態(tài)；盾構(gòu)姿態(tài)發(fā)生偏差時(shí)及時(shí)糾偏，使盾構(gòu)正確地沿著隧道設(shè)計(jì)軸線前進(jìn)；盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中經(jīng)常校正、復(fù)測(cè)及復(fù)核測(cè)量基站；施工按質(zhì)保量做好注漿工作，保證漿液質(zhì)量和注漿量。

    2.3掘進(jìn)中地表塌陷風(fēng)險(xiǎn)

    2.3.1風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)

    在盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中，地表發(fā)生塌陷。

    2.3.2風(fēng)險(xiǎn)分析

    隧道頂部覆土為人工填筑土、粉質(zhì)黏性土、粉細(xì)砂，其自穩(wěn)能力差。若盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)平衡土壓力過(guò)小，可能引起地面塌陷；受砂卵石土層和較大滲透率的影響，土倉(cāng)內(nèi)不易形成不透水流塑性狀態(tài)的碴土而不能建立土壓平衡機(jī)理，或土倉(cāng)壓力不穩(wěn)定而造成地表塌陷；隧道開(kāi)挖范圍為卵石土夾透鏡體砂層，透水性強(qiáng)，地下水位較高，水量豐富，開(kāi)挖面容易產(chǎn)生涌水、涌砂，造成細(xì)顆粒物質(zhì)大量流失，引起開(kāi)挖面失穩(wěn)和地面塌陷；掘進(jìn)過(guò)程中，實(shí)際出土量遠(yuǎn)大于理論出土量，地層損失過(guò)大；盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中，如果同步注漿不及時(shí)，也會(huì)引起地面塌陷。

    2.3.3風(fēng)險(xiǎn)控制措施

    根據(jù)地質(zhì)情況、隧道埋深等參數(shù)，設(shè)定合理的土倉(cāng)平衡土壓力，并防止過(guò)大波動(dòng)；配置強(qiáng)大的碴土改良系統(tǒng)，選取優(yōu)質(zhì)膨潤(rùn)土和泡沫劑作外加劑，提高土倉(cāng)中砂卵石土的流塑性和止水性，防止涌水、涌砂現(xiàn)象發(fā)生，保證開(kāi)挖面穩(wěn)定，建立土壓平衡，從而避免地表沉陷；嚴(yán)格控制出土量，防止超挖�？刂贫軜�(gòu)姿態(tài)，防止超量糾偏、蛇形擺動(dòng)；及時(shí)進(jìn)行同步注漿，確保合理的注漿壓力和注漿量。地表沉降過(guò)大時(shí)，進(jìn)行二次注漿；加強(qiáng)施工監(jiān)控量測(cè)，根據(jù)監(jiān)測(cè)資料反饋，優(yōu)化盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)。

    2.4盾構(gòu)穿越南河風(fēng)險(xiǎn)

    2.4.1風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)

    穿越南河時(shí)，發(fā)生盾構(gòu)機(jī)內(nèi)涌水、涌砂，河床沉陷甚至冒頂。

    2.4.2風(fēng)險(xiǎn)分析

    盾構(gòu)在南河下方主要穿過(guò)的土層為卵石土層，局部全風(fēng)化泥巖層，隧道拱頂距河床最小距離7 m。當(dāng)盾構(gòu)通過(guò)該地段時(shí)，土層受到擾動(dòng)過(guò)大，或開(kāi)挖面平衡土壓力控制不當(dāng)，易造成盾構(gòu)機(jī)內(nèi)涌水、涌砂，河床塌陷甚至盾構(gòu)機(jī)冒頂。

    南河采用人工河堤，河堤基礎(chǔ)和墻身均為漿砌片石。盾構(gòu)穿越引起擾動(dòng)基礎(chǔ)，引起河堤變形、破壞。

    2.4.3風(fēng)險(xiǎn)控制措施

    穿越前對(duì)盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行全面檢查與保養(yǎng)，確保盾構(gòu)以良好狀態(tài)通過(guò)南河；穿越前實(shí)測(cè)南河水深度，隨時(shí)調(diào)整盾構(gòu)施工參數(shù)，減少盾構(gòu)的超挖和欠挖；選取優(yōu)質(zhì)膨潤(rùn)土和泡沫劑作外加劑，改善碴土的流塑性，盾構(gòu)機(jī)配置雙螺旋輸送機(jī)、雙閘門(mén)，形成雙保險(xiǎn)，防止噴涌而造成土體失穩(wěn)和河床沉陷；盾尾鋼絲刷內(nèi)充滿優(yōu)質(zhì)油脂，確保盾尾無(wú)漏漿現(xiàn)象；加強(qiáng)姿態(tài)控制；派專(zhuān)人觀察河面變化情況，若發(fā)現(xiàn)水面冒出氣泡或出現(xiàn)渾水時(shí)立即暫停掘進(jìn)，關(guān)閉螺旋輸送機(jī)；盾構(gòu)穿越河堤時(shí)，覆土層厚度發(fā)生突變，要及時(shí)調(diào)整平衡土壓力，減少對(duì)河堤基礎(chǔ)的擾動(dòng)，保護(hù)南河河堤；加強(qiáng)施工監(jiān)控量測(cè)，根據(jù)監(jiān)測(cè)資料反饋，優(yōu)化盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)。

    2.5盾構(gòu)側(cè)通過(guò)錦江大橋風(fēng)險(xiǎn)

    2.5.1風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)

    盾構(gòu)近距離側(cè)通過(guò)導(dǎo)致錦江大橋破壞風(fēng)險(xiǎn)。

    2.5.2風(fēng)險(xiǎn)分析

    錦江大橋?yàn)榭缍?/span>17.15m的三跨連續(xù)拱橋，橋長(zhǎng)51.45m，橋面寬50m，始建于l958年，后經(jīng)多次擴(kuò)建。大橋?yàn)榕_(tái)階形擴(kuò)大基礎(chǔ)，厚3m，基礎(chǔ)最下層為Cl0級(jí)砼基礎(chǔ)，其余二臺(tái)為M5級(jí)水泥砂漿砌條石基礎(chǔ)，橋墩為M5級(jí)水泥砂漿砌城磚，拱部為Cl0級(jí)水泥砂漿砌城磚拱。

    左線盾構(gòu)隧道距錦江大橋基礎(chǔ)最小水平距離僅2m、最小豎向距離僅5.2 m(見(jiàn)圖l)，錦江大橋的基礎(chǔ)及拱式結(jié)構(gòu)，對(duì)環(huán)境變形敏感。而盾構(gòu)隧道通過(guò)時(shí)，容易造成地基土體擾動(dòng)，從而導(dǎo)致大橋基礎(chǔ)變形、位移，大橋結(jié)構(gòu)開(kāi)裂、破壞。

 

    2.5.3風(fēng)險(xiǎn)控制措施

    通過(guò)錦江大橋時(shí)，嚴(yán)格控制盾構(gòu)姿態(tài)，嚴(yán)禁超量糾偏、蛇形擺動(dòng)；對(duì)掘進(jìn)參數(shù)及時(shí)進(jìn)行調(diào)整，刀盤(pán)轉(zhuǎn)速l.1cm/min，土壓力值逐漸減小，推進(jìn)速度3-4cm/min；嚴(yán)格控制出土壓力值和出土量，以免造成盾構(gòu)前方土體發(fā)生坍塌；加強(qiáng)碴土改良的控制，選取優(yōu)質(zhì)膨潤(rùn)土和泡沫劑作外加劑，改善碴土的流塑性，防止突涌而造成水土流失、土體失穩(wěn)及河床沉降；優(yōu)化同步注漿配合比，加大同步注漿壓力，保證同步注漿量，使注入的漿液能及時(shí)有效地填充管片與圍巖之間的空隙；采用高壓旋噴樁對(duì)左線盾構(gòu)隧道與橋基之間土體進(jìn)行隔離加  固，旋噴樁有效直徑Φ500mm，樁間距lm。

    加強(qiáng)河床、錦江大橋基礎(chǔ)與結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)，一旦變形過(guò)大，及時(shí)進(jìn)行隧道二次注漿，或?qū)Υ髽虻鼗�進(jìn)行補(bǔ)充注漿加固。

    2.6卵石、漂石風(fēng)險(xiǎn)

    2.6.1風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)

    盾構(gòu)刀具、刀盤(pán)與螺旋輸送機(jī)磨損嚴(yán)重，失去掘進(jìn)與出  碴能力。盾構(gòu)無(wú)法排除較大粒徑卵石、漂石。

    2.6.2風(fēng)險(xiǎn)分析

    大粒徑卵石與漂石具有含量高、強(qiáng)度高的特點(diǎn)，對(duì)盾構(gòu)的刀盤(pán)、刀具與螺旋輸送機(jī)磨損嚴(yán)重，影響正常掘進(jìn)效率，甚至失去掘進(jìn)與出碴能力。盾構(gòu)所通過(guò)的地層漂石含量約為5％～l0％，局部富集層高達(dá)20％～30％；揭露漂石最大粒徑為340mm，而且漂石單軸極限抗壓強(qiáng)度高達(dá)98.4 MPa。漂石粒徑大，難以通過(guò)刀盤(pán)開(kāi)口和螺旋輸送機(jī)，甚至造成盾構(gòu)無(wú)法繼續(xù)掘進(jìn)。

    2.6.3風(fēng)險(xiǎn)控制措施

    在刀盤(pán)和螺旋輸送機(jī)表面加焊耐磨鋼板和耐磨條，增加刀盤(pán)的耐磨性能；對(duì)碴土進(jìn)行改良，減少碴土對(duì)盾構(gòu)刀盤(pán)、刀具及輸送機(jī)的磨損；定期檢查，發(fā)現(xiàn)刀具、刀盤(pán)磨損及時(shí)更換或維修。優(yōu)化刀具布局，選擇合適的刀具組合形式，從而加強(qiáng)盾構(gòu)破除高強(qiáng)度卵石與漂石的能力：利用刀盤(pán)上的單刃、雙刃滾刀將大粒徑的卵石、漂石破成碎塊；增大刀盤(pán)與螺旋輸送機(jī)的開(kāi)口尺寸，使盾構(gòu)機(jī)能直接排出直徑小于280 mill的卵石、漂石。對(duì)于盾構(gòu)機(jī)不能破損的大直徑漂石，采用進(jìn)入土倉(cāng)利用巖石分裂機(jī)進(jìn)行巖石分裂破碎處理。

    2.7更換刀具風(fēng)險(xiǎn)

    2.7.1風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)

    人員進(jìn)入土倉(cāng)檢查、更換刀具時(shí)，掌子面失穩(wěn)導(dǎo)致人員的傷害或地表坍陷。

    2.7.2風(fēng)險(xiǎn)分析

    在檢查、更換刀具時(shí)，必須清空出土倉(cāng)內(nèi)的部分碴土以提供工作空間，原有的土壓平衡被打破，由于卵石土層自穩(wěn)能力差，掌子面土體容易坍塌，導(dǎo)致作業(yè)人員傷害，或引起地面坍陷。

    2.7.3風(fēng)險(xiǎn)控制措施

    減少掘進(jìn)對(duì)刀具的磨損，提高刀具耐磨性能，從而降低進(jìn)倉(cāng)更換刀具的頻率；改進(jìn)盾構(gòu)設(shè)備，增加刀盤(pán)開(kāi)口擋板，阻止塌落下的土方人員對(duì)作業(yè)人員造成的傷害；采用氣壓換刀，提高掌子面穩(wěn)定性能；加強(qiáng)工人培訓(xùn)，完善開(kāi)倉(cāng)管理制度，制定詳盡的應(yīng)急預(yù)案。

3.結(jié)束語(yǔ)

    由于成都地質(zhì)具有“高富水、砂卵石含量高、卵石和漂石強(qiáng)度高”的特點(diǎn)，使得盾構(gòu)施工存在較大的安全風(fēng)險(xiǎn)。

    在施工前，對(duì)掘進(jìn)過(guò)程中潛在的安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行全面、充分的分析，并采取安全可靠的控制措施，制定合理的施工方案，是可以杜絕施工安全事故的發(fā)生的，真正做到防患于未然。截至目前為止，該區(qū)間盾構(gòu)隧道已順利掘進(jìn)了共1100 m，未發(fā)生任何施工安全事故。

參考文獻(xiàn)：

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[2]竺維彬，鞠世健．復(fù)合地層中的盾構(gòu)施工技術(shù)[M]．北京：中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社．2006．

(本文來(lái)源：陜西省土木建筑學(xué)會(huì)  文徑網(wǎng)絡(luò)：尚雯瀟 尹維維 編輯  文徑 審核)

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