成都卵石地層地鐵施工引發(fā)地層塌陷原因探究

1、成都卵石地層地鐵施工引發(fā)地層塌陷原因探究摘要：針對成都獨特富水砂卵石地層下盾構(gòu)隧道的施工，通過分析 地質(zhì)條件對盾構(gòu)工法帶來的困難，探究了引發(fā)地層塌陷的原因，并結(jié)合施 工實例提出了地面塌陷的防控和治理措施。關(guān)鍵詞：卵石地層；盾構(gòu)；地鐵；地層塌陷1、概述成都市在城鄉(xiāng)一體統(tǒng)籌的大背景下，也展開了地鐵1號線的建設(shè)。盾 構(gòu)法能適應各種復雜的地質(zhì)條件，對環(huán)境的影響、施工安全性、質(zhì)量、t 程進度等方面也具有優(yōu)勢，成都地鐵主城區(qū)地下隧道工程的施工，最終選 用了盾構(gòu)法。成都地質(zhì)是典型的富水砂卵石地層，卵石含量高，漂石粒徑大，卵石 強度高，地下水豐富，透水性好，地層條件相當獨特，盾構(gòu)工法的應用同 樣面臨重重困難。

2、成都地鐵1號線剛開始的掘進中，刀具的失效速度和更 換頻率遠超預想，掘進約100200米即需更換一次刀具，且多次發(fā)生地 面塌陷，這給地面環(huán)境保護、工程安全、造價控制帶來相當不利的影響。2、地質(zhì)特點成都地鐵1號線地下隧道盾構(gòu)掘進主耍集中在3-7砂卵石（局部3-4 粉細砂透鏡體分部）這一層，底埋深約1025ni,該地層具有以下特點：卵石含量高：卵石土地層中卵石含量55%以上，為該地層的骨架成分;砂含量高：砂卵石中砂含量高，含量約1035%,呈透鏡體分布;顆粒間膠結(jié)物：膠結(jié)物廣泛分布于砂卵石中；漂石粒徑大：區(qū)間探井揭示漂石最大粒徑為350mm,天府廣場揭示漂 石最大粒徑為550mm,含量為510%,隨

3、機性分布。地下水位：由于沿線車站等基坑降水作用，區(qū)內(nèi)地下水位埋深約8 13m；地層透水性：卵石土地層滲透系數(shù)高達12.527.4m/d,透水性強。 卵石和漂石強度高：卵石和漂石單軸抗壓強度達8698mpa。從盾構(gòu)工法三個最基本的功能單元?支護、切削、排渣?來看，存在 以下困難：受砂卵石土層和較大滲透率的影響，不易形成不透水塑流性的確土而 不能建立土壓平衡機理，或土倉壓力不穩(wěn)定，容易造成地表發(fā)生沉降。刀盤、刀具由于卵石致使切削的不均勻性和沖擊，容易產(chǎn)生異常損壞; 以及砂的摩擦作用，刀盤、刀具和螺旋輸送機磨損都會較嚴重。石頭粒徑較人且強度高，部分較大粒徑無法通過刀盤開口和排磴裝 置，極易造成刀盤、

4、刀具的異常磨損。隧道穿越卵石上夾透鏡體砂層或局部穿越粉砂層，均勻性差，軟硬夾 雜，容易造成地面沉降、超挖、偏離線路方向，該地層下糾偏相對困難。由于卵石土屮存在膠結(jié)物，對于刀盤屮心流動性較小的部位容易產(chǎn)生 泥餅現(xiàn)象，并粘結(jié)限制該處滾刀的轉(zhuǎn)動而偏磨，以及造成前方土體無法入 倉。需要開倉對刀盤刀具進行處理，由于地下水、巖層的不穩(wěn)定性，需要采取輔助手段對地層進行降水加固。地面降水措施的效果時好時壞，特別 對于粉細砂和下部基巖上部卵石土兩種地層，降水效果不明顯。當然，該地層下盾構(gòu)施工仍具備一定的優(yōu)勢：盾構(gòu)構(gòu)穿越地層主要為致密砂卵石層，膠結(jié)性能較好，圍巖在降水條 件下的自穩(wěn)性好。卵石含量高，骨架效應較好，

5、降水后地層損失很小。地層滲透系數(shù)大，易于降水疏干地層中的含水。在降水及巖層穩(wěn)定條件下可以進行常壓開倉作業(yè)。橫向沉降槽寬度相對較小，影響范圍相對較小。3、盾構(gòu)機設(shè)計理念及適應性成都地鐵一期盾構(gòu)掘進機均為德國海瑞克進口，其中7臺為土壓平衡 盾構(gòu)機，1臺為泥水平衡盾構(gòu)機。泥水平衡盾構(gòu)機，在成都卵石土層中掘 進，在泥水輸送前需進行大量的塊石破碎，很難滿足推進速度的需要，基 本不適應成都地層。土壓平衡盾構(gòu)機采用螺旋輸送機出土，可輸送較大粒 徑的石塊，對成都砂卵石地質(zhì)條件的適應性更好。德國海瑞克作為成熟的盾構(gòu)機設(shè)計制造廠商，針對成都卵石地層,在 刀盤刀具對地層適應性方面，其總體設(shè)計理念偏安全考慮，在刀盤開

6、口率、 刀具的布置、掘進效果評估上都充分考慮到成都獨特地層下應用盾構(gòu)工法 的安全性。但是，這種偏安全考慮的設(shè)計，在加強正面支護的同時，犧牲 了掘進效率，導致了刀具磨損嚴重、換刀頻繁、掘進效率低、成本高、容 易引發(fā)地面塌陷等不利影響。原因在于：1）、在目前盾構(gòu)配置情況下，刀盤開口率較低、螺旋輸送機直徑較小等也限制了卵石的入倉，同時也加大了刀盤刀具磨損。2）、從掘進看，配置的碩巖刀具組合，滾刀未能充分發(fā)揮作用，對較 大粒徑的卵石有部分破碎作用，而対稍小粒徑的土體作用不是很明顯，反 而滾刀基本上屬于側(cè)面磨損失效（只是保護了刀盤受損）；其實對于大多 數(shù)較小粒徑的土體而言無須破碎，可直接進倉，但開口率受

7、限，致使砂卵 右在前方加劇磨損刀盤。3）、由于卵石土中存在膠結(jié)物，對于刀盤中心流動性較小的部位容易 產(chǎn)生泥餅（砂餅）現(xiàn)象，并粘結(jié)限制該處滾刀的轉(zhuǎn)動而偏磨，以及造成前 方土體無法入倉。4、地表塌陷分析海瑞克盾構(gòu)機在成都卵石地層施工中顯示了一定的不適應性，其中在 成都地鐵1號線的建設(shè)過程中，地面塌陷尤其是重大危險源，幾個施工標 段都不同程度發(fā)生。地表塌陷的根源在于地層的土體損失，其原因按照發(fā) 生的階段和內(nèi)容可以分為：1）、渣土失去流動性，掘進怵i難，2）、刀具及 刀盤木體磨損，掘進困難引發(fā)塌陷，3）、3-4粉細沙層掘進困難，多出土 引發(fā)塌陷，4）、進洞區(qū)域降水致土層損失，擾動后引發(fā)塌陷，5）、換刀

8、時 旋轉(zhuǎn)刀盤引起地層坍塌。土體損失的地層在盾構(gòu)機通過后受到擾動，卵石骨架無法承受其上部 上體的重量，卵石之間的空隙被上部掉落的顆粒填充，這樣的失穩(wěn)?落下? 填充的過程不斷向地面發(fā)展，形成坍孔。這個過程與空洞大小和水位有關(guān)。 如果遇到地下水位高或下大雨，坍孔發(fā)展非常迅速。4. 1渣土失去流動性，掘進困難引發(fā)塌陷在卵石地層中掘進，土體改良是重要的技術(shù)措施，土體改良到位，渣 土的流動性才能得到保證。盾構(gòu)機工法的三大核心功能?支護、切削和排 渣，缺一不可，其中排渣是否順暢是刀具布置、刀盤開口、螺旋機設(shè)計、 土倉容積、刀盤驅(qū)動方式及扭矩等多種因素綜合作用的最終反映。海瑞克的設(shè)計理念、成都卵石地層的獨特性

9、，導致成都盾構(gòu)掘進中很 容易發(fā)生渣土改良不到位、渣土失去流動性的問題，引發(fā)刀盤扭矩高、掘 進困難的狀況。處理這種狀況通常的做法是:1)注入改良材料，重新建 立渣土的流動性，2)、土倉出土，減少刀盤負載，重新旋轉(zhuǎn)刀盤。這其中 土倉出土帶來的問題是，倉內(nèi)土體損失后，需要在掘進過程屮補充，這會 造成掘進前方土體的損失。渣土失去流動性、掘進困難時，連續(xù)的推進速度緩慢，漿液注入困難, 注入量偏低，擾動帶上斷續(xù)分布的小空洞不斷向上方發(fā)展，最后會合，發(fā) 展到地面，形成坍坑。這個過程持續(xù)的時間比較長，可能是十天、二十天、 一個月，甚至長達一年之久。4. 2刀具及刀盤木體磨損，掘進困難引發(fā)塌陷卵石地層施工中，山

10、于刀具及刀盤與卵石土體不斷發(fā)生碰撞和摩擦， 其磨損在所難免。隨著刀具的磨損量達到一定程度，其切削效率會顯著下 降。一旦刀盤失去切削的功能，將會發(fā)生掘進困難的情況，此時，更換刀 具是必然的選擇。如果地面狀況等條件限制，沒冇合適的換刀地點，則繼 續(xù)掘進會導致出土量的增人，繼而引發(fā)地面塌陷。4. 3盾構(gòu)在粉細沙層掘進困難，多出土引發(fā)塌陷盾構(gòu)在粉細沙層中掘進中，存在推力大、扭矩大、進尺小、易結(jié)泥餅、出渣量不易控制、姿態(tài)偏差過大、地表沉降控制相當困難等問題，每次開倉倉內(nèi)溫度很高。造成多次開倉，地面坍方嚴重，其至導致部分管線受損。4. 4進出洞區(qū)域降水致土層損失，擾動后引發(fā)塌陷成都地鐵1號線進出洞部位圍護

11、結(jié)構(gòu)通常都是人工挖孔樁，由盾構(gòu)刀 盤直接切削圍護樁（盾構(gòu)通過段內(nèi)挖孔樁釆用玻璃纖維筋），完成盾構(gòu)的 進出洞施工。進出洞過程中極易引發(fā)坍塌，其原因是：一、在于盾構(gòu)在進洞過程中，不能快速推進，土體從樁間孔隙進入土 艙，造成地面的坍塌。如下圖所示。二、車站施工長期降水，將周邊卵石土中的膠結(jié)物淘空，使得大塊卵 石堆積，造成盾構(gòu)掘進困難。盾構(gòu)機通過后，卵石骨架受到擾動，無法支 撐土體重量，導致塌方。4. 5換刀時旋轉(zhuǎn)刀盤引起地層坍塌刀具磨損后須及時換刀，由于滾刀安裝位置等局限，為降低勞動強度、 保證人員安全、加快換刀進度，刀具的更換只能在指定的加度和位置進行。 因此，為了實現(xiàn)全盤刀具的更換，必須重復數(shù)次

12、旋轉(zhuǎn)刀盤至指定角度和位 置。由于盾構(gòu)機刀盤邊緣部位開口朝上，所以，砂卵石地層即使在降水（或 氣壓換刀）的條件下，刀盤攪動時也會發(fā)生自穩(wěn)性差、拱頂部塌落等問題。 刀盤旋轉(zhuǎn)后人員進倉時又必須出土，如此往復，刀盤前方地層的塌方不斷 發(fā)展，最終引發(fā)地表塌陷。5 地面塌陷的防控和治理措施從減少地層損失的角度看，為了最大程度降低地面塌陷發(fā)生的幾率，應從以下幾方面加以防控:降低設(shè)備故障率，減少盾構(gòu)停機掘進出土量和壓漿量的監(jiān)控和匹配通過推進參數(shù)變化，對刀具磨損程度進行預測分析，及時換刀根據(jù)地面環(huán)境，合理選擇換刀地點通過渣土變化，掌握地層變化，調(diào)整出土量盾構(gòu)及通過后，地層損失導致的地層塌落，其不斷發(fā)展需要一定的時 間，在此過程中，可以采取洞內(nèi)打管注漿、地面跟蹤注漿等方式對地層損 失進行治理。其屮，洞內(nèi)打管注漿的一般流程如下：1、對出土量和注漿量進行對比統(tǒng)計，分析可能存在孔洞的位置。2、結(jié)合地質(zhì)雷達掃描反映的地層松散情況，確定打孔位置。3、確定孔洞可能存在位置后，采用隧道打孔注漿予以充填，防止空 洞繼續(xù)發(fā)展。工藝流