盾構(gòu)掘進(jìn)中地面塌陷加固技術(shù)

1、摘要：盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中，由于不良地質(zhì)、機(jī)械故障等因素引起掌子面的不穩(wěn)定而坍塌，進(jìn)而引起地面塌陷，導(dǎo)致影響工程的正常進(jìn)展。分析廣州地鐵某盾構(gòu)區(qū)間在海邊出現(xiàn)的地表塌陷原因，介紹采取的加固技術(shù)措施，為盾構(gòu)施工積累經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。關(guān)鍵詞：盾構(gòu)掘進(jìn)；地面塌陷；原因分析；加固措施      盾構(gòu)施工已經(jīng)廣泛用于地鐵工程建設(shè)中，但同時(shí)在施工中也發(fā)生過(guò)各種各樣的施工事故或故障?？偨Y(jié)事故或故障的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，對(duì)今后類似工程施工的預(yù)防和應(yīng)對(duì)，對(duì)降低盾構(gòu)工程的風(fēng)險(xiǎn)，保證盾構(gòu)工程安全順利的實(shí)施，有借鑒指導(dǎo)意義。1工程概況1.1工程范圍    

2、;  廣州軌道交通4號(hào)線大學(xué)城專線侖大盾構(gòu)區(qū)間，北起侖頭后底崗盾構(gòu)始發(fā)井始發(fā)，經(jīng)侖頭村穿越侖頭海至官洲島，到達(dá)官洲站，通過(guò)官洲站再次始發(fā)后經(jīng)官洲村、官洲河，至大學(xué)城吊出井，總長(zhǎng)為2826.5m，其中盾構(gòu)法區(qū)間隧道為2301.3m。1.2施工情況      2005年2月12日22時(shí)右線盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)至YDK17+225時(shí)(第686環(huán))，螺旋輸送機(jī)出口閘門(mén)出現(xiàn)突水、噴涌現(xiàn)象，大量淤泥噴出，稀粥狀的淤泥全部從出土口流下，少量風(fēng)化巖塊被輸送至渣斗車(chē)。海面發(fā)生冒泡現(xiàn)象，大量泡沫溢出海面上，同時(shí)海岸堤壩和水閘相繼發(fā)生下沉變形與開(kāi)裂。2 塌陷原因分析

3、2.1地質(zhì)方面      從該區(qū)間的地質(zhì)縱斷面來(lái)看,隧道結(jié)構(gòu)處于強(qiáng)風(fēng)化混合巖、中等風(fēng)化混合巖、微風(fēng)化混合巖地層中，離結(jié)構(gòu)頂部0.7m是淤泥層（圖1）。而在工程地質(zhì)補(bǔ)充勘察報(bào)告更顯示是淤泥層、中等風(fēng)化混合巖、微風(fēng)化混合巖地層，淤泥層已經(jīng)侵入隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)，這是典型的上軟下硬地層，不利于盾構(gòu)掘進(jìn)。2.2盾構(gòu)掘進(jìn)方面      盾構(gòu)以土壓平衡模式進(jìn)行掘進(jìn)，盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中的前一次換刀是在576環(huán)，至685環(huán)已掘進(jìn)了110環(huán)，而且所掘進(jìn)的地層均為強(qiáng)風(fēng)化混合巖、中等風(fēng)化混合巖、微風(fēng)化混合巖地層，這種地層對(duì)刀具的

4、磨損影響較大，掘進(jìn)了110環(huán)，刀具應(yīng)該磨損已經(jīng)比較嚴(yán)重了。盾構(gòu)機(jī)此時(shí)掘進(jìn)速度為14mm/min，推力1950023000kN，扭矩34004000kN·，渣土溫度55。由此可以判斷盾構(gòu)機(jī)無(wú)法正常切削巖石掘進(jìn)，刀具磨損嚴(yán)重。由于盾構(gòu)無(wú)法正常切削硬巖掘進(jìn)，刀盤(pán)、刀具就幾乎是在原地磨壓巖面，淤泥質(zhì)土源源不斷地進(jìn)入土倉(cāng)，螺旋輸送機(jī)輸出的只能是淤泥質(zhì)土，所以螺旋輸送機(jī)閘門(mén)出現(xiàn)嚴(yán)重的突水、噴涌現(xiàn)象，大量淤泥噴出，稀粥狀的淤泥全部從出土口流下。2.3海面方面      當(dāng)時(shí)海面上出現(xiàn)大量的氣泡，同時(shí)白色的油脂泡沫源源不斷地溢出，并迅速布滿周邊。從船

5、上用竹竿往下插，冒泡處地表比周?chē)?m左右。退潮后發(fā)現(xiàn)該處塌陷成一個(gè)深凹。根據(jù)地質(zhì)詳勘資料，此段地層從上至下依次為淤泥層、淤泥質(zhì)粉細(xì)砂層、中粗砂層、強(qiáng)風(fēng)化混合巖、中等風(fēng)化混合巖，盾構(gòu)穿越地層為淤泥層、強(qiáng)風(fēng)化混合巖、中等風(fēng)化混合巖。發(fā)生地面沉陷后，盾構(gòu)機(jī)土倉(cāng)內(nèi)充滿土體，部分為淤泥質(zhì)土，其上中粗砂地層發(fā)生下陷，造成盾構(gòu)上方地層與地表連通，所以出現(xiàn)冒泡和泡沫溢出的現(xiàn)象。      從上述個(gè)方面分析可以看出，在此段地層由于盾構(gòu)機(jī)刀具磨損嚴(yán)重，無(wú)法正常掘進(jìn)，導(dǎo)致淤泥質(zhì)土源源不斷進(jìn)入土倉(cāng)，同時(shí)土倉(cāng)所建立的壓力，擊穿中粗砂，致使地層與地面連通。由于盾構(gòu)機(jī)刀具

6、已經(jīng)嚴(yán)重磨損，無(wú)法對(duì)前部的中風(fēng)化及微風(fēng)化巖進(jìn)行掘進(jìn)，同時(shí)地層與地面已經(jīng)連通，無(wú)法使土倉(cāng)壓力保持穩(wěn)定，無(wú)法進(jìn)行帶氣壓作業(yè)。因此需要進(jìn)行地層加固來(lái)穩(wěn)定掌子面進(jìn)行換刀作業(yè)。3加固方案的實(shí)施      由于塌陷是在海蔓灘(亦是水閘進(jìn)出口)，所以最初的加固方案是，在加固之前先行筑島。官洲島是個(gè)四面環(huán)水的島嶼，周邊無(wú)道路、無(wú)材料，只能通過(guò)運(yùn)沙船，進(jìn)行吹沙筑島。在水閘的上下游，分別用編織袋堆碼寬度2m的擋土墻，高于漲潮水位1m，利用吹砂機(jī)向中間輸送砂子。完成筑島后，在盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)前0.8m鉆1排1200mm、C30素混凝土樁，共13根，樁底至中風(fēng)化巖面，樁間止

7、水采用旋噴水泥漿。素混凝土樁前進(jìn)端采用3排600mm旋噴樁，樁底至中風(fēng)化巖面。素混凝土樁后退端采用5排600mm和2排300mm旋噴樁，樁底至盾構(gòu)機(jī)。加固方案見(jiàn)圖2。      最初的加固方案確定后，在施工鉆孔樁過(guò)程中，成孔進(jìn)尺相當(dāng)緩慢，從鉆出的渣樣看是花崗巖片石。經(jīng)調(diào)查，原有堤壩基礎(chǔ)施工時(shí)有回填片石（是花崗巖片石），并且堤壩基礎(chǔ)為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。這樣，鉆孔樁和旋噴樁的施工都極其困難和相當(dāng)緩慢。因此，必須對(duì)原有加固方案進(jìn)行修改，以適應(yīng)工期的需要?？紤]到該處無(wú)法運(yùn)輸混凝土，要灌注混凝土只能通過(guò)用船從海上運(yùn)輸，并且泵車(chē)也得用船運(yùn)來(lái)，并在船上進(jìn)行灌注

8、混凝土，由于海水的漲退潮關(guān)系，混凝土的輸送管道需100多米長(zhǎng)，在海面上難以架設(shè)。因此，加固方案修改為利用旋噴樁斜打袖閥管至盾構(gòu)機(jī)頂部然后進(jìn)行壓注水泥漿，改善淤泥層范圍內(nèi)的土質(zhì)，增強(qiáng)強(qiáng)度。加固寬度為3m，刀盤(pán)前進(jìn)端1m，刀盤(pán)后退端2m。在隧道右側(cè)以旋噴樁加固，刀盤(pán)后面加固深度到達(dá)盾構(gòu)機(jī)外殼，刀盤(pán)前面加固深度到隧道中線。由于刀盤(pán)處左側(cè)位于水閘底板，在側(cè)面利用袖閥管注漿加固。修改加固方案見(jiàn)圖3。      修改后的加固方案，共完成旋噴樁47根，旋噴壓力達(dá)23MPa，其中左后方完成19根，右后方完成28根，水泥用量為79t；完成袖閥管64根，袖閥管注漿

9、壓力為1MPa，其中東側(cè)完成30根，西側(cè)完成34根，水泥用量為92t，水玻璃用量為10t。旋噴樁及袖閥管施工時(shí)均加入了一定量的速凝劑，達(dá)到縮短凝固時(shí)間的效果。      2005年2月28日加固施工完成，3月3日下午對(duì)加固體進(jìn)行了部分抽芯檢查。共抽芯2個(gè)孔，抽芯深度為地面以下1722m，部分抽芯照片如圖4。從抽芯取樣情況來(lái)看，從17m即有漿液擴(kuò)散，加固體內(nèi)漿液擴(kuò)散較均勻，19m以下深度取樣較連續(xù)，在21.522m范圍有全風(fēng)化混合巖地層出現(xiàn)。抽芯程段狀，不連續(xù)，其原因可能是加固不均勻所致，不適合進(jìn)行敞開(kāi)土倉(cāng)換刀作業(yè)。經(jīng)研究分析，認(rèn)為加固過(guò)程中注進(jìn)

10、了220t水泥，掌子面應(yīng)該有一定的穩(wěn)定性，因此，決定土倉(cāng)帶壓換刀作業(yè)。帶壓換刀作業(yè)從3月13日開(kāi)始，到4月6日換刀作業(yè)完成，共用25天時(shí)間，更換單刃滾刀28把，雙刃滾刀4把。換刀作業(yè)完成后恢復(fù)掘進(jìn)，盾構(gòu)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)正常。4結(jié)束語(yǔ)      本次盾構(gòu)機(jī)施工過(guò)程中出現(xiàn)的地面塌陷問(wèn)題，經(jīng)過(guò)采取科學(xué)合理的加固技術(shù)措施，地面塌陷得到了控制，這對(duì)今后的工作有很好的技術(shù)借鑒作用，可總結(jié)如下幾方面經(jīng)驗(yàn)。      (1)根據(jù)刀具配置情況，收集刀具在各種地層的磨損程度，同時(shí)根據(jù)本項(xiàng)目的盾構(gòu)機(jī)在相同的地質(zhì)條件下掘進(jìn)的磨損

11、情況，來(lái)判斷刀具對(duì)地層的適應(yīng)性，并分析判斷在掘進(jìn)多長(zhǎng)距離時(shí)，需要開(kāi)倉(cāng)檢查刀具。本次地面塌陷就是忽視了掘進(jìn)距離與刀具磨損情況的分析，在強(qiáng)風(fēng)化混合巖、中等風(fēng)化混合巖、微風(fēng)化混合巖地層地層中掘進(jìn)110環(huán)，而未檢查換刀。導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)遇到不良地層時(shí)就無(wú)法正常掘進(jìn)。      (2)施工過(guò)程中要注意檢查、記錄土倉(cāng)溫度及排出渣土的溫度，當(dāng)渣土溫度比正常情況偏高時(shí)，要注意檢查刀具。本次施工過(guò)程渣土的溫度明顯很高，人在隧道內(nèi)行走感覺(jué)比平時(shí)熱很多，所出的渣土都冒熱氣，但這些情況沒(méi)能引起各方的警惕，耽誤了及時(shí)開(kāi)倉(cāng)的時(shí)機(jī)。      (3) 勤檢查、勤換刀應(yīng)作為盾構(gòu)施工管理的常理。本次地面坍塌，其中一個(gè)原因就是當(dāng)初分析前方有侖頭海斷層，估計(jì)會(huì)噴涌嚴(yán)重，不利于開(kāi)倉(cāng)檢查，所以沒(méi)有對(duì)刀具進(jìn)行檢查，錯(cuò)過(guò)了換刀機(jī)會(huì)，以致遇到上軟下硬地層時(shí)就無(wú)法掘進(jìn)了。