杭州慶春路過江隧道泥水盾構(gòu)施工沉降分析及處理措施

杭州慶春路過江隧道泥水盾構(gòu)施工沉降分析及處理措施

1隧道工程建設(shè)中典型風(fēng)險(xiǎn)的控制與一般工程相比，隧道工程具有隱蔽性、施工復(fù)雜性、地層條件和環(huán)境不確定性等突出特點(diǎn)，施工過程中的風(fēng)險(xiǎn)不斷增加。在國(guó)內(nèi)外隧道工程建設(shè)過程中,曾發(fā)生過一些嚴(yán)重的工程事故,導(dǎo)致人員傷亡、財(cái)產(chǎn)損失、負(fù)面社會(huì)影響和生態(tài)環(huán)境損失等。因此,如何規(guī)避、減輕和控制隧道工程建設(shè)中的風(fēng)險(xiǎn),已成為亟待解決的問題。風(fēng)險(xiǎn)的控制應(yīng)該貫穿在規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工等各個(gè)階段,并需要業(yè)主、施工單位、監(jiān)理等各方的通力合作。本文主要通過杭州慶春路過江隧道施工過程中的若干風(fēng)險(xiǎn)控制工程實(shí)例,分析了風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的根源,介紹了風(fēng)險(xiǎn)的處理措施,并提出了規(guī)避類似風(fēng)險(xiǎn)的建議。結(jié)合工程實(shí)際所提出的過江隧道風(fēng)險(xiǎn)控制措施,可為相關(guān)研究與工程施工提供可靠依據(jù)。2工程概論和地質(zhì)條件2.1標(biāo)準(zhǔn)塊和2鄰接塊管片分塊問題杭州慶春路過江隧道南北方向垂直穿越錢塘江,盾構(gòu)段總長(zhǎng)3532.442m,其中東線長(zhǎng)1765.478m,西線長(zhǎng)1766.924m。管片外徑為11.3m,內(nèi)徑為10.3m,厚50cm,環(huán)寬2m。采用通用契型環(huán)管片和6標(biāo)準(zhǔn)塊+2鄰接塊+1封頂塊的分塊形式,錯(cuò)縫拼裝,縱環(huán)向采用高強(qiáng)螺栓連接。隧道位置及走向見圖1。工程中采用已順利完成武漢長(zhǎng)江隧道工程的2臺(tái)泥水盾構(gòu),經(jīng)改造后,用于本工程。2臺(tái)盾構(gòu)機(jī)均從江南盾構(gòu)工作井始發(fā),盾構(gòu)始發(fā)段縱向坡度為-4.25%。盾構(gòu)主機(jī)長(zhǎng)11.4m,盾構(gòu)主機(jī)總重11000kN,外徑為11.65m。2.2圍巖地質(zhì)概況沿線場(chǎng)地地貌主要為錢塘江河床及兩岸的錢塘江河口沖海積平原,錢塘江南北兩岸已建成標(biāo)準(zhǔn)堤塘,岸區(qū)已不受潮汐影響,地貌上屬平原。擬建隧道與錢塘江垂直,該段河面寬約1200m,岸區(qū)標(biāo)高5.0~6.5m(1985年國(guó)家高程基準(zhǔn)),北岸為錢江新城,已建成慶春路,道路兩側(cè)以綠化帶為主;南岸以苗木、魚塘為主,受人工魚塘開挖影響,微地貌有一定起伏。盾構(gòu)施工主要穿越地層(3)粉砂夾粉土、層(4)淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、層(5)粉質(zhì)黏土、層(6)粉質(zhì)黏土、層(7)粉細(xì)砂和層(8)圓礫。各土層物理力學(xué)指標(biāo)見表1。隧道縱斷面見圖2。孔隙潛水賦存于場(chǎng)區(qū)淺部人工填土及其下部粉、砂性土層內(nèi),水位高,滲透性好。層(7)砂土、層(8)圓礫為承壓水層。承壓水位高,透水性強(qiáng)。3風(fēng)險(xiǎn)控制的示例3.1洞門密封失效機(jī)理盾構(gòu)進(jìn)出洞是盾構(gòu)法隧道施工中的一道關(guān)鍵工序。目前國(guó)內(nèi)盾構(gòu)法隧道多起事故均發(fā)生在盾構(gòu)進(jìn)出洞階段,包括洞門處土體涌入井內(nèi)、洞門周圈涌泥水、盾構(gòu)進(jìn)洞時(shí)姿態(tài)突變、加固區(qū)土體坍塌等,其中洞門密封失效是盾構(gòu)始發(fā)過程中的第一大風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。洞門密封一旦失效,將會(huì)導(dǎo)致盾構(gòu)開挖面泥水從洞門涌出,嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致盾構(gòu)開挖面失穩(wěn),引起地面坍塌。該工程西線盾構(gòu)出洞時(shí)曾因洞門密封失效導(dǎo)致洞口涌泥水,并引發(fā)加固區(qū)土體坍塌,江南盾構(gòu)始發(fā)井端頭土體加固及降水見圖3。3.1.1方案二:暗水加入加固區(qū)2009年5月8日,西線盾構(gòu)穿越素混凝土止水帷幕時(shí),洞門開始涌泥水,如圖4所示。盾構(gòu)穿越素混凝土墻時(shí)洞門涌泥水原因:(1)洞門圈設(shè)有注漿孔,可封堵洞門鋼圈與混凝土墻之間的間隙,但施工中未注漿;洞門鋼圈與混凝土墻以及鋼圈與盾構(gòu)外殼之間有縫隙,洞門圈密封效果不好。(2)盾構(gòu)穿越素混凝土防滲墻時(shí),采用清水循環(huán)加壓切割,水壓很大。清水在高壓下沿盾構(gòu)外殼和周圍土體之間的間隙流至洞門,加上洞門密封效果欠佳,從而涌出。(3)盾構(gòu)機(jī)出洞時(shí)呈-4.25%的坡度,姿態(tài)較難控制,致使盾尾和洞門圈之間出現(xiàn)較大縫隙。穿越素混凝土墻時(shí)的高壓循環(huán)水沿該縫隙涌出?？傊?在盾構(gòu)出洞階段發(fā)生洞門涌泥水現(xiàn)象,主要是洞門密封效果不好,難以抵擋穿越素混凝土墻時(shí)高壓水及一般狀態(tài)下后竄泥水的沖擊。洞門涌泥水后,盾構(gòu)停止掘進(jìn),立即用棉麻紗等進(jìn)行堵漏,洞門圈內(nèi)注油脂堵漏劑封堵空隙;加固區(qū)兩側(cè)打設(shè)8口疏干井和2口承壓井進(jìn)行降水,以降低地下水位(降水井布置見圖3)。盾構(gòu)繼續(xù)掘進(jìn)時(shí),降低泥水壓力,以減少對(duì)洞門密封的沖擊。在采取上述措施之后,盾構(gòu)機(jī)穿越了加固區(qū),避免了洞門再次涌泥水。在汲取西線盾構(gòu)出洞洞門涌泥水的教訓(xùn)后,東線盾構(gòu)出洞時(shí),通過洞門圈預(yù)留的注漿孔進(jìn)行注漿,并在洞門圈外側(cè)澆筑混凝土,以封堵洞門圈與混凝土墻之間的空隙,加強(qiáng)洞門的止水效果。采取這些措施之后,東線盾構(gòu)在穿越加固區(qū)時(shí)未出現(xiàn)洞門涌泥水的現(xiàn)象。3.1.2降水井降低地下水位,降低洞門再次涌泥水風(fēng)險(xiǎn)2009年5月17日,西線盾構(gòu)切口即將穿越加固區(qū),盾尾上半部分已進(jìn)入洞門圈,下半部分在洞門圈外。此時(shí),距洞門約16m處地面土體出現(xiàn)少量塌陷,至19日出現(xiàn)大面積塌陷,鋼筋混凝土地面下土體流失嚴(yán)重,出現(xiàn)大面積虛空。見圖5。加固區(qū)地面坍塌的原因:(1)部分泥水從洞門涌入工作井內(nèi),加固區(qū)水土流失。(2)在端頭范圍內(nèi)打設(shè)8口疏干井、2口承壓井進(jìn)行降水,地下水位降低,土體有效應(yīng)力增加,土體產(chǎn)生沉降。(3)為防止洞門再次涌水,盾構(gòu)穿越加固區(qū)時(shí)降低了泥水壓力,小于掘削面水土壓力,致使掘削面土體失穩(wěn),引起切口前方土體塌陷。地面坍塌后,盾構(gòu)機(jī)繼續(xù)掘進(jìn),快速地穿過坍塌區(qū)域。地面坍塌區(qū)域進(jìn)行土體回填;待回填土體靜置穩(wěn)定后,注水泥漿填充(見圖6,7)。該工程洞門涌泥水和地面坍塌均出現(xiàn)在盾構(gòu)穿越加固區(qū)時(shí),此時(shí)同步注漿漿液尚未發(fā)揮作用,加上承擔(dān)壓力區(qū)域有限,切口泥水后竄將壓力直接作用在洞門處。如果洞門圈密封效果不好,很容易導(dǎo)致洞門噴水漏漿,洞門密封一旦失效,水土從洞門流失,同時(shí)難以建立泥水壓力平衡開挖面水土壓力,嚴(yán)重時(shí)又會(huì)引發(fā)加固區(qū)地面坍塌。因此,規(guī)避此類事故的關(guān)鍵是保證洞門的密封效果。西線在加固區(qū)兩側(cè)打設(shè)降水井降低地下水位,降低了洞門再次涌泥水的風(fēng)險(xiǎn)。但是,長(zhǎng)時(shí)間的施工降水,又會(huì)引起加固區(qū)地面沉降,這是導(dǎo)致西線加固區(qū)地面坍塌的原因之一。由此看來,盾構(gòu)出洞階段加固區(qū)范圍內(nèi)施工降水應(yīng)慎重分析,適當(dāng)控制降水量、降水時(shí)間及降水范圍,既減少出洞階段地下水對(duì)洞門密封的沖擊,又避免因降水引起加固區(qū)過大沉降。3.2泥水駁岸結(jié)構(gòu)控制標(biāo)準(zhǔn)錢塘江南岸防洪堤是杭州市濱江區(qū)及蕭紹平原的防洪屏障,按50a一遇標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。大堤結(jié)構(gòu)帶有平臺(tái)的復(fù)合式斜坡:堤頂鋪有瀝青路面,寬7m;迎水側(cè)設(shè)有擋浪墻,擋浪墻頂高程為11.17m;迎水坡面帶有2m寬平臺(tái)的復(fù)合式混凝土灌砌塊石護(hù)坡,堤腳設(shè)有鋼筋混凝土護(hù)坦及小沉井防沖刷保護(hù);背水面為土坡,上植草皮。大堤結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見圖8。西線盾構(gòu)于2009年5月5日開始掘進(jìn),7月24日至8月3日期間穿越大堤;東線盾構(gòu)于2009年6月22日始發(fā),8月29日至9月2日穿越大堤。東、西線相距60m,在正常施工情況下相互影響較小。在大堤上垂直隧道方向布置4排監(jiān)測(cè)點(diǎn),編號(hào)D16~D19,布置情況見圖8,9。圖10為東西線隧道軸線位置堤頂沉降隨盾尾離開各監(jiān)測(cè)斷面時(shí)間的變化曲線。從圖中可以看出,東線盾構(gòu)穿越大堤時(shí)引起的大堤沉降明顯小于西線。分析認(rèn)為:(1)西線盾構(gòu)穿越大堤時(shí)降雨頻繁,且雨量大,持時(shí)久;降雨加劇了大堤沉降。降雨增加了大堤淺部土體的容重,并降低了其抗剪強(qiáng)度;大堤土體受到盾構(gòu)施工擾動(dòng),加上堤頂來往車輛對(duì)土體施加循環(huán)荷載,使大堤內(nèi)部土體迅速飽和,在地表持續(xù)降雨下,超孔隙水難以及時(shí)排出,使土體更容易產(chǎn)生流滑。(2)西線盾構(gòu)在穿越大堤時(shí),由于出渣不暢造成出漿管堵塞,泥漿管內(nèi)壓力急劇增大,導(dǎo)致泥漿軟管發(fā)生爆裂,引起切口泥水壓力發(fā)生劇烈波動(dòng),盾構(gòu)停機(jī)保壓1d,更換泥漿軟管。當(dāng)盾構(gòu)恢復(fù)掘進(jìn)時(shí)又對(duì)地層產(chǎn)生較大的擾動(dòng)。(3)在充分總結(jié)西線盾構(gòu)過堤的經(jīng)驗(yàn)后,東線盾構(gòu)穿越大堤時(shí)采取了一系列施工措施,優(yōu)化了施工參數(shù),減少了施工對(duì)大堤的擾動(dòng)。工程實(shí)例表明,不同類型的基礎(chǔ)對(duì)地面沉降的承受能力是不同的,可選取差異沉降極限δ/L,其中δ為差異沉降量;L為差異沉降點(diǎn)之間距離、最大沉降量及裂縫開展量等,作為建筑物變形主要控制指標(biāo)。周文波根據(jù)上海隧道施工經(jīng)驗(yàn)和國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn),制定了上海盾構(gòu)隧道施工近鄰建筑物保護(hù)標(biāo)準(zhǔn),取差異沉降極限和最大沉降量作為控制標(biāo)準(zhǔn)。馬可栓在武漢長(zhǎng)江隧道盾構(gòu)施工中,取差異沉降極限、最大沉降量及裂縫開展量作為控制標(biāo)準(zhǔn)。西線堤頂沉降在盾構(gòu)穿越90d后趨于穩(wěn)定,最大沉降量控制在70mm以內(nèi),差異沉降極限在0.24%之內(nèi)?，F(xiàn)場(chǎng)觀察大堤,未發(fā)現(xiàn)明顯裂隙,雖然,西線盾構(gòu)穿越時(shí)大堤沉降相對(duì)東線較大,但仍在安全范圍內(nèi),未對(duì)大堤的正常使用和堤頂車輛的安全通行造成太大影響(圖11)。因此,對(duì)于類似結(jié)構(gòu)的土石堤壩,可以取差異沉降極限與最大沉降量作為控制標(biāo)準(zhǔn),當(dāng)差異沉降極限和最大沉降量分別控制在0.24%以及70mm之內(nèi)時(shí),盾構(gòu)施工擾動(dòng)對(duì)大堤的正常使用和安全不會(huì)造成太大影響。對(duì)于其他結(jié)構(gòu)形式的堤壩,應(yīng)結(jié)合國(guó)內(nèi)外控制標(biāo)準(zhǔn)和類似工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),針對(duì)性地提出切實(shí)可靠的控制標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)合本工程盾構(gòu)越堤的工程經(jīng)驗(yàn),對(duì)泥水盾構(gòu)穿越大堤給出以下建議:(1)盾構(gòu)穿越大堤期間發(fā)生持續(xù)降雨時(shí),考慮到雨水入滲增加了土體重度,應(yīng)將切口泥水壓力適當(dāng)提高0.01~0.02MPa。對(duì)大堤上出現(xiàn)的張拉裂縫應(yīng)立即采取防滲措施,防止雨水入滲。(2)因穿堤時(shí)覆土厚度不斷變化,泥水壓力難以隨水土壓力及時(shí)調(diào)節(jié),為避免泥水壓力過小導(dǎo)致開挖面土體失穩(wěn),建議取隧道最大埋深設(shè)定泥水壓力,同時(shí)將大堤結(jié)構(gòu)的超載考慮在內(nèi)。(3)優(yōu)化施工參數(shù),并使各參數(shù)相匹配,使對(duì)周圍地層的影響最小?？刂坪媚嗨畨毫?、流量及質(zhì)量,避免堵管等使泥水壓力劇烈波動(dòng);合理地設(shè)定注漿壓力,充分及時(shí)地注漿,確保漿液質(zhì)量;控制好盾構(gòu)姿態(tài),確保平穩(wěn)快速地掘進(jìn)。(4)在大堤上設(shè)置測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)大堤沉降,并根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果實(shí)時(shí)優(yōu)化掘進(jìn)參數(shù),出現(xiàn)險(xiǎn)情及時(shí)處理。3.3江底盾修復(fù)3.3.1現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備狀況西線盾構(gòu)2009年8月8日16:30在第124環(huán)掘進(jìn)130cm時(shí),在1#,2#,18#油缸處,盾尾大量漏漿涌水,油脂、同步注漿漿液的填注根本無法封堵,直至21:00,采用同步注漿漿液中摻加油田堵漏劑方才完全堵住。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備狀況,初步判斷盾尾密封可能失效。為確保工程安全,在防止地下水涌入隧道的前提下,有必要對(duì)盾尾密封系統(tǒng)進(jìn)行檢查,根據(jù)檢查結(jié)果對(duì)盾尾刷進(jìn)行修復(fù),以保證后續(xù)施工的安全。圖12為盾構(gòu)盾尾漏漿位置地質(zhì)剖面圖。3.3.2錯(cuò)誤的原因分析盾構(gòu)機(jī)盾尾密封如圖13所示。分析認(rèn)為盾尾密封失效的原因如下:3.3.2.盾構(gòu)機(jī)改造前武漢長(zhǎng)江隧道盾尾密封在改造中存在局部缺陷,這是造成盾尾密封失效的主要原因:(1)油脂管采用半埋式埋設(shè),影響盾尾油脂在油脂腔內(nèi)正常流動(dòng),降低了盾尾油脂的填充質(zhì)量,加劇了盾尾刷的損壞。(2)同步注漿管采用明埋方式,止?jié){板與同步注漿管之間存在間隙,同步注漿漿液沿該間隙流入,直接沖擊盾尾刷,同時(shí)漿液凝結(jié)硬化后損傷尾刷。(3)盾構(gòu)機(jī)改造前(武漢長(zhǎng)江隧道)盾尾間隙為50cm,改造后(杭州慶春路過江隧道)為35cm。由于盾尾間隙變小,盾構(gòu)姿態(tài)及盾尾間隙控制難度加大,盾尾刷易受到管片局部擠壓而損壞。(4)盾尾刷局部油脂供給量可能偏小。盾構(gòu)機(jī)在前一階段粉質(zhì)黏土中掘進(jìn)時(shí),由于粉質(zhì)黏土的透水性小,對(duì)盾尾密封性能的要求較低,即使出現(xiàn)局部供給量偏少也不會(huì)引起盾尾漏漿。盾構(gòu)機(jī)進(jìn)入承壓水層后,對(duì)于盾尾密封性能要求加大,由于盾尾油脂局部供給量偏少引起盾尾漏漿。3.3.2.粉質(zhì)黏土充填法盾構(gòu)穿越地層較為復(fù)雜,盾構(gòu)需要掘進(jìn)通過地層(5)–1,層(5)–2粉質(zhì)黏土等不透水硬土地層,同時(shí),要面臨層(7)–1粉質(zhì)黏土夾粉砂、層(7)–2粉細(xì)砂、層(8)圓礫層等強(qiáng)透水層及高承壓水的沖擊。(1)在粉質(zhì)黏土中掘進(jìn),容易出現(xiàn)堵倉(cāng)、堵管等情況,泥水壓力波動(dòng)幅度較大,對(duì)盾尾密封形成沖擊。長(zhǎng)時(shí)間的沖擊易造成盾尾密封疲勞損傷。(2)盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)通過層(5)–1,(5)–2粉質(zhì)黏土硬土地層和層(7)–1粉質(zhì)黏土夾粉砂、層(7)–2粉細(xì)砂組成的復(fù)合地層時(shí),由于地層上硬下軟,盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)難以得到有效控制,盾尾刷易受到管片局部擠壓而損傷。(3)盾構(gòu)機(jī)所穿越得承壓水層水量大、透水強(qiáng)、壓力高,對(duì)盾尾密封的要求很高。3.3.3液氮凍結(jié)技術(shù)盾構(gòu)尾刷修復(fù)的難點(diǎn)在于管片拆除后盾尾的密封止水,以往工程實(shí)踐中盾尾刷的修復(fù)大都采用加大盾尾同步注漿量及改變注漿配比以加快漿液凝固等措施來加強(qiáng)盾尾密封止水的效果,上海長(zhǎng)江隧道尾刷修復(fù)時(shí)采用凍結(jié)法封水。該工程采用液氮凍結(jié)地層封水的方案進(jìn)行盾尾刷的修復(fù)。液氮凍結(jié)法修復(fù)尾刷具體施工流程:盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)到能夠檢查更換第1道尾刷的位置→在盾尾止?jié){板外側(cè)管片周圍垂直管片鉆孔,安裝液氮循環(huán)凍結(jié)孔→液氮循環(huán),在管片與盾殼之間形成一個(gè)封閉的凍結(jié)環(huán)→檢查冷凍止水效果→封閉滿足要求后拆除最后1環(huán)管片的部分管片→檢查修復(fù)第1道尾刷,并增設(shè)一道尾刷→修復(fù)完成后復(fù)位管片,再拆除相鄰的管片修復(fù)尾刷,如此循環(huán)直至完成整個(gè)圓周的盾尾刷修復(fù)→停止凍結(jié),封孔、收尾→強(qiáng)制解凍→恢復(fù)掘進(jìn)。圖14為盾構(gòu)繼續(xù)推進(jìn)一段距離后能夠恢復(fù)盾尾刷的位置。此時(shí),拆除第124環(huán)管片,第1道盾尾刷露出,即可對(duì)第1道盾尾刷進(jìn)行修復(fù),并在前面加設(shè)1道尾刷,即第0道尾刷,詳見圖15。液氮凍結(jié)原理如圖16所示。在第123環(huán)管片上鉆36個(gè)凍結(jié)孔,編號(hào)1~36,分5組?？咨钪炼軜?gòu)機(jī)外殼外側(cè)土體。凍結(jié)孔開孔間距為0.90m,終孔間距為1.10m,進(jìn)入土層0.60m。進(jìn)氣管為直徑40mm低溫不銹鋼軟管,排氣管為內(nèi)徑108mm不銹鋼管。設(shè)置6個(gè)測(cè)溫孔監(jiān)測(cè)凍結(jié)溫度場(chǎng),編號(hào)C1~C6,C1,C3,C5測(cè)溫孔中各布設(shè)2個(gè)測(cè)溫點(diǎn),C2,C4,C6中各布設(shè)6個(gè)測(cè)溫點(diǎn)。具體布置見圖17。在凍結(jié)過程中加強(qiáng)溫度監(jiān)測(cè),為判斷盾尾刷更換時(shí)機(jī)提供依據(jù),既防止溫度過低對(duì)盾構(gòu)材質(zhì)的影響,又要防止焊接過程中產(chǎn)生熱量影響封水效果。圖18為第123環(huán)管片上安裝好的液氮凍結(jié)孔及保溫板,圖19為測(cè)溫孔的安裝及調(diào)試,圖20為預(yù)更換和加設(shè)的新盾尾刷。圖21為第124環(huán)管片拆除后第1道盾尾刷的情形。由圖中可以看出,部分尾刷鋼板脫落,尾刷磨損嚴(yán)重。圖22為第1道盾尾刷的更換及第0道盾尾刷的增設(shè)過程。盾尾刷修復(fù)完成后對(duì)冷凍孔進(jìn)行封堵。冷凍管內(nèi)使用快干水泥進(jìn)行填充;將冷凍管在孔口深15cm位置割除,然后,將孔內(nèi)剩余冷凍管用10mm厚鋼板焊接封閉;采用微膨脹水泥進(jìn)行孔口段的回填;在孔口位置安裝加固鋼板;注入聚氨酯堵漏劑