南京地铁盾构隧道盾尾刷更换过程地表变形分析

郭建强 李长春 徐 源 高 永 李俊才,3 张志铖

(1.南京地下铁道有限责任公司,210008,南京;2.南京南大岩土工程技术有限公司,210008,南京;3.南京工业大学土木工程学院,210009,南京∥第一作者,高级工程师)

盾构推进施工过程中,应尽可能保证不发生漏浆现象。文献[1]详细论述了漏浆的危害性以及发生漏浆的原因。盾尾密封刷是确保不发生漏浆的前提。然而,盾尾刷却是非常容易损坏且难以修复的部件,如何在施工中途进行盾尾刷更换,是解决盾构区间掘进的关键技术之一。文献[2]以广州地铁为背景论述了尾刷更换的技术、技术措施及更换过程。文献[3]对广州地铁3号线珠江新城站——客村站区间土压平衡盾构机的盾尾刷构造、更换原因及更换过程进行说明,具有较大的参考价值。本文以南京地铁粉质黏土层盾尾刷更换为工程背景,总结前人的研究成果,结合工程自身特点,讨论盾尾刷更换过程对地表变形的影响,为同类工程提供参考。

1 地质概况

南京地铁1号线南延线河定桥站——胜太路站区间地貌单元属于秦淮河冲积平原。盾构机主机所处地质条件上部为③-2-2c2-3粉土层,透水性强。根据实际掘进出土情况分析,该土层局部夹粉细砂;下部在③-2b2粉质黏土层中,土质较硬、黏度大、透水性差。具体地层物理力学参数见表1。

表1 盾构机主机所处地层物理力学参数表

2 盾尾密封刷构造及作用

2.1 盾尾密封刷构造

盾尾密封刷系统是盾构机正常掘进的关键系统之一。追溯盾构机的应用实践,盾构法隧道施工所发生的安全事故常常不在盾构机头而在盾尾[1]。盾构机盾尾密封一般有刚性密封和柔性密封。由于刚性密封对管片生产和管片拼装质量要求较高,逐渐被柔性密封取代[1]。盾尾密封必须能够承受土压和水压,以及泥浆压力。盾构机盾尾密封刷构造见图1。从图1可以看出,盾尾有3道密封刷,盾尾密封刷之间的间隙通过注入盾尾密封油脂,保证盾尾管片背后同步注浆的浆液不会从管片和盾构机之间的间隙漏出,同时防止地下水渗漏到盾构机内[2]。

图1 盾构机盾尾密封刷构造图

2.2 盾尾密封刷作用

土压平衡式盾构机盾尾密封是保证盾构机与地下水隔离的一道非常重要的安全屏障。如果盾尾密封刷出现问题,同步注浆及二次注浆过程不可避免将发生漏浆现象。漏浆会产生一系列危害性后果:可导致地面不均匀沉降、地面构筑物开裂或者变形,既存在安全隐患,又破坏构筑物的美观;可导致隧道上下浮动、左右偏移、管片错台、渗漏水等质量缺陷,进而影响到以后的地铁运行;导致资源浪费,污染环境且增加了清理量,延误掘进进度。

3 密封刷更换过程

3.1 更换原因

盾构机在掘进过程中,特别是在长距离掘进时,往往会由于盾尾密封油脂加注量不足、盾构机姿态调整过猛等原因,致使盾尾密封刷损坏。如果盾尾密封性能不良,大量地下水从破损的盾尾渗流到隧道内,后果将不堪设想。本工程区间推进到203环管片(掘进243.6 m),前期推进过程中多次、频繁发生盾尾漏浆、漏水甚至涌砂的情况,并造成个别部位地面沉降严重超过报警值(3 mm/d)。考虑本区后面还要遇到全段面的粉土和粉砂地层,漏水、漏砂的危险性更大,业主、监理和施工方经多方面研究,决定对盾尾内侧两道密封刷进行检修,以便及时解决盾尾漏水问题,保证盾构推进施工正常进行。

3.2 准备工作

3.2.1 更换位置选择

应尽量避免在软弱土层部位更换盾尾密封刷。软弱土层部位盾构机在自重的作用下,容易发生低头。一旦发生盾构机低头就较难处理。本工程经多方专家论证,盾尾刷更换选择在隧道及下部为粉质黏土层的位置。该层土质较硬、黏度大、透水性差。

3.2.2 注浆止水

盾尾密封刷更换需要进行焊接作业:先将旧的盾尾刷拆除,再将新的盾尾刷焊接到盾尾。焊接前必须对盾尾刷后部2～5环的管片进行管片壁后二次注入水泥-水玻璃双液浆,将管片与地层之间的流水通道完全封死,防止地下水通过盾尾进入盾构机内而给更换、焊接施工造成不便。在注浆及二次注浆过程中,注浆压力一定要合理控制。若注浆压力过大,将产生一系列的危害:①管片间的接头可能受到破坏,容易使管片错台,有可能引发重大工程事故;②引起地表的有害隆起;③破坏管片衬砌;④加重盾尾密封刷进一步损坏。若注浆压力过小,则无法保证注浆量,注浆将达不到预计的效果,且注浆层会有余留空隙,不仅地层将会向隧道方向移动,产生较大幅度的沉陷,而且管片与地层之间的流水通道不能被完全封死,地下水可能通过盾尾进入盾构机内,给更换、焊接施工造成不便。本工程经详细分析计算,最终将注浆压力控制在0.6～0.8 MPa。

3.2.3 推进千斤顶行程的确定

比较适合的千斤顶行程约为1 200 mm。此行程可将已经安装的紧贴千斤顶撑靴的管环部分环片拆除,并将盾尾刷露出1～2道,既可保证更换的安全性,又具备操作性。

3.2.4 施工设备材料准备

要准备好气割、电焊机、焊条,以及填充盾尾间隙和盾尾刷的盾尾密封油脂等材料。

3.3 更换过程

在上述准备工作完毕后,即可进行盾尾密封刷更换。以K块位于管环1点为例加以说明(见图2):更换顺序可以按照K→C→B→A1→A2→A3管片顺时针方向进行,也可以按照K→C→A3→A2→A1→B管片逆时针方向进行;管片绕管环中心旋转的角度以保证K块位置为准。本工程中管环顺时针旋转了72°,即K块盾尾更换前位于1点位置,盾尾更换后位于3点位置。

图2 衬砌环平面及剖面图

4 盾构施工引起地表沉降研究

4.1 地层沉降原因

盾构推进一般会发生地基变形。其原因有:

(1)开挖面上的土水压力不平衡导致开挖面失去稳定性。此时,压力舱压力大于开挖面土压力和水压力时出现地基隆起,相反会出现地基沉降。

(2)盾构推进对围岩的扰动。盾构壳板和围岩的摩擦以及围岩的扰动会引起地基隆起和沉降。尤其在蛇曲修正、曲线推进时如采用超挖,会使围岩松动的范围变大,加大地基的沉降量。

(3)盾尾空隙的发生和壁后注浆的不足。盾构施工必然产生盾尾空隙,这一空隙会引起地基的应力释放而产生弹塑性变形。一般可通过实施壁后注浆来控制,但壁后注浆的材料、注浆时间、位置、压力、注浆量等都会影响地基的变形量。

(4)衬砌管片的变形和变位。管片从盾尾脱出后,受到围岩荷载作用发生一些变形或变位,造成地基沉降,但其量一般较小。

(5)地下水位下降。由于漏水或降水引起的地基沉降。

4.2 地层沉降的机理

由盾构法施工引起的地层损失和经扰动后的土颗粒再固结,是形成地面沉降的两个主要因素。

4.2.1 土体损失

隧道的挖掘土量常常由于超挖或盾构与衬砌间的间隙等问题而比以隧道断面面积计算出的量大得多。这样,就使盾构隧道与衬砌之间产生空隙。在软黏土中空隙会被周围土壤及时填满,引起地层运动,产生施工沉降,也称瞬时沉降。土的应力因此而发生变化,随之而形成应变-变形-位移-地面沉降。

地层损失是指盾构施工中实际挖除的土壤体积与理论计算的排土体积之差,一般可分为三类:

第一类,正常地层损失。这里排除了各种主观因素的影响,认为操作过程是认真仔细的,完全合乎预定的操作规程,没有任何失误,地层损失的原因全部归结于施工现场的客观条件,如施工地区的地质条件或盾构施工工艺的选择等。这是因为在实际施工中无论选用何种类型的盾构,都不可避免地会产生地面沉降。一般地说,这种沉降可以控制到一定限度,由此而引起的地面沉降槽体积与地层损失量是相等的。在均质的地层中正常地层损失引起的地面沉降也比较均匀。

第二类,非正常地层损失。指由于盾构施工过程中操作失误(如盾构驾驶过程中各类参数设置错误、超挖、压浆不及时等)而引起的地层损失。非正常地层损失引起的地面沉降有局部变化的特征,然而,一般还可以认为是正常的。

第三类,灾害性地层损失。盾构开挖面有突发性急剧流动,甚至形成暴发性的崩塌,引起灾害性的地面沉降。这常是由于施工中遇到水压大、透水性强的颗粒状土的透镜体或地层中的贮水体。

4.2.2 固结沉降

固结沉降可分为主固结沉降和次固结沉降。盾构推进过程中的挤压、超挖和盾尾的压浆作用对地层产生扰动,使隧道周围地层产生正、负超孔隙水压力。主固结沉降为超孔隙水压力消散引起的土层压密。次固结沉降是由于土层骨架蠕动引起的剪切变形沉降。主固结沉降与土层厚度有着密切的关系。土层越厚,主固结沉降占总沉降的比例越大。因此,在隧道埋深较大的工程中,施工沉降虽然很小,但主固结沉降的作用决不可忽视。

在孔隙比和灵敏度较大的软塑和流塑性土层中,次固结沉降往往要持续几个月,有的甚至要几年以上。它占总沉降的比例可高达35%以上。

从理论上讲,盾构法施工引起隧道周围地表沉降是指主固结沉降、次固结沉降及施工沉降三者之和。如果不考虑次固结沉降,总沉降应等于地层损失造成的施工沉降和由于地层扰动引起的固结沉降之和。此时,位于隧道上方的任意一土层的相对沉降值是相同的。因为随着超孔隙水压力的消散,土颗粒向着它原来的相对位置移动,当超孔隙水压力全部消散完毕,土颗粒也就回到原来的相对位置。如果总沉降中计入次固结沉降,则还应加上由于地层土体原有结构破坏引起的蠕变沉降。

4.3 地层沉降的发展过程

盾构施工引起的隧道上方地表位移沿盾构前进方向可以分为5个不同的区段:①初始沉降,这部分沉降是由于盾构掘进扰动土体前方一定距离外压密使孔隙比减小引起的;②盾构工作面前方的沉降(土体隆起),由于正面土体受挤压而向上隆起以及孔隙水压力增加引起;③盾构通过时的沉降,这是由于土体扰动和盾构与土体之间的剪切错动引起的;④盾尾空隙沉降,由于土体脱离盾构支撑后应力释放引起的;⑤土体次固结沉降,这是由于土体扰动,变形随时间而增长引起的。

5 盾尾刷更换期间地表变形

2008年4月24日左线隧道掘进203环,累积掘进243.6 m,当晚进行注浆及二次注浆;2008年5月2日至5月3日进行盾尾密封刷更换;5月3日晚重新掘进。

盾尾密封刷的检修和更换需要在无水的情况下进行,因此在检修前需要对盾尾及周边土体进行加固止水;另外,从安全角度讲也要保证在检修期间不会发生涌水、涌砂事件。在检修前对盾尾后16环管片采取了二次注双液浆,每环在1点、6点及10点的位置共注3 m3浆液,直到压力达到0.6 MPa以上(如压力不足需增大注浆量)。

5.1 实际监测数据分析

L180～L230地表实测沉降及沉降速率如图3所示。通过对图3的分析可知,2008年4月24日L180～L200地表变形已趋于稳定,地表变形进入第五阶段(次固结阶段);L210地表沉降曲线出现拐点,地表变形逐渐趋于稳定;L220～L230地表沉降速率仍处于增大阶段。2008年4月25日晚至5月3日对盾尾进行注浆及二次注浆,L210～L230围岩与管片间的空隙被浆液填充,待浆液凝固稳定,围岩受到有效约束,地表变形迅速收敛。在此阶段,L220、L230地表沉降出现小幅反弹,反弹速率较小,地表变形较为稳定。

对比L180～L210与L220～L230地表变形趋于稳定的速度,L180～L210地表沉降速率收敛的速度要低于L220～L230,说明注浆及二次注浆有效改善了围岩的物理力学性质;同时,土颗粒间的孔隙水压密排出,空隙被浆液充分填充,土体抗剪强度及压缩模量得到较大的提高。

图3 L180～L230实测沉降及沉降速率曲线图

5.2 预测数据分析

目前,计算沉降量与时间关系的方法有两大类。一类为根据固接理论[4],结合各种土的本构模型计算沉降量的各种有限元法。此法由于计算参数较多,且需要做三轴试验,因而在工程设计中难以采用。第二类为根据实测资料推算沉降量与时间关系的预测方法,如指数曲线法、双曲线法、泊松曲线法[5-8]、对数抛物线法等。上述曲线中只有泊松曲线法能反映全过程的沉降-时间关系。

泊松曲线亦称为Logistic曲线,其表达式为:

式中:

St——t时刻对应的预测值;

t——时间;

a,b,k——待定参数。

L180～L230的预测沉降量(见表2、3)是对实测数据在没有注浆及二次注浆的前提下预测所得。

表2 地表沉降泊松曲线预测参数

表3 盾尾刷更换期间注浆效果分析

从表2可以清晰看出,盾尾密封刷更换期间地表变形分为两类:一类为盾尾密封刷更换期间未影响区段(L180～L200),另一类为盾尾密封刷更换期间有影响区段(L210～L230)。

地表L180～L200由于离盾尾的距离较远,管片与围岩间的注浆材料完全凝固,注浆材料与围岩整体结合,衬砌与围岩间的空隙被充分填充,盾尾密封刷更换期间注浆及二次注浆对其影响不大。此外,地表变形进入第五阶段(土体次固结阶段)。此阶段土体在有效应力不变的情况下,土颗粒间发生缓慢的剪切变形,致使土体发生流变变形,变形量随时间的增长而缓慢增长。

地表L210～L230离盾尾的距离较近,受注浆及二次注浆的影响较大,越靠近盾尾所受的影响越大。注浆及二次注浆过程中,双液浆液进入衬砌与土层间的空隙以后,注浆压力同时反向作用于围岩及管片,初时浆液是流动的状态,地表沉降及围岩的变形主要是受注浆压力的影响,注浆材料的整体刚度很低;随时间的变化,注浆材料开始凝固,由液态转为固态,它的整体刚度将大幅度提高,这时由已经减小的注浆压力和一定的注浆材料强度来影响地表的沉降及围岩的变形;最终,地层的变形渐渐受到约束而将外荷载传递至衬砌结构上。L210～L230地表沉降预测值与实测值的差量充分表明注浆及二次注浆取得理想的效果,不仅控制累积沉降量,而且抑止地表沉降速率,使得地层变形很快趋于稳定。

6 结论与建议

(1)盾尾密封刷是保证不漏浆的前提,在盾构施工过程中只有保证盾尾密封的完好,才能有效地防止漏浆。

(2)如盾尾漏浆严重,采用加大油脂注入量、在盾尾填塞止水材料、在不堵管的前提下适当增加砂浆的稠度、适当增加盾尾抽排水设备等措施无法保证施工的安全和质量时,需要对盾尾密封进行更换。为确保盾尾密封安全快速更换,需提前选择合适的更换位置。

(3)盾尾密封刷出现问题确定要进行更换,施工设备材料的准备及更换的方法选取必须快速合理。本文的更换方法及工程实例证明具有一定的实用与借鉴价值。

(4)该工程盾尾密封刷更换过程中地表的实测变形表明,采用0.6～0.8 MPa的注浆压力科学合理。但最佳的注浆压力应根据实际的地质情况结合数值计算方法确定一个初始值,然后以这个初始值进行试验后确定。

[1]张福民.盾尾密封在防止漏浆中的作用[J].隧道建设,2006,26(2):52.

[2]吴秀国.长距离隧道施工过程洞内修复盾构尾刷技术[J].广州建筑,2006(4):25.

[3]杜建华,彭彦彬,杜立峰,等.盾构掘进施工中盾构机盾尾密封更换关键技术研究[J].铁道建筑,2007(3):47.

[4]殷宗泽.土体沉降与固结[M].北京:中国电力出版社,1998.

[5]宰金珉,梅国雄.成长曲线在地基沉降预测中的应用[J].南京建筑工程学院学报,2000(2):8.

[6]宰金珉,梅国雄.泊松曲线的特征及其在沉降预测中的应用[J].重庆建筑大学学报,2001,26(1):30.

[7]梅国雄,宰金珉,殷宗泽,等.沉降-时间曲线呈“S”型的证明及其应用——从土体本构关系[J].岩土力学,2005,26:21.

[8]郭建强,龚洪祥,高永,等.泊松曲线程序优化设计沉降预测研究[J].建筑科学,2008,24:66.