大直径盾构小半径曲线段接收技术探讨

吕宝伟

(铁道第三勘察设计院集团有限公司城交分院,天津 300251)

1 工程概况

1.1 设计概述

某工程盾构机选用泥水加压平衡盾构机,盾构机外形轮廓尺寸为 φ12 m,盾构机长 11.44 m,总长约 57 m。圆形隧道内轮廓为 φ10.60 m,外轮廓为 φ11.60 m,管片的厚度为0.5m,管片环宽为 1.8m。盾构到达接收段位于半径为 600 m的曲线上,盾构隧道在到达盾构井处最小覆土厚度为 8.92m。

1.2 工程及水文地质条件

本工程范围内地层主要为第四系全新统新近沉积层(Q4si),第Ⅰ陆相层(Q4al)、第Ⅰ海相层(Q4m)、第 Ⅱ陆相层(Q4al)、第 Ⅲ陆相层(Q3al))、第 Ⅱ海相层(Q3m)、第Ⅳ陆相层(Q3al)、第Ⅲ海相层(Q3m);表层覆盖第四系全新统人工堆积层(Q4ml))。岩性主要为杂填土、素填土、黏土、粉土、粉质黏土、粉砂及细砂。盾构范围内主要为黏土、粉土、粉质黏土、粉砂及细砂。盾构接收段地质条件见图1。

隧道内表层地下水类型为第四系孔隙潜水。赋存于第Ⅱ陆相层及其以下粉砂及粉土中的地下水具有微承压性,为微承压水。潜水地下水位埋藏较浅,勘测期间水位埋深为 0.9～4.8 m。潜水主要依靠大气降水入渗和地表水体入渗补给,水位具有明显的丰、枯水期变化,受季节影响明显。勘测期间微承压水稳定水位埋深为 3.73～7.85 m。

2 设计中需要解决的主要问题

大直径盾构在小半径曲线的接收,如何解决盾构接收偏差和保证盾构安全接收,是本工程的重点与难点,其中到达接收方案、盾构到达段地下水处理、盾构到达段加固是在设计中需要解决的主要问题。

图1 盾构接收段地质纵剖面(单位:m)

3 到达接收方案

目前,在国内外盾构隧道工程中,尚没有在小半径圆曲线上接收盾构的工程实例,设计过程中就圆曲线上接收的理论偏差进行了分析,产生理论偏差的主要原因为:在小半径曲线段,由于盾构机本体为直线形的刚体,无法和曲线完全拟合[5]。在 R=600 m的圆曲线上按常规办法接收盾构,盾构机头一出洞,就要沿着井内盾构接收基座前进,盾构机在接收基座上很难按曲线纠偏,只能直线掘进,盾构机轴线与设计轴线存在偏差。考虑到正常的盾构掘进施工误差(含测量误差、管片制作拼装误差、盾构蛇行轴线误差),另外,本段盾构隧道所在场址处还有不少不明地下障碍物,所以在实际掘进过程中有可能发生左右侧一软一硬的现象,导致盾构机一侧偏移量更大,该段盾构机长度范围内隧道工后可能就无法满足限界要求,造成废弃工程。

针对本技术难点,设计过程中进行了盾构接收方案的比选分析,主要有以下 2个方案。

(1)正常的盾构井外增设备用副井方案

为了确保圆曲线接收盾构方案的可靠稳妥,采取适当延长盾构到达段的加固长度,同时在正常的盾构井外13.5m范围先实施副井围护结构地下连续墙(盾构范围采用玻璃纤维筋代替钢筋),如果该段盾构隧道工后无法满足限界要求,也无法实施调线调坡,则开挖副井段至管片底部,拆除该部分管片,按明挖隧道施作衬砌。

(2)盾构接收井回填方案

为了解决盾构接收理论偏差,确保盾构隧道工后满足限界要求,在盾构井主体结构施工完成后进行回填,主体结构预留洞口(预埋钢环),围护结构地下连续墙在盾构范围采用玻璃纤维筋代替钢筋,盾构直接切削进洞,待盾构完全进入竖井后,将竖井内回填土清除,吊出盾构机,完成盾构接收。

经综合比较,设计选用正常的盾构井外增设备用副井方案,见图2、图3。

图2 盾构接收方案平面(单位:mm)

4 盾构到达段地下水处理

盾构隧道在到达盾构井处覆土厚度为 9.0 m。盾构隧道结构底埋深 20.6 m,位于⑥31粉土、⑥44粉砂层,为微承压水含水层。根据抽水试验结果,该含水层渗透系数大,水量丰富,稳定水位埋深为 3.73～7.85 m。如果外侧土体加固效果欠佳,造成封门外土体暴露时间过长,可采用布置井点将地下水位降至能保证安全出洞水位的预防措施[1]。

设计采用在正常的盾构井外 13.5 m长范围内,先实施到达盾构井副井地下连续墙,将盾构接收段基坑进行封闭,地连墙深 42 m,地下连续墙均穿透承压水含水层,置于下部相对隔水的黏土、粉质黏土中,这样可有效的隔断微承压水。地下连续墙幅间采用工字钢接头,接缝处旋喷桩止水。在封闭基坑内设置 5口降水井,降水遵循:“分层降水、按需控制、动态调整”的原则,降水井井内降水作业深度为盾构隧道结构底深度下 1.0 m,保证副井内无水作业。盾构接收前 20 d进行降水。降水井布置见图2、图3。

图3 盾构接收方案剖面(单位:mm)

5 盾构到达段加固

当盾构工作井周围地层为自稳能力差、透水性强的松散砂土或饱和含水黏土时,如不对其进行加固处理,则在凿除封门后,必将会有大量土体和地下水向工作井内坍陷,导致洞周大面积地表下沉,危及地下管线和地下建筑物[4]。

在曲线段盾构机掘进形成的线形为一段段连续的折线,为了使得折线与曲线接近吻合,盾构施工时需连续纠偏[5]。曲线半径越小,盾构机越长,则纠偏量越大,纠偏灵敏度越低,轴线就比较难于控制。盾构掘进时,纠偏量较大,对土体扰动的增加易发生较大沉降。小半径曲线隧道的施工与直线段施工相比,除直线段隧道施工原有的地层变形因素外,还将增加以下 3个因素的影响。

(1)由于沿小半径曲线掘进,盾构机处于纠偏状态,需进行超挖,实际掘进面为一椭圆形,实际挖掘量超出理论挖掘量[5]。

(2)在正常施工条件下,小半径曲线掘进将增加地层损失[5]。

(3)纠偏量较大,对土体的扰动亦大,容易造成较长时间的后期沉降。

当洞口段土体不能满足盾构接收对防水、防坍等安全要求时,必须采取加固措施[6],因此在盾构到达接收时,为确保接收安全,减小沉降,对盾构井洞口外侧一定范围土体进行加固;另外,考虑到竖井结构与区间隧道结构刚度上存在一定的差异,所以需在洞口周围进行土体加固以尽可能减少不均匀沉降。因深层搅拌法适用于饱和软黏土等土层的地基加固,提高软土地基承载力,减少沉降量,稳定竖井外侧的土体[3],在综合考虑安全性和经济性以及合理考虑场地条件的基础上,所以到达接收段地基加固采用深层水泥土搅拌桩的形式进行加固。盾构到达段的加固主要为到达接收井端头加固、副井端头备用加固以及姿态控制加固3部分内容。

5.1 盾构到达接收加固(副井内加固)

为确保盾构出洞的安全,减少到达接收井段盾构隧道与竖井之间的纵向不均匀沉降,结合场区的地质条件、盾构机的技术参数,对到达接收井端头进行地层加固,加固范围为副井内全部土体,加固方式采用深层水泥土搅拌桩。

5.2 副井开挖端头备用加固

开挖副井作为应急预案,确保开挖时基坑的稳定及安全,防止因开挖面压力不足引起的开挖面坍塌[2],同时为控制盾构姿态,减少副井外与副井段盾构隧道之间的纵向不均匀沉降量,结合场区的地质条件,对副井端头长 6m、宽 18m范围土体采取了深层水泥土搅拌桩的加固。

5.3 姿态控制加固

由于到达段盾构顶覆土厚度较小,为确保建立泥水平衡切口压力、有效控制盾构姿态、保证施工安全,对副井端头备用加固外长 12 m、宽 15 m范围,采用深层水泥土搅拌桩加固。

6 结语

大直径盾构小半径曲线接收技术,是一个非常复杂的课题,本文仅就小曲线半径接收设计与施工,提供一些个人看法,希望能为同类工程提供一些参考。目前,该工程接收井(含副井)地下连续墙围护结构已施工,笔者认为盾构接收段施工主要应注意以下几点。

(1)盾构隧道施工需先加固后掘进施工,多种措施(洞内、洞外,同步注浆、工艺,预测与监测)同时采用。

(2)盾构隧道施工时要控制掌子面泥水压力(泥水压力与地层压力相差在 ±50 kPa)参数。

(3)控制盾构推进参数,控制盾构姿态;控制盾构推进时地层损失率在 0.5%～1%。

(4)盾构掘进到曲线地段(特别是小半径 R=600 m段)前,应提前控制好轴线蛇形偏移,尽可能在进入曲线地段时,使轴线蛇形偏移量为零。

(5)盾构掘进中应严格控制隧道轴线(平面位置和高程),在小半径曲线地段尤其要严格,如发现偏离应逐步纠正,不得猛纠硬调。实施盾构纠偏必须逐环、小量纠偏,必须防止过量纠偏而损坏已拼装管片和盾尾密封[6]。

(6)盾构到达接收工作井前,应采取适当措施,使拼装管片环缝挤压密实,确保密封防水效果[6]。

[1] 周文波.盾构法隧道施工技术及应用[M].北京:中国建筑工业出版社,2004.

[2] 尹旅超,朱振宏,李玉珍,等译.日本隧道盾构新技术[M].武汉:华中理工大学出版社,1999.

[3] 陈馈 洪开荣 吴学松.盾构隧道[M].北京:人民交通出版社,2009.

[4] 施仲衡.地下铁道设计与施工[M].西安:陕西科学技术出版社,2002.

[5] 白 云,丁志诚.隧道掘进机施工技术[M].北京:中国建筑工业出版社,2008.

[6] GB50446—2008,盾构法隧道施工与验收规范[S].