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盾构机穿越软弱地层控制盾体下沉措施及效果分析

来源:《中国高新科技》期刊    时间:2021-04-06    

  1 工程概况
  昆明市轨道交通5号线工程土建7标迎海路站-滇池学院站盾构区间工程,隧道单线全长约693m,隧道埋深11.11~16.35m;隧道两侧建筑物密集,距隧道外轮廓约20m,道路路面以下地下管线众多,主要为自来水、电力、通信及煤气等;采用1台CTE6410型土压平衡盾构机施工,位于采莲河及道路下部,地层属软弱地层,盾构机掘进过程中极易引起盾体下沉。

  2 水文及地质条件

  区间水文条件复杂,地下水主要有上层滞水、孔隙潜水及微承压水3类。地下水与地表水相互间的水力联系较为密切,相互补给,主要受大气降水和外围含水层的侧向补给。地质主要为粉砂(2)<5-2>、粉质黏土(3)<3-3>、泥炭质土(3)<1-2>以及黏土(3)<2-3>,本段隧道主要位于采莲河及道路下部,地层属软弱地层。

  3 穿越软弱地层出现的问题

  盾构机在穿越软弱地质地层掘进过程中,由于盾构掘进时的机械振动,使得盾体通过后,周围土体受到扰动,底部土体受到盾构机重力挤压作用,由底部向两侧挤压,盾构机会持续下沉,同时由于地层较软的影响,盾构机姿态难以控制,会出现“栽头现象”。这会导致盾构姿态、管片姿态超限,进而出现管片错台、破损及渗漏水现象,从而影响成型隧道的质量。

  4 综合处理措施

  4.1地质资料的收集及补勘

  收集第一手地质、水文资料,对复杂、突变及多变的地质地层进行补勘,从而进一步了解穿越地段岩层的变化情况,为盾构机在地层转换时提供更加准确详细的信息,也为盾构的穿越做充分的准备工作。

  4.2设备改造及选择

  根据盾构机自身设备配置情况,盾体上已经考虑并预留注浆孔,增加两路管路对盾体进行固结加固处理(见图1),增加的两路管路分别从盾体注浆管处连接到同步注浆罐及双液注浆罐处,主要利用膨润土泵及挤压泵进行改造。确认膨润土泵及挤压泵的参数,根据膨润土泵及挤压泵的最大工作压力,在保证质量的前提下,选择满足施工安全性及可靠性的管路,管路规格与之相匹配,根据实际地质及掘进情况,实时开启管路阀门,即可启动对盾体底部固结加固处理,达到控制盾体下沉的目的,增加盾构机底部的承载力。

图1 管路改造连接

  4.3掘进参数的选择

  平衡压力的设定是土压平衡盾构机施工的关键,维持和调整设定的土压值又是盾构推进操作中的重要环节,包含了推力、推进速度、出土量等,掘进参数的变化对隧道及地表起到控制主导作用,根据本标工程地质情况,主要掘进参数见表1,并在施工过程中不断优化调整。


表1 盾构主要工作参数表

  4.4浆液选择浆

  液的选择主要结合现场实际地质资料、地层强度、含水量及盾构机姿态变化量,根据不同地层的特性,对浆液进行优化,以达到控制盾构机下沉、管片及盾构机姿态在可控范围的目标。

  在含水量较大的地层中,同时盾构机姿态变化量较大的情况下施工,选用浆液为双液浆,其配合比见表2。双液浆具有浆液可控性好,凝结时间可准确控制在几秒至几十分钟范围内;浆液凝结后的结实率高。在软弱地层,可利用双液浆速凝固的特性,在盾构机掘进过程中,快速在盾体底部形成有效的固结面,有效改善盾构机“栽头”现象。


表2 双液浆配合比

  4.5施工准备

  (1)由测量人员对盾构机姿态、管片搭接环姿态进行测量,并与上次测量的同一位置成果进行对比、分析,对盾构机的仰俯角进行校核,与上一环盾构机仰俯角进行对比,根据仰俯角变化确定底部加固处理浆液的选择。

  (2)检查作业设备工况,确保设备正常运转,管路连接完好,在作业前打开管路,对压力表等附属设施进行效验。

  (3)检查注浆孔位是否阻塞,对阻塞的注浆孔及时进行清理,确保注浆孔畅通。

  (4)作业材料准备,确保选用的材料规格型号与要求一致,选用的材料未出现变质现象。

  (5)拌制浆液,浆液拌制严格按照要求的配合比进行作业。

  (6)作业前,指派专人进行现场监控,密切注意压力及注浆量的变化,配置施工机械。

  4.6测量工作

  4.6.1导向测量系统

  为了随时掌握盾构机的掘进方向,使盾构机掘进沿着正确的方向掘进,在盾构机上配备了激光导向系统,用于测量和控制盾构机的掘进方向。激光导向系统通过配套的硬件和软件系统,可以快速、连续、准确地计算出盾构机的掘进轴线与设计轴线的偏差,并用图像和数字化的形式显示在操作室的电脑上,使盾构机操作人员可以实时地了解盾构机的实时位置。盾构机操作人员根据信息通过调整掘进参数进行调向,使盾构机始终沿着设计的轴线进行掘进。

  4.6.2盾构机人工姿态测量复核

  为保证导向系统的准确性及正确性,确保盾构机沿设计的方向掘进,需对盾构机姿态进行人工复核,与导向系统姿态进行比对检核。主要通过测定盾构机前盾和尾盾参考点的三维空间坐标的方法来计算盾构机的姿态,达到校核导向系统姿态的目的。

  4.6.3管片姿态测量

  根据成环管片的内径,采用铝合金制作一铝合金标尺,标尺长度根据管片内径确定。在标尺正中央位置做测量标识,并在其侧面贴上反射片。测量时,将标尺水平放置在某一环片上,首先用水平尺将标尺精确整平,使用全站仪采用极坐标的方法测量标尺测量标识的三维坐标,即为管片拼装的实际中心坐标;再根据水平标尺与管片的空间几何关系推算出的管片中心轴线的实际三维坐标,再与设计值进行比较,即可得出已拼装管片的姿态偏差。加强管片姿态测量频率,同时,在测量时需进行管片搭接测量,以实时获得隧道管片变化趋势,指导盾构机司机及时采取措施掘进。

  4.6.4监测测量

  盾构施工在穿越软弱地层施工过程中,因盾体自身重量及地质条件的因素,会引起隧道沉降及隧道变形,通过对隧道沉降、隧道变形的监测,及时采取必要的技术措施改进施工工艺,将施工引起的隧道变形减小到最低程度。盾构机在穿越软弱地层过程中,在隧道顶拱设置测量标志及布设收敛监测断面,收敛断面与沉降点在同一横断面,加强隧道顶拱沉降监测及隧道收敛监测,及时提供监测报告,供技术人员参考。

  5 效果

  针对该区间地质及水文条件的实际工况情况,该盾构区间在掘进过程中采用纯水泥浆、双液浆浆液,对盾构机主机底部进行注浆加固处理,防止盾构机在掘进过程中下沉,出现“栽头”现象,引起盾构机垂直姿态超限等情况取得了良好的施工效果(见图2),通过实际应用确保了盾构机顺利快速掘进施工,同时盾构机姿态、成型隧道姿态质量控制较好,为隧道掘进施工质量提供了可靠的技术保障措施。


图2 采取措施前后盾构机姿态变化情况

  6 结语

  通过盾构机设备改造、参数选择、注浆、加固等措施,并在盾构机通过前,对底部软弱地层进行预加固处理改善了地层的稳定性及承压能力,从而使盾构机可以安全、平稳、顺利通过穿越软弱地质地层地段。目前,该区间已全线贯通,盾构机姿态、管片拼装、成型隧道姿态质量控制较好,采莲河河床未出现涌水及地表沉降超限的发生,道路、管线及地表建筑物无任何损坏情况出现。

作者:汪菁菁 (中国水利水电第十四工程局有限公司)

本文刊发于《中国高新科技》杂志2020年第24期

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