河漫灘可液化地層土壓平衡盾構(gòu)施工技術(shù)

狄明世

(中鐵十七局集團(tuán)有限公司 山西太原 030000)

1 前言

隨著全國(guó)城市軌道交通建設(shè)的快速發(fā)展，城市地鐵隧道經(jīng)常不可避免地穿越可液化地層，但目前國(guó)內(nèi)外大多僅對(duì)于地下結(jié)構(gòu)自身安全開展抗震研究，針對(duì)可液化地層中盾構(gòu)掘進(jìn)施工階段的風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避和控制技術(shù)研究尚少。由于盾構(gòu)掘進(jìn)施工時(shí)的機(jī)械振動(dòng)和擾動(dòng)，使得河漫灘飽和粉細(xì)砂地層容易產(chǎn)生液化現(xiàn)象，進(jìn)而造成地面超限沉降，危及周邊鄰近建構(gòu)筑物安全，嚴(yán)重時(shí)將引起隧道坍塌，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和惡劣的社會(huì)影響[1]。因此，不斷研究和總結(jié)可液化地層中土壓平衡盾構(gòu)的施工經(jīng)驗(yàn)，確保盾構(gòu)施工安全顯得尤為重要。

2 工程概況

太原地鐵2號(hào)線化章街站～通達(dá)街站區(qū)間右線長(zhǎng)1 114 m，左線長(zhǎng)1 112 m，通達(dá)街站～康寧街站區(qū)間右線長(zhǎng)1 150 m，左線長(zhǎng)1 082 m，兩區(qū)間結(jié)構(gòu)形式均為外徑6.2 m單線圓形隧道，隧道覆土厚10～17 m，均采用盾構(gòu)法施工。兩區(qū)間沿小店區(qū)人民路南北向布置，為汾河漫灘平原區(qū)地貌，與現(xiàn)狀汾河相距不足3 km，地下水位埋深1～5 m。

區(qū)間地層由第四系全新統(tǒng)人工填土層、第四系全新統(tǒng)汾河漫灘沖洪積層、第四系上更新統(tǒng)汾河沖洪積層組成，從上至下主要為雜填土、素填土、粉質(zhì)黏土、黏質(zhì)粉土、砂質(zhì)粉土、粉細(xì)砂、中砂、粗砂、粉質(zhì)黏土、黏質(zhì)粉土。其中盾構(gòu)穿越地層主要有黏質(zhì)粉土、粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂、中砂[2]。該工程盾構(gòu)隧道所處地層均分布有飽和粉細(xì)砂層，勘查報(bào)告根據(jù)《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)埋深20 m以上全新統(tǒng)飽和砂粉性土標(biāo)貫試驗(yàn)法液化判別結(jié)果，總體上判定在8度地震作用下會(huì)液化，化章街站～通達(dá)街站區(qū)間液化等級(jí)為“輕微～中等”，通達(dá)街站～康寧街站區(qū)間液化等級(jí)為“中等～嚴(yán)重”?？梢夯貙优c隧道位置關(guān)系及分布情況見表1。

表1 可液化地層分布情況統(tǒng)計(jì)

3 施工期間液化機(jī)理及危害

3.1 盾構(gòu)施工引起的振動(dòng)液化機(jī)理

松散的砂土和粉土，在地下水的作用之下達(dá)到飽和狀態(tài)，如果在這種情況下土體受到地震、動(dòng)荷載作用，會(huì)有變得更緊密的趨勢(shì)，這種趨于緊密的作用使孔隙水壓力驟然上升，而在這短暫的過程中，驟然上升的孔隙水壓力如果來不及消散，就使原來由土顆粒間接觸點(diǎn)傳遞的應(yīng)力(有效應(yīng)力)減小，當(dāng)有效應(yīng)力完全消失時(shí)，土層會(huì)完全喪失抗剪強(qiáng)度和承載能力，變成像液體一樣，這就是地層液化現(xiàn)象[3-4]。

土性條件、初始應(yīng)力條件、動(dòng)荷載條件和排水條件是砂土液化的主要影響因素，其中動(dòng)荷載條件是外因[5]?，F(xiàn)有液化判定規(guī)范均以地震作為動(dòng)荷載條件進(jìn)行研究和判定，而盾構(gòu)掘進(jìn)施工過程中刀盤在設(shè)定的轉(zhuǎn)速和貫入度下周期性的循環(huán)振動(dòng)荷載也可能成為砂土液化的動(dòng)荷載條件。飽和粉細(xì)砂在往復(fù)剪切作用下，發(fā)生瞬間滑移破壞，孔隙體積減小，趨于振密，超孔隙水短時(shí)間內(nèi)不能及時(shí)排除，導(dǎo)致孔隙水壓力快速上升，當(dāng)孔隙水壓力上升到使砂粒間有效正應(yīng)力降為零時(shí)，砂粒就會(huì)懸浮于水中，粉細(xì)砂轉(zhuǎn)變?yōu)榱黧w狀態(tài)，產(chǎn)生振動(dòng)液化流動(dòng)現(xiàn)象[6]。

3.2 施工期間振動(dòng)液化的危害

可液化地層中采用盾構(gòu)法施工會(huì)引起諸多問題，刀盤前部土體振動(dòng)液化→砂、水分離而依次下沉→地下水補(bǔ)給形成的空隙→更大范圍地下水滲流→臨近區(qū)域砂土失水→平衡破壞發(fā)生沉降[7]。受地層液化作用的影響，盾構(gòu)機(jī)的三大密封易發(fā)生泄漏，螺旋機(jī)后倉(cāng)門易出現(xiàn)突水、涌砂現(xiàn)象，情形嚴(yán)重的會(huì)加速地層損失，形成惡性循環(huán)，地層超限沉降，盾構(gòu)姿態(tài)難以控制，隧道及地下管線異常沉降，地面建筑物沉陷、傾斜甚至倒塌。這種盾構(gòu)施工振動(dòng)液化表現(xiàn)規(guī)模、范圍、影響力等相對(duì)于地震液化要小得多，但對(duì)于工程造成的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)形象損失可能無法估量。

4 可液化地層盾構(gòu)掘進(jìn)施工關(guān)鍵技術(shù)

4.1 掘進(jìn)參數(shù)選擇及控制技術(shù)

(1)為減少盾構(gòu)周期性施工對(duì)液化土的振動(dòng)影響，應(yīng)盡可能地減小刀盤轉(zhuǎn)速及扭矩、勻速推進(jìn)、盡量減小盾構(gòu)總推力，可選擇以下掘進(jìn)施工參數(shù):刀盤轉(zhuǎn)速為0.5～0.8 r/min，刀盤扭矩為2 000～2 600 kN·m，掘進(jìn)速度為30～40 mm/min，總推力不大于18 000 kN，并根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)調(diào)整優(yōu)化。

(2)嚴(yán)格控制出土量，采用重量與體積雙控，實(shí)際出土重量、體積與理論出土重量、體積誤差量應(yīng)控制在±3%以內(nèi)。通過丈量土箱及土箱內(nèi)渣土高度計(jì)算每環(huán)出土體積，通過安裝在龍門吊上的稱重計(jì)記錄每環(huán)出土重量，嚴(yán)格控制出土量，若出現(xiàn)異常，及時(shí)采取補(bǔ)償措施。

4.2 渣土改良控制技術(shù)

(1)針對(duì)河漫灘地層富水高滲透性的特點(diǎn)，采用泡沫劑與高分子聚合物配合使用作為渣土改良劑。通過高分子聚合物材料的吸水膨脹能力提高渣土粘稠度，增加抗?jié)B性；通過泡沫劑改善渣土和易性和流塑性。配合使用改良渣土，減少刀盤刀具磨損，穩(wěn)定土壓，降低扭矩，減少或避免噴涌現(xiàn)象[8]。

(2)采用泡沫濃度4%，發(fā)泡率為10～12的泡沫劑溶液，注入率40%，掘進(jìn)中根據(jù)斷面土層分布，刀盤扭矩變化和渣土流出狀態(tài)及時(shí)調(diào)整。

(3)高分子聚合物采用兩性聚丙烯酰胺，濃度取5%，注入率為6%～12%。

(4)渣土改良材料均注入刀盤土倉(cāng)，兩路注高分子聚合物，其余管路注泡沫劑，兩種改良劑注入口內(nèi)外圈間隔選用。盾構(gòu)推進(jìn)前，先加入泡沫，轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤，待刀盤扭矩正常穩(wěn)定后，再向前推進(jìn)，同時(shí)注入高分子聚合物[9]。每環(huán)推進(jìn)完成后，先停止高分子聚合物注入，轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤3 min左右后再停止泡沫劑注入。

(5)渣土改良以泡沫劑為主，高分子聚合物為輔。以刀盤扭矩和渣土和易性為主要依據(jù)，適時(shí)調(diào)整泡沫劑注入?yún)?shù)；以出渣稠度和噴涌情況為依據(jù)，適時(shí)調(diào)整高分子聚合物注入?yún)?shù)。

4.3 同步注漿置換孔隙水技術(shù)

(1)漿液類型采用可硬性漿液，初凝時(shí)間短，早期強(qiáng)度高，有利于隧道襯砌穩(wěn)定。配合比見表2，漿液主要性能要求見表3。

表2 同步注漿漿液配合比

表3 漿液主要性能指標(biāo)

(2)注漿控制標(biāo)準(zhǔn)以壓力控制為主，注漿量控制為輔，每環(huán)注漿量充填系數(shù)不小于2，注漿壓力為平均土壓力的1.2倍，且不小于0.35 MPa，不大于0.4 MPa。同時(shí)通過地面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)調(diào)整優(yōu)化注漿參數(shù)。

(3)同步注漿置換孔隙水工藝。飽和粉細(xì)砂地層地下水豐富，滲透系數(shù)大，盾尾間隙形成的同時(shí)，析出的孔隙水迅速填充，造成注漿困難，且漿液進(jìn)入地層后被孔隙水稀釋，漿液性能影響較大，無法保證注漿填充效果。每環(huán)盾構(gòu)開始掘進(jìn)前，在盾尾倒數(shù)第三環(huán)(即脫出盾尾的第一環(huán))頂部封孔塊管片預(yù)留注漿孔安裝球閥，通過鋼釬或電鉆打通預(yù)留注漿孔后，及時(shí)關(guān)閉球閥。開始掘進(jìn)時(shí)，打開球閥釋放盾尾孔隙水，同步注漿及時(shí)填充置換。置換過程中通過盾尾同步注漿壓力監(jiān)控，調(diào)整同步注漿流量和泄水球閥開合度，必要時(shí)降低掘進(jìn)速度，確保同步置換，均勻注漿，盾尾空隙及時(shí)填充。

(4)球閥泄流出的地層水顏色變渾濁含有泥沙或流出漿液后，及時(shí)關(guān)閉球閥停止泄水。

4.4 二次注漿隔斷孔隙水技術(shù)

(1)漿液類型采用速凝型漿液——水泥與水玻璃雙液漿，漿液配合比及主要性能要求見表4。

表4 雙液漿配合比及主要性能

(2)二次注漿隔斷水工藝。每隔8～10環(huán)通過整環(huán)二次注漿形成隔水環(huán)箍，阻隔孔隙水沿成型隧道外壁流竄匯集，同時(shí)限制未初凝的同步注漿漿液因隧道坡度而縱向流動(dòng)。隔水環(huán)箍需對(duì)該環(huán)6塊管片預(yù)埋注漿孔二次注漿，從下往上，左右交替對(duì)稱注漿。

(3)注漿距離要求。環(huán)箍注漿位置應(yīng)選定在盾尾倒數(shù)6～8環(huán)位置。

(4)注漿工藝。選定注漿孔位，安裝注漿單向逆止閥后，用電錘鉆穿該孔位混凝土保護(hù)層，接上三通及水泥漿管和水玻璃漿管。注漿時(shí)，先注入純水泥漿液打通管道，觀察注漿壓力及閥門密封均正常后，再混合注入水玻璃溶液，終孔時(shí)適當(dāng)加大水玻璃濃度。每孔注漿結(jié)束10～20 min后再將注漿頭拆除，并及時(shí)用雙快水泥或配套塑料堵頭封堵[10]。

(5)環(huán)箍隔水每環(huán)注漿量宜控制約1.2 m3，注漿壓力控制在0.3～0.5 MPa之間。

5 可液化地層無障礙盾構(gòu)進(jìn)出洞施工技術(shù)

盾構(gòu)進(jìn)出洞是盾構(gòu)施工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，常規(guī)的盾構(gòu)始發(fā)接收前必須破除洞門范圍鋼筋混凝土圍護(hù)結(jié)構(gòu)，由于洞門鑿除期間土體必然長(zhǎng)時(shí)間暴露，遇富水細(xì)砂地層極易出現(xiàn)土體塌方，涌水涌砂風(fēng)險(xiǎn)，導(dǎo)致地面下沉并危及周邊地下管線、建筑物及道路交通安全，該類事故時(shí)有發(fā)生。針對(duì)端頭井附近分布有飽和粉細(xì)砂或可液化地層時(shí)，洞門鑿除帶來的土體暴露將加大涌水涌砂風(fēng)險(xiǎn)，極易引起地面塌陷事故。為免除洞門鑿除的過程，采用玻璃纖維筋洞門圍護(hù)形式替代傳統(tǒng)鋼筋砼圍護(hù)形式，結(jié)合相關(guān)掘進(jìn)參數(shù)控制，順利安全完成盾構(gòu)區(qū)間無障礙始發(fā)接收任務(wù)。

5.1 洞門圍護(hù)樁玻璃纖維筋替代措施

玻璃纖維筋是一種玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，抗拉強(qiáng)度較高、重量較輕、抗腐蝕性能好[11]，其抗彎抗拉性能與普通鋼筋性能無異，其抗剪性能差則可切割性能好，盾構(gòu)機(jī)刀盤可直接切削。為實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)無障礙始發(fā)接收，在區(qū)間隧道洞門范圍內(nèi)采用相同設(shè)計(jì)參數(shù)的玻璃纖維筋混凝土灌注樁替代傳統(tǒng)鋼筋混凝土灌注樁，替代方式見圖1，玻璃纖維筋與普通鋼筋搭接長(zhǎng)度不小于現(xiàn)行《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的同直徑螺紋鋼筋搭接長(zhǎng)度的1.25倍。受力主筋間玻璃纖維筋與螺紋鋼筋之間的連接應(yīng)采用與鋼筋直徑相適應(yīng)的鋼制U型卡連接，且每根鋼材連接端U型卡數(shù)量不少于2個(gè)，鋼筋貼于U型卡內(nèi)側(cè)，連接方式見圖2，鋼筋搭接布置在盾構(gòu)機(jī)刀盤外1 m以上的范圍，且同一搭接斷面錯(cuò)開50%以上。

圖1 玻璃纖維筋混凝土樁位置示意

圖2 鋼筋與玻璃纖維筋連接示意

5.2 無障礙始發(fā)接收掘進(jìn)措施

始發(fā)接收階段盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)是否設(shè)置合理決定著進(jìn)出洞安全風(fēng)險(xiǎn)的控制效果，需重點(diǎn)關(guān)注并控制的參數(shù)主要是盾構(gòu)刀盤切削混凝土的貫入度、刀盤扭矩、總推力等。針對(duì)以上分析，盾構(gòu)推進(jìn)要采用低扭矩、慢速度切削圍護(hù)樁的推進(jìn)方式，并在推進(jìn)過程中及時(shí)補(bǔ)充泡沫，增加渣土和易性，減小渣土對(duì)刀具的磨損性，同時(shí)降低刀盤軸承溫度。因此設(shè)定盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)為:總推力不超過10 000 kN，刀盤旋轉(zhuǎn)速度不超過1 r/min，推進(jìn)速度控制在5～10 mm/min，切口壓力控制在1～1.2 bar之間[12]。

6 總結(jié)及思考

在復(fù)雜地層特別是可液化地層中進(jìn)行盾構(gòu)施工，創(chuàng)新優(yōu)化盾構(gòu)施工工藝進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析控制是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，也是保障盾構(gòu)施工安全的必要課題。本文所述的可液化地層盾構(gòu)施工關(guān)鍵技術(shù)在太原地鐵2號(hào)線汾河漫灘地層成功應(yīng)用，證明上述分析思路及技術(shù)措施是可行的，能夠?yàn)轭愃频貙佣軜?gòu)施工提供參考。

此外，液化地層沉降反應(yīng)很快，盾構(gòu)刀盤與盾尾的外徑差造成的地層損失在盾體上就形成較大的沉降反應(yīng)，盾尾同步注漿無法及時(shí)消除上述地層損失，今后在可液化地層盾構(gòu)施工過程中，可以通過中盾注漿孔及時(shí)填充新型的克泥效材料，以及時(shí)消除盾體上的地層損失，更好地控制地層沉降。