土压平衡盾构下穿堤坝施工风险与控制

专业知识分享版摘要:长沙地铁2号线溁湾镇站—橘子洲站区间盾构隧道下穿湘江堤坝段施工风险高、难度大，本文对其风险进行系统分析，阐述风险产生的原因及造成的危害，提出隧道盾构法穿越堤坝段施工风险控制措施。结合现场施工与监测情况，探讨堤坝的变形规律，对堤坝稳定性进行评价。实践证明风险控制措施效果良好，可供类似工程参考。关键词:地铁土压平衡盾构堤坝风险分析控制措施1工程概况盾构隧道穿越堤坝施工时，上覆土厚度变化大并受高水压影响，施工风险较高，确保堤坝的安全至关重要。长沙地铁2号线溁—橘区间起始于溁湾镇站，在橘子洲大桥西引桥南侧30m位置穿入湘江，过湘江西汊后进入橘子洲站［1］。区间线路起讫里程为DK4+450.900—DK5+444.000，隧道于DK4+965—DK5+015段穿越湘江西岸防洪堤坝，穿越段长约50m，见图1。湘江西岸防洪堤坝由挡浪墙、挡土墙、抗滑桩等结构组成。盾构外径为6m，纵向坡度为－3.5%，隧道依次下穿潇湘中路、沿江人行道、防洪堤坝、河床等，下穿构筑物的结构较为复杂，盾构隧道纵向坡度和覆土厚度变化较大。穿越堤坝段隧道埋深为9～20m，洞身位于强风化板岩地层，下穿湘江大堤的DK4+975典型断面如图2所示。使命：加速中国职业化进程\n专业知识分享版2施工风险分析与控制措施作为第一条穿越湘江的盾构隧道，长沙地铁2号线湘江隧道地质条件和环境条件复杂。特别是盾构穿越防洪堤坝，风险源众多，盾构施工主要风险源为复杂的地质条件、堤坝结构、盾构掘进参数、施工组织与管理。2.1风险辨识与分析1)复杂地质条件及不利环境复杂地质条件对盾构下穿堤坝产生的不利影响表现在:①地层从上往下分别为细沙、卵石、全风化板岩、强风化板岩，江边地下水位相对较高，地层透水性强，盾构掌子面易受地下水渗流影响，稳定性降低，该地层中掌子面失稳风险较大;②板岩经一定程度的风化，地层存在软硬不均;③风化板岩黏粒较多，易附着在刀盘上，形成泥饼，影响盾构掘进。另外还有其它偶然不利因素等风险源:①使命：加速中国职业化进程\n专业知识分享版持续降雨。盾构穿越堤坝若遇持续降雨，会对堤坝结构产生不利影响。雨水渗入大堤表层土体，增加了土体重度，降低了土体内黏聚力，易使坡面产生滑动。同时，由于盾构施工引起堤坝土体沉降，土体内部有裂隙产生，雨水沿裂隙渗入，会加速裂隙的贯通，易在坡面土体内部产生潜在的滑动面。②江河汛期。江河汛期时，江河水位升高，进而引起岸边地下水位升高，会加大隧道开挖面水土压力，降低大堤及下卧土体的黏聚力，加大堤坝土体重度的同时降低其抗剪强度［2］;而且，江(河)水直接作用于堤坝迎水坡面时，在堤坝内部产生渗透力，降低堤坝坡面抗滑能力的同时增大其下滑力。2)堤坝结构堤防结构影响:湘江西岸堤坝为碾压式土石堤坝，结构刚度较小，整体性差，局部土体位移之后易引起邻近土体的位移，特别是坡面上土体发生较大位移时，会带动坡面上部土体移动，甚至会在坡面形成滑动面，引发坡面土体的整体滑动，盾构下穿风险相对较大。3)盾构参数盾构参数的影响体现在:①刀盘掘进参数。盾构刀盘掘进参数的控制效果将直接影响掌子面的稳定。掘进参数偏小时，不足以平衡开挖面水土压力，严重时将导致掌子面失稳，地层变形过大，进而危及上部堤坝结构安全;掘进参数过大时，对掌子面挤压过量，引起掌子面前方地表隆起，从而引起堤坝变形过大而开裂。盾构穿越堤坝之前，地表较为平坦，开挖面水土压力的计算自刀盘位置地表算起即可。随着刀盘逐渐靠近堤坝，堤坝对土压平衡盾构掘进参数的选择会有影响，设定时应将堤坝荷载考虑在内［3-4］。②掘进速度。掘进速度应处于合理范围之内，如果掘进速度太快，盾尾同步注浆区还不具备承载能力，将会引起堤坝沉降过大。若掘进速度太慢，盾构机自重对隧道下卧层施压过量，会引起过量的堤坝沉降。因此，应根据现场施工及监控数据，及时合理地调整掘进速度。③同步注浆参数:同步注浆不及时或参数控制不当时，可引起地层变形过大，引起堤坝开裂。盾构隧道施工时，及时充分有效的同步注浆，是控制盾尾沉降的关键。④盾构姿态控制:当盾构姿态控制不好时，会引起管片的受力不均，甚至局部受拉引起破损;同时，还可能引起超挖及增加施工扰动次数。⑤机械故障:盾构发生机械故障时，会引起掘进参数的急剧变化，引起盾构较长时间停机。施工中应尽量避免，尤其是在下穿类似防洪堤坝等重要建(构)筑物时。4)施工组织与管理盾构施工过程中，机组人员的操作熟练程度以及施工经验，对隧道建设质量和施工安全也会产生显著影响。机组人员的业务不精、决策失误或者操作不当，都是盾构穿越堤坝的风险源。综上可知，盾构下穿堤坝风险源众多，施工难度大。堤坝的风险事件主要为堤坝变形过大，包括沉降、隆起，从而引起开裂甚至滑塌。因此，为确保堤坝安全必须采取相应的控制措施。2.2风险控制措施1)针对复杂地质条件及不利环境的应对措施主要有:①根据地层条件，选取合适的掘进参数、刀盘开口率、合适的膨润土等添加材料的比例，尽量减少泥饼的形成，形成后采取有效措施及时进行清理;②避免在雨量大的季节和汛期进行盾构下穿堤坝，避免不了时，可以加强地面排水，或者在堤坝表面施作隔水措施等。2)使命：加速中国职业化进程\n专业知识分享版针对堤坝结构不利于抗变形的特点，对施工进行控制，避免不均匀沉降，减小盾构下穿引起的地层变形。3)针对掘进参数等风险源，提出的控制措施主要有:①设置刀盘轴力及扭矩等掘进参数时，应考虑堤坝超载的影响;②掘进速度的选定必须合理，不能盲目求快;③良好的同步注浆，不仅可减小施工期间地层变形，还有利于管片受力，减小管片的上浮;④施工中一旦发现盾构机偏移或“磕头”、“抬头”过大，应调整千斤顶去纠偏，同时加强同步注浆管理。因此，施工中应从注浆孔的布置、注浆压力、注浆材料的选择与配置等方面进行选择，并不断优化，保证浆液快速适量填充，同时提高浆液质量，确保填充均匀。4)针对施工组织与管理风险源，配备经验丰富的操作人员和工程师，最大限度地避免由于人员因素带来的风险。同时做好以下措施:①在盾构穿越堤防前，应对盾构机进行全面检修，并加强设备保养，最大限度地避免盾构过堤期间出现设备故障;②加强现场监测，加大监测频率，确保监测的精准，并及时反馈，以便获得堤坝的地层响应特点，为盾构参数调整提供依据;③建立合理的控制标准;④做好应急准备，如监测到大堤沉降过大时，可采取地面灌浆、隧道内部二次注浆等措施。3实施效果3.1工期选择长沙地铁2号线溁湾镇站—橘子洲站区间左线于2011年12月14日—23日、右线于2012年1月9日—15日下穿湘江西岸堤坝段，施工期间正值枯水季，湘江西汊河床几近干涸。选择枯水季节施工，可以避免降雨及河流汛期给下穿大堤施工带来堤坝坡面破裂、堤坝土体强度降低等风险。下穿堤坝段施工盾构机采用土压平衡模式掘进，严格控制掘进速度，及时调整掘进参数，并对现场施工情况进行全方位监测与记录，全程跟踪下穿堤坝段盾构掘进过程。3.2监测结果与分析湘江西岸堤坝段左线的土舱压力监测时程曲线如图3［5］。堤坝段土舱压力值是不断变化的，且与堤坝段地形变化保持一致。穿越潇湘中路段地表较为平坦，土舱压力波动较小，基本保持在0.14MPa左右，较为稳定。隧道进入沿江人行道段后，地表抬高1.5m，土舱压力也存在突增现象，增大至0.16MPa左右。在沿江人行道与湘江河床西岸边坡交界段，地表高程突然降低3m左右，埋深突变，致使该段土舱压力波动较大，调整稳定后，土舱压力基本维持在0.11MPa左右［5］。使命：加速中国职业化进程\n专业知识分享版掘进中除土舱压力外，其他掘进参数如总推力、刀盘扭矩、掘进速度、同步注浆量、出土量等也在不断调整中，以适应堤坝段复杂的地质、地形条件和堤坝结构。堤坝段掘进过程中，对堤坝结构的地表隆沉变形值也进行了全程监测，堤坝段监测点的累计沉降量在7mm以内，对堤坝结构影响小。湘江大堤处典型横断面地表隆沉变化曲线如图4所示。盾构下穿堤坝段施工过程中，避开了汛期对堤坝结构和盾构施工的影响，且采取及时调整掘进参数、加强施工管理等控制措施，有效地保证了堤坝段的顺利掘进和堤坝结构的稳固。2012年1月15日，右线盾构顺利下穿湘江大堤。现场施工情况证明，盾构下穿湘江西岸堤坝段施工是安全的。4结论1)从地质条件、堤坝结构、盾构掘进参数控制和施工组织与管理等方面对盾构下穿湘江大堤的风险进行了分析，并提出了相应的风险控制措施。2)使命：加速中国职业化进程\n专业知识分享版盾构临近堤坝时，必须对掘进参数进行调整，以应对堤坝超载引起的隧道掌子面水土压力变化，掘进参数主要应从刀盘轴力、扭矩、盾构姿态调整，同步注浆量及浆液质量等方面进行调整。3)通过对横向及纵向地表沉降的监测与分析，堤坝段监测点的累计沉降量在7mm以内，对堤坝结构影响较小。现场施工情况证明该风险控制措施切实可行，可供同类工程参考。使命：加速中国职业化进程