地质条件对地铁隧道盾构法施工影响分析_张攀.pdf

DOI:10 19807/j cnki DXS 2023 03 065地质条件对地铁隧道盾构法施工影响分析张攀(天津市勘察设计院集团有限公司，天津 300191)摘要为了研究天津滨海地区某地铁隧道采用盾构法施工的适宜性，对该地区盾构隧道影响范围内的土层分布、物理力学指标进行统计分析，该地区土性及土质有所不同，主要以淤泥质土、粉质黏土、粉土、粉砂为主。洞身范围内的淤泥质黏土含水量大、土质软、强度低，渗透性差，属典型的滨海软土层;粉质黏土土质一般，强度尚可，渗透性较差;粉土、粉砂土质强度较高，渗透性较好，分布不稳定。针对不同地质条件对盾构法施工产生的影响进行了分析，并提出了处理建议和施工应注意的问题。研究可为同类工程提供参考。关键词滨海地区;地质条件;盾构法施工;物理力学指标;分析与评价中图分类号U455 43文献标识码B文章编号1004 1184(2023)03 0192 03收稿日期2022 10 14作者简介张攀(1991 )，男，天津人，工程师，主要从事岩土勘察方面工作。盾构法施工归属地下工程中的“非开挖”技术，其选型及应用受场地具体工程地质和水文地质条件等多种相关因素的影响，不少学者针对不同情况进行了相关的研究1 2。从地质条件上看，天津地区地处冲积平原，天津地铁较适合盾构法施工。本文选取天津滨海地区某实际工程，分析地质条件对盾构法施工的影响，并提出相应的处理建议。表 1场地土层划分、地基土物理力学参数表土层编号土层类别土层厚度/m含水率/%天然孔隙比液性指数压缩模量/MPa1 1杂填土0 60 3 70/1 2素填土0 30 3 7030 60 8980 544 12淤泥1 4051 91 6171 042 04 1黏土0 40 3 5035 91 0260 673 86 2 1淤泥质黏土2 50 6 1044 51 2681 082 86 2 2砂质粉土0 40 2 5023 00 6620 38 10 06 2 4淤泥质黏土5 40 11 0043 91 2441 082 86 3粉砂0 60 4 5020 70 5940 34 10 76 4粉质黏土0 70 2 3033 50 9590 774 36 5粉砂5 30 7 6021 80 6220 33 14 67粉质黏土1 20 3 2022 60 6270 595 88 1粉质黏土2 00 4 6024 40 6950 525 88 2砂质粉土1 00 4 0021 60 6250 46 13 49 1粉质黏土3 40 6 6027 70 7890 706 010 1 1黏土1 40 5 8035 31 0050 674 810 1粉质黏土3 50 11 7024 90 6880 546 510 2粉砂2 00 7 7020 50 6010 44 13 411 1粉质黏土1 00 7 0026 60 7700 476 611 2粉砂1 00 7 0017 40 5270 40 15 212 1粉质黏土揭示最大厚度 13 0021 20 6180 367 312 2粉砂揭示最大厚度 6 5020 30 5830 46 16 31场地工程地质概况根据勘察结果显示，本场地埋深大约 60 00 m 深度范围内，地基土按成因年代可分为以下 10 层:人工填土、全新统坑沟底新近淤积、全新统上组陆相冲积、全新统中组海相沉积、全新统下组沼泽相沉积、全新统下组陆相冲积、上更新统第五组陆相冲积、上更新统第四组滨海潮汐带沉积、上更新统第三组陆相冲积、上更新统第二组海相沉积。每个土层内部又可以分成不同的亚土层，具体的亚土层土质情况、地基土物理力学性质详见表 1，渗透性详见表 2。表 2场地各层土的渗透系数及渗透性表地层编号岩性室内试验渗透系数KV/cm/sKH/cm/s渗透性1 1杂填土1 00 10 41 00 10 4弱透水1 2(素填土)素填土1 00 10 61 00 10 6微透水4 1黏土2 08 10 73 29 10 7极微透水6 2 1淤泥质黏土1 24 10 71 39 10 7极微透水6 2 2砂质粉土3 41 10 54 78 10 5弱透水6 2 4淤泥质黏土2 46 10 72 96 10 7极微透水6 3粉砂4 06 10 58 97 10 5弱透水6 4粉质黏土3 14 10 64 28 10 6微透水6 5粉砂7 59 10 59 85 10 5弱透水7粉质黏土1 22 1061 30 10 6微透水8 1粉质黏土1 40 10 61 83 10 6微透水8 2砂质粉土5 42 10 58 36 10 5弱透水9 1粉质黏土2 42 10 63 55 10 6微透水10 1 1黏土1 58 10 72 45 10 7极微透水10 1粉质黏土3 44 10 65 63 10 6微透水从场地整体上看，地基土体基本均匀，仅局部不甚均匀，土质有所差异。本场地土层呈层状分布，局部土层分布有起伏或缺失。2912023 年 5 月第 45 卷第 3 期地下水Ground waterMay，2023Vol.45NO.32地基基础分析与评价本次盾构隧道洞身范围内土层由上到下主要为淤泥质黏土(地层编号 6 2 4)、粉砂(地层编号 6 3)、粉质黏土(地层编号 6 4)、粉砂(地层编号 6 5)、粉质黏土(地层编号 7)、粉质黏土(地层编号 8 1)、砂质粉土(地层编号 8 2)、粉质黏土(地层编号 9 1)。淤泥 质 黏 土(地 层 编 号 6 2 4)含 水 量 为 34 3 57 6%，呈流塑状态，土质软，强度低，渗透性差，属典型的滨海软土层;粉质黏土(地层编号 6 4)软塑状态为主，土质较软，强度较低，渗透性小;粉质黏土(地层编号 7、8 1、9 1)土质一般，强度尚可，渗透性较差，在整个区间段分布不甚稳定;粉土、粉砂土质强度较高，渗透性较好，分布不稳定，且粉砂(地层编号 6 3)属液化土层。黏性土在震动荷载作用下，易产生剪切破坏和侧向变形。基础施工时应采取有效措施，尽量减少施工对地基土体的扰动，以防影响地基土的承载能力3。当地基土承载能力较差，或变形量过大，不能满足设计要求时，可根据场地土层的物理力学性质，采取相对应的结构措施，或采取地基处理方法，对土体进行加固处理4。3盾构端头地质条件评价及处理措施盾构两端的端头井为盾构法施工的关键节点，应确保盾构能够正常地从非土压平衡工况过渡到土压平衡工况，从而达到控制地面沉降量、保证工程质量等目的。盾构始发及到达需达到最基本的岩土工程条件:洞门稳定及地下水控制情况良好(不出现涌水、涌砂等现象)。洞口土体加固方案和范围可根据土质条件、隧道直径和埋深、加固土体的强度等经过比选和计算确定，可采用水泥土搅拌桩、高压旋喷桩、注浆法等加固工艺。设计施工时应注意加固土体的均匀性和渗透性，防止出现渗漏点。淤泥质黏土土质软、强度低，含水量大，属于典型的滨海软弱土层，并且施工易受到扰动，扰动后强度明显降低，土体自稳能力差，满足不了盾构始发、到达的基本条件，需要采用针对性的地基加固处理措施。据已有的施工经验，加固长度和宽度可根据土层性质、地下水分布情况、现场条件，加固方法可采用搅拌桩、旋喷桩等方法，加固体需满足结构强度及止水的要求。其中的粉砂(地层编号 6 3、6 5)透水性大，施工时可能会引起流砂、突涌等不良现象的发生，应引起设计和施工的注意，应采取止水、隔水的措施，建议采用搅拌桩等进行隔断处理。采用搅拌桩时，应根据土层性质选择合适的设备，选择合适的水泥掺入量和水灰比，喷浆搅拌时，搅拌头的提升速度应严格控制，加固体的设计施工需满足工程止水的要求。4隧道施工分析与评价盾构机械进行施工时，由于盾构盾身范围内的淤泥质黏土土质软、强度低、含水量大，盾构掘进较容易，但是软黏性土容易黏着盾构设备，堵塞管道。通常需要添加少量的泡沫剂，防止渣土黏附于盾构设备。软土层在外力作用下，容易导致土体结构破坏，导致土体强度降低，导致土体的固结变形，造成隧道的沉降量增大，而且软土层蠕变量大，隧道的沉降稳定所需时间较长。粉质黏土层含水量较高，扰动后强度降低明显，流动性较好;粉土、粉砂透水性较好，黏粒含量低，流动性差，但在水压力的作用下会产生流砂。设计施工时应根据具体地质条件、盾构施工深度、周围环境条件等选用适宜的盾构机进行盾构掘进施工5 6。当掘进开挖面进入软硬差异较大的土性地层时，应注意可能出现因软弱土层排土过多导致地层发生下沉和造成盾构偏离原有线路方向。保持适宜的盾构推进速度及出土量，保持正面渣土压力合理稳定，控制好水土压力的平衡关系，以防发生流砂、管涌现象或者土体产生空洞，破坏隧道周围土体压力的平衡。盾构机掘进过程期间，可能会发生隧道管片错位，其主要原因是管片上浮。工程地质、水文地质、盾构机姿态控制、衬背注浆质量等是管片上浮的主要影响因素。管片脱出盾尾之后，因掘进过程中的超量挖掘以及理论间隙，地层和管片之间会存在一定的环形空间。环形空间通常采用衬背注浆工艺进行填充，但是如果注浆压力或者注浆量不足，浆液不能充分填充环形空间，特别是隧道顶区域，就可能会发生管片上浮。盾构机掘进形成的环形建筑空间的浆液初凝时间较长，隧道管片浸泡在掘进形成的“圆形管道”里，当管片所受浮力超过自重时，管片本身就可能会上浮。因此，应做好以下工作:应该选择初凝时间与早期强度、充填性等性能适宜的浆液;衬背注浆的浆液配比应进行持续管理，能够依据地质条件等情况的变化进行随时调整，保证地表的沉降量满足要求，并保持管片的稳定。盾构穿越渗透性较强的粉土、粉砂层时，建议盾构施工时向该层注入外加剂，降低粉土、粉砂层的渗透系数，防止发生涌砂或突水。产生涌水、涌砂时应立即停止施工，并尽快采取有效控制措施。衬砌管片安装及时做好防水措施，管片接缝紧密程度达不到防水要求时，应采取特殊的防水措施。5盾构法施工应注意的事项(1)盾构始发、到达各项施工技术措施应落实到位，确保安全;(2)在施工前应合理选择盾构类型，在施工中精心操作，使盾构机处理最佳状态。(3)优化盾构推进中的各项施工参数，保证开挖面的土体应力与初始的土体应力一致，严格控制好掘进速度，防止出现欠挖及超挖;(4)盾构外径大于管片衬砌外径，产生建筑空间，当管片脱离盾尾时，应在衬砌背后适时注浆，选择适宜的注浆材料，并维持好注浆压力及注浆量;盾构施工时使开挖面保持稳定，及时、充分地填充环形建筑空间，必要时可进行二次加固注浆处理。浆液材料应严格控制其浆液稠度等各项性能，严格选择浆液的材料和配比。同时应控制注浆压力，以防发生开裂、渗水，影响管片衬砌环的正常使用。(5)盾构推进时，由于切口环对周边土体的扰动，可能引起盾构机姿态的变化，应采取相应的技术措施;盾构推进中，土体断面的不均匀性及地下水分布情况的不同，均可能引起盾构机姿态的变化，应引起重视，并采取相应措施;(6)掘进断面土层淤泥质黏土土质软、粉质黏土土质较软，盾构机在施工期间容易产生粘着设备，造成管路堵塞，一般需要添加少量泡沫剂使渣土不粘着盾构设备上。(7)严格控制盾构施工中的偏差量。盾构施工偏差量过391第 45 卷第 3 期地下水2023 年 5 月大，不但会影响地下铁道的使用功能，而且扰动地层过大会导致地面沉降量相应增加。(8)由于部分土体性质上下差异较大，盾构推进时，所受到阻力不均匀，软弱土层排土较多，会导致地层下沉，并使盾构偏离原线路方向，设计施工应注意，选用适宜的盾构参数。(9)软弱土层淤泥质黏土在盾构施工掘进的外力作用下，土体结构可能会发生破坏，土体强度随之降低，土体的变形将造成隧道沉降量增加，而且软弱土蠕变量较大，隧道的沉降稳定所需时间长，施工时应控制好推进速度，尽量减少对土体的扰动，同时，也为了减少地面沉降量，建议对软土采取注浆等措施对其进行加固补强处理。6结语通过对土层分布情况和物理力学参数指标的统计结果的整理，对场地地层进行分析评价。本场地地层总体呈层状分布，从整个场地上看，地基土基本均匀，局部土质有所差异。淤泥质软土施工易受到扰动，扰动后强度降低明显，土体自稳能力差，易黏着盾构设备，造成管路堵塞;粉土、粉砂透水性较好，黏粒含量低，流动性差，但在水压力的作用下会产生流砂。当地基土承载能力较差，或变形量过大，不能满足设计要求时，可根据场地土层的物理力学性质，采取相对应的结构措施，或采取地基处理方法，对土体进行加固处理;端头井为避免流砂、突涌等不良现象的发生，应采取止水、隔水的措施，建议采用搅拌桩等进行隔断处理;对于盾构穿越渗透性较强的粉土、粉砂层，建议盾构施工时向该层注入外加剂，降低粉土、粉砂层的渗透系数，防止发生涌砂或突水。在工程建设中，应根据场地具体土质情况及现场情况进行适宜的设计调整。参考文献 1肖昱 地铁区间隧道穿越粉细砂地层土压平衡盾构施工技术J 国防交通工程与技术 2015 13(5):59 62 2薛剑林 软土地层土压平衡盾构浅覆土施工技术研究J 工程技术研究 2018(14):49 50 3宁纪维，喻凯，崔明 淤泥质土层中盾构掘进关键参数研究J施工技术 2019 48(9):98 101 4中华人民共和国国家标准 城市轨道交通岩土工程勘察规范:GB 50307 2012S 北京:中国计划出版社 2012(上接第 183 页)3 1 2滑坡研究区出露地层比较简单，工程建设主要为道路及建设场地建设开挖、回填，开挖边坡较小，经实地调查，建设场地东北部斜坡存在一滑坡隐患点，滑坡前缘临空，有季节性地表径流流经，斜坡坡度 25左右，破面上局部有小的裂缝，植被无新的变形迹象，斜坡下部植被可见马刀树。滑坡后缘壁上有不明显变形迹象，滑坡的发育程度中等。目前未造成人员伤亡，危害性小，危险性小(图 3)。图 3斜坡上马刀树照片3 2泥石流研究区位于中低山区，区内存在冲沟，沟谷很短，四周松散堆积物较少，雨季的汇水量有限。沟底坡度平缓，汇水面积较小，经野外实地调查，未发现泥石流地质灾害。3 3地面沉降、地面不均匀沉陷根据地层结构影响，研究区范围内以及周边有人类工程活动较为强烈，对地质环境的影响较为严重2。研究区内建筑物基本为民房，会引发现因地面沉降、地面不均匀沉陷引发的房屋裂缝。因此，现状条件下发生地面沉降、不均匀沉陷现象可能性较大。4防治措施根据现状评估和预测评估结果，研究区内主要地质灾害为滑坡、地面沉陷等地质灾害。根据不同灾种和危险性提出相应的防治措施。4 1对滑坡地质灾害的防治措施工程建设严格按照设计和相关规范进行施工;对研究区内的边坡稳定性进行监测和人工巡视，监测是否有变形和裂缝情况，尤其是雨季应增加监测次数，必要时对安置房下部设置挡墙，上部周边设置截排水沟工程;对安置房东北部边坡进行削坡或设置抗滑桩等措施来消除灾害。4 2地面不均匀沉陷灾害的防治措施(1)拟建建筑场地上部为粉质粘土，分布不均且无规律，不能直接用作建筑物持力层3，因此，建议拟建建筑物不采用天然地基，对粉质粘土进行挖除后采用换土的方式对地基土进行处理。(2)本场地主要建筑物基础埋深较浅，基础持力层要严格按照工程设计进行，同时建议采用分层压实处理。(3)对于场区内的挖填工程，在回填处理时应严格按规范要求分层回填夯实，并经验收合格后方可进行工程施工，以便最大限度的降低地基变形程度。(4)工程施工前请有资质的勘察单位对建设区进行工程地质勘察，取得详细的工程地质勘察资料，根据勘察结果对工程地质条件较差和地质灾害危险性较大区域采取相应的工程措施。5结语根据地质灾害现状评估预测:(1)研究区范围引发和遭受滑坡灾害的可能性中等，其危害程度中等、发育程度中等、危险性中等。(2)研究区范围引发和遭受地面不均匀沉陷的可能性大，其危害程度中等、发育程度中等、危险性中等。(3)施工过程严格按照规范进行，对工程地质条件较差和地质灾害危险性较大区域采取相应的工程措施。参考文献 1于帅印 河南省山地丘陵区地质灾害风险评价D 长安大学2018 2陈欣欣 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