超小半径曲线盾构隧道穿越富水粉细砂层施工技术研究.pdf

总663期2023年第33期（11月 下）0 引言社会经济的发展加快了城市化建设的进程，导致城市建设与城市道路交通之间的矛盾逐渐体现1。随着我国不断发展地下空间，面临越来越多的地下穿越工程。穿越工程一旦发生事故，会对环境产生巨大的影响。目前，对盾构穿越富水粉细砂地层的相关研究案例还比较少，因此，本文结合太原地铁2号线与1号线的联络线区间施工实例，进一步研究其施工技术。1 工程案例1.1 地理位置太原地铁2号线与1号线的联络线区间施工由2号线大南门站南端始发，再以半径200 m的平面圆曲线下穿迎泽公园，接入1号线大南门站东端进行接收。该联络线在图纸设计范围起点里程为L21K-0+000.000，终点里程为 L21K-0+386.406，全长 386.406 m。其中 L21K-0+107.269L21K-0+255.559 段长 148.30 m，采用盾构法施工，剩余部分均采用明挖法，盾构施工在垂直角度为上坡3.3%，且盾构施工深度约在1417 m处。上述联络线整体位于迎泽公园内，在施工时对周边迎泽大街及解放路道路基本无影响。盾构区间位于L21K-0+130.000L21K-0+230.000 里程范围，下穿迎泽阁水平距离最近处为 5.92 m。盾构混凝土衬砌外径6.2 m，内径5.5 m，管片厚度0.35 m，宽度1 m。1.2 岩土分析区间地层由上至下依次为杂填土1-1、黏质粉土2-3-1、粉细砂2-4等，区间地下水位埋深1.44.2 m，地下水位高程介于779.8782.8 m。1.3 水文地质概况1.3.1 地下水类型在对地下水第四系松散层孔隙潜水进行勘测时，发现该区位有部分杂填土，埋深2.205.70 m，标高约为778.65781.94 m。1.3.2 地下水补给、径流、排泄条件由大气降水（以20012011年范围的年平均降雨量449 mm）、河流侧向进行补给，排泄方式主要以人工对地下水位进行抽取等。1.3.3 地下水动态特征经查询本市地下水的相关动态信息，了解每年12月至次年2月基本是枯水期，7月至9月为丰水期，水位增减幅度为1 m。由于本次勘察在丰水期范围，发现由东北往西南方向为水流方向。1.3.4 抗浮水位通过勘测发现，地下水稳定水位实际埋深为2.104.70 m，相对应的高程为779.30781.90 m，本联络线抗浮设计地下水位标高按784.5 m考虑。2 区间线路为小曲线大坡度施工特点及重难点2.1 成型隧道轴线控制难度大小曲线隧道施工中在管片脱出盾构机盾尾后，将受到管片在掘进迎土侧方向分力的影响，导致盾构区间向正常路径圆弧外侧偏移2。鉴于盾构管片外壁直径与盾构机外壳并不一致，所以在盾构掘进时会出现间隙，导致同步注浆的浆液填充量无法完全同步该间隙。为此，同步注浆浆液早期强度不够或存在间隙的情况下，管片受侧向压力作收稿日期：2023-04-04作者简介：李晓伟（1986），男，天津人，工程师，从事工程管理相关工作。超小半径曲线盾构隧道穿越富水粉细砂层施工技术研究李晓伟（太原轨道交通集团有限公司，山西 太原 030000）摘要：为解决多条线路不相连通的困扰，缓解地面交通压力，提升公共空间，以太原地铁2号线与1号线的联络线区间施工为例，研究超小半径曲线盾构隧道穿越富水粉细砂层施工技术，对小曲线大坡度施工特点及重难点进行了分析，为防止发生喷涌风险，采用分体始发、掘进模式，安全通过饱水粉细砂层区段。结果表明，区间超小半径曲线盾构对推进参数的要求较高，需要进行三维数字模型，确定超小半径曲线段盾构操作与纠偏，优化确定盾构机合理掘进参数。关键词：盾构；超小半径曲线；富水粉细砂层中图分类号：U455.43文献标识码：A104交通世界TRANSPOWORLD用下极易向正常路径圆弧外侧产生偏移。由此可见，这将增加曲线段成型隧道轴线的控制难度2。2.2 纠偏工作量大由于盾构机本体为刚体且整体呈直线，而施工区间的隧道轴线呈小半径曲线，所以无法完全拟合该施工区间曲线。因此，需要不断对盾构进行纠偏施工。2.3 容易造成管片破损在盾构机施工过程中，主要依靠盾构管片提供的反向推力进行作业施工，因此，在非直线路径尤其是在小半径曲线进行施工时，为确保盾构机掘进姿态，不可避免会增加一侧千斤顶的推力，进而导致管片局部集中受力，最终该受力处因管片受力过大而造成裂纹或破损4。小曲线半径掘进过程中，由于盾构机姿态调整不及时会造成盾尾间隙变小，从而引起盾尾与管片发生挤压或卡壳现象，进而造成该管片破损。3 区间地下水丰富并含有粉细砂液化层3.1 富水地层容易发生盾尾渗漏水在勘测本隧道区间时，发现该位置的地下水较多，并含有粉细砂层。小半径曲线掘进容易因盾尾间隙调整不及时，对盾尾刷产生破坏，从而引起盾尾渗漏水现象5。3.2 砂层液化对盾构施工造成的风险1）盾构机在掘进施工中易出现涌水、涌砂等风险；且砂层在盾构施工时易受到振动，导致空隙水压增大，形成喷涌。2）掌子面为砂层时稳定性差，容易发生坍塌，增加土仓压力控制难度。3）盾构机在该地层施工易出现同步注浆困难，压力大。由于受地层液化影响，盾尾间隙形成，同时被孔隙水填充，增加注浆压力，容易发生管片同步注浆填充不密实的情况。4）盾构机掘进对液化砂层发生扰动，导致地层液化程度增加，地层稳定性变差，增加地表沉降控制难度6。3.3 始发、接收洞门涌水、涌砂风险高区间始发接收端下部地质主要为粉细砂层，且地下水丰富；因此，在盾构机始发或接收时，受到该地质影响盾构机进出洞门易出现涌水、涌砂等风险。4 始发端能够利用的底板较短，盾构机采用分体始发、掘进4.1 始发初期物料转运难度大区间为曲线、分体始发，始发电瓶车轨道无法直接铺至吊装井口下方，始发初期物料、渣土需在底板进行二次倒运，增加物资转运难度。4.2 管线保护需求隧道施工时，盾构机由于使用分体施工，盾构机管线需要延长约200 m，导致在施工过程中提高了对管线保护的要求。5 区间地表建筑物风险等级高，且区间临近既有线始发5.1 区间在里程 L21K-0+130.000L21K-0+230.000，下穿迎泽公园仿古建筑群，建筑群为迎泽公园内现代景观建筑，均为筏板基础，上部为木结构。因此，在盾构施工时，需加强隧道上方的迎泽阁等仿古建筑群的保护。5.2 对已运营的既有线车站保护是本工程施工的重点始发端位于联络线明挖段，盾构于明挖段南端始发，明挖结构东端与已运营的2号线大南门站相通。因此，在盾构机始发、掘进、接收等施工全过程需要加强对已运营车站的保护。6 盾构掘进方向的控制与调整6.1 盾构掘进方向控制6.1.1 对盾构姿态使用自动导向和人工测量进行监测工程使用了具有自动定位、测量系统、配备导向、盾构掘进的软件，并在OLED屏上显示盾构姿态和设计导向轴线的偏差，确保及时调整和控制掘进姿态及方向，使其误差在允许范围内。为确保后续盾构姿态符合设计要求，在使用自动导向系统的同时，也使用人工测量进行精确定位。此外，对已安装好的管片高程及平面等位置校对自动导向，使盾构施工方向在设计范围之内。6.1.2 区间盾构采用分区操作盾构推进油缸控制盾构掘进方向1）直线方向施工时，需要保证推进油缸的推力保持一致；2）向左转弯施工时，相应增加右侧推进油缸的推力；3）向右转弯施工时，相应增加左侧推进油缸的推力；4）上坡施工时，相应增加下侧推进油缸的推力；5）下坡施工时，相应增加上侧推进油缸的推力。根据盾构机掘进的方向及角度，对盾构机所有推进油缸进行合理的控制，确保盾构施工在设计范围之内。6.1.3 通过盾构机的主动铰接调节千斤顶在本次掘进过程中，可以通过盾构机的主动铰接调节千斤顶，控制盾构机进行最小转弯半径 150 m 处拐弯。6.1.4 盾构掘进方向控制、调整及纠偏注意事项1）盾构机在切换方向对刀盘进行转动时，应考虑因切换速度过快而导致的受力突变产生的损坏；在切换方向时，停留相应时间间隔。105总663期2023年第33期（11月 下）2）在掘进过程中，根据设计及地质设置为2 cm的盾构姿态警戒值，当偏转达到或超过2 cm时，对盾构机进行纠偏工作。3）在进行纠偏工作时，需精确到每环，且控制每环的纠偏值为不超过或等于3 mm，因此，需缓慢进行纠偏工作；若控制每环的纠偏值超过3 mm，盾构掘进施工易出现扭曲状。4）在掘进过程中，调整推进油缸时过大或过快，均会导致管片破损或者开裂。5）在盾构管片进场前，选择适合的盾构管片型号类型。盾构管片拼装中，尽量让盾构管片的端面与计划的掘进线路保持垂直，以确保管片安装质量及精度。结合盾构管片楔形量，使相邻的盾构管片的环面保持平整。6.2 施工重点及质量保证措施6.2.1 盾构机改造、始发接收及分体始发技术由于联络线曲线半径过小及始发工作井内空间限制，盾构机始发及接收必须采用合理姿态，使盾构机沿着联络线隧道中线的割线始发或接收，从而保证盾构机沿着拟合曲线顺利进洞掘进和安全出洞。由于联络线隧道两端竖井修建较早，而施工方案确定较晚，预留封门尺寸较大。在富水粉细砂地层进行暗挖施工风险较高，采用冻结+暗挖法施工成本过高，因而最终采用安全性较高的盾构法施工。竖井预留封门直径达6.9 m，盾构机进洞并掘进到未加固地层时，在地应力及刀盘推力作用下，地下水及粉细砂可能会沿着盾构机外壳与地层之间的孔隙涌出封门，严重时将造成开挖面失稳，地表过大沉降，需要采用盾构机始发及接收出洞时的洞门防涌水/砂技术。首先，通过前盾注浆孔向盾壳外适量注入膨润土泥浆填充刀盘超挖孔隙，然后再于封门处设置第二道钢板密封，阻止封门处涌水涌砂。6.2.2 同步注浆技术在超小半径曲线条件下，为使盾构机掘进轴线拟合隧道中线，土体超挖更加严重，要研究富水液化粉细砂地层盾构掘进过程中的注浆技术。包括：前盾注浆填充盾壳外侧与地层间孔隙、减少盾体与地层间摩阻力、盾尾脱出地层时的同步注浆填充管片外壁与地层间孔隙、盾构掘进通过后的二次注浆。针对富水粉细砂地层的工程力学特性，对常用同步注浆浆材的适应性进行分析，比选及确定合理的注浆材料。在室内进行浆液配比试验，选取结实率高、胶凝时间可控、可泵送性好、凝固后体积收缩率小为目标的同步注浆浆液的配比分析，确定适合于富水细粒土层的注浆量及注浆压力，有效控制地层沉降量。6.2.3 盾构管片在超小半径曲线掘进时的受力情况建立三维数字计算模型，模拟盾构正常掘进情况下，不同分区千斤顶推力配置时的管片受力特征。当盾构机姿态偏向曲线外侧时，纠偏为盾构机最不利情况，建立三维数字计算模型，模拟分析盾构机纠偏最不利情况下，千斤顶不均匀推力作用的管片受力特征，以便采取合理的控制措施，保证管片安全。6.2.4 盾构机姿态控制、盾构管片受力、仿古建筑下穿等技术针对仿古建筑物结构易变形的敏感性，以应力及变形为控制目标分析确定仿古建筑物不均匀沉降控制标准，保证建筑物安全。为降低盾构机施工对仿古建筑的影响，目前使用大型软件建立三维数字模型，进而模拟盾构机施工时对仿古建筑的沉降影响。依据盾构穿越施工对地表建筑物的影响特征，选取合理的加固方法，确定地层加固范围及加固指标，优化确定盾构机合理掘进参数，保证地表仿古建筑物的安全。7 结束语综上所述，在超小半径曲线盾构隧道穿越富水粉细砂层时，采用此方法可实现既定目标可控、费用可控，同时降低环保停工、材料短缺、地质不利、周边沉降系数大、地下水位浅等不利风险因素。目前，太原地铁2号线与1号线的联络线区间已掘进完毕，本次掘进施工技术既为今后超小半径曲线盾构提供了参考，也为维护后续该盾构施工安全提供了一定保障。参考文献：1 罗飞.地铁施工对地上建筑物的影响J.安徽建筑，2020，27（11）：178-179.2 王艺纬.土压平衡盾构隧道施工控制技术要点分析J.中外建筑，2017（6）：216-219.3 曹志伟.盾构隧道穿越杂填土地层风险控制技术J.建筑机械化，2023，44（1）：13-14，32.4 闫潇，杨双锁，姜山.富水粉细砂层盾构下穿湖泊风险分析及控制以太原地铁2号线下穿迎泽湖工程为例J.科学技术与工程，2020，20（18）：7457-7463.5 陈庆章，漆伟强，江玉生，等.全断面富水砂层浅埋盾构隧道下穿平房群施工参数研究J.现代隧道技术，2020，57（2）：169-175.6 连鹏远.富水砂层盾构施工技术J.施工技术，2019，48（S1）：866-868.106