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- 2021-05-14 发布
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深圳复杂地层中盾构近距离下穿运营地铁的施工技术
主要内容
-1-
复杂的地层
——
难点之一
-2-
近距离的空间位置关系
——
难点之二
-3-
工程风险分析和技术对策
-4-
组织管理措施
-5-
典型工程案例的实施情况
-6-
结语
1
复杂的地层
——
难点之一
1.1
地铁工程和深圳地区典型地质条件
深圳地铁
1
、
2
、
3
期工程均为浅埋工程。盾构区间隧道埋深一般在
8m-20m
之间。
在这个埋深位置,区间隧道主要穿过地层为残积层和风化岩,以花岗岩为主。
上部残积层主要为砾质黏土和砂质黏土,下部为花岗岩全风化、强风化、中风化和微风化层。
1.2
花岗岩残积层地层特点
1
组分:
花岗岩的主要矿物成分为石英、长石及少量的黑云母、角闪石。
花岗岩残积土中的长石、云母、角闪石已完全风化,唯有石英矿物残留成石英角砾。从残积土的颗粒组成来看,属于由细粒土和粗粒土混杂且缺乏中间颗粒的混合土,兼有砂土和粘性土的性质。从母岩角度来看,中
—
粗粒花岗岩风化而成的残积土多为砾质粘性土,中
—
细粒花岗岩风化成砂质粘性土,粘性土基本为岩脉风化而成。
砾质粘性土颗粒组成见下表
颗粒大小
/mm
>2
2~0.5
0.5~0.25
0.25~0.075
<0.075
重量百分比
范围
20~54
5~21
3~12
2~12
30~56
平均
31
13
6
6
44
从表中可看出,颗粒组成明显具有两头大、中间小的混合土性质。
2
球状风化
花岗岩残积土的不均匀风化包括囊状风化和球状风化,深圳地铁工程中主要表现形式为球状风化,即残积土中存在球状中等风化、微风化岩体。球状风化的成因主要是由于岩石岩性不均匀、抗风化能力差异大,加之断裂构造发育及岩体的次生裂隙导致岩体破碎,抗风化能力减弱,在深程度风化情况下所形成的。一般于地形平缓,风化带厚度较大的地区较发育。风化球一般见于残积土的下部。单个风化球的最大竖向尺寸一般不超过风化带厚度的
1/10
,多呈水平椭球体。
3
物理力学指标
残积土天然含水量
25%-30%
,塑性指数
17
左右,液性指数
0.15-0.2
,;内摩擦角
约
23
度(快剪),粘聚力
c
为
20-25kPa
(快剪);渗透系数
0.5m/d
。
全风化、强风化地层天然含水量
18%-22%
,塑性指数
12-15
左右,液性指数
0.06
,;内摩擦角
约
24-27
度(快剪),粘聚力
c
为
23kPa
(快剪);渗透系数(
1-3
)
m/d
。
1.3
花岗岩岩层
中风化花岗岩单轴抗压强度
15-50MPa
,微风化花岗岩单轴抗压强度在
50MPa
以上,最大强度达
140MPa
。
花岗岩岩面起伏和地层强度多变。规范规定的钻孔间距难以判断其岩面变化规律。
1.4
盾构施工中的难点
1
刀盘结泥饼:残积土中的粘粒在盾构机切削刀具高温作用下会逐渐黏附硬化,形成泥饼包裹刀盘,使得盾构机切能力降低。
工程风险:结泥饼后的刀盘使得盾构机切削能力降低;掘进速度迅速下降。为清除泥饼,只能采用人员进入土仓人工清除。工程风险在于:(
a
)进入土仓人员存在安全风险;(
b
)盾构机长时间停止,花岗岩残积土在卸载和渗透力作用下已发生崩解坍塌,造成超挖,引起盾构隧道上部地层下落或变形过大,从而加大既有隧道的变形。
2
刀具磨损严重:残积土中的砾砂使刀具磨损严重,一般每 环就需换刀一次。
人工进仓更换刀具,工程风险基本同上,主要为:(
a
)进入土仓人员存在安全风险;(
b
)盾构机长时间停止,花岗岩残积土在卸载和渗透力作用下已发生崩解坍塌,造成超挖,引起盾构隧道上部地层下落或变形过大,从而加大既有隧道的变形。
3
球状风化体(孤石):难以勘察清楚,遇到后不易处理;若在下穿过程中,则只能在盾构机舱内处理。
人工进仓清除风化体,工程风险基本同上。
4
上软下硬地层:盾构机姿态难以控制、刀具偏磨、掘进速度慢导致超挖。
工程风险主要为:(
a
)掘进速度下降,刀具偏磨严重;(
b
)盾构机出土量难以控制,极易造成超挖,引起盾构隧道上部地层下落或变形过大,从而加大既有隧道的变形,增大周边建构筑物安全风险。
2
近距离的空间位置关系
——
难点之二
地铁二期工程中,盾构隧道下穿运营隧道的距离都比较近,在
1~3m
之间。
4
个下穿工程具体情况如下:
2.1 2
号线下穿
4
号线运营隧道
4
号线是深圳市目前正在运营的地铁线路,其隧道宽约
13m,
高约
7m
。
4
号线隧道上部为
<8-3>
硬塑状砾质粘性土
,
下部为
<9-1>
全风化花岗岩。
2
号区间盾构始发端距离
4
号线仅
1.567m
。
4
号线隧道距离
2
号线新建盾构始发井
6.5m
,受该条件限制,车站始发端头仅能加固
2.7m
。
2
号线左右线盾构下穿地铁四号线时在
<9-1>
全风化花岗岩和
<9-2-1>
土状强风化花岗岩地层中通过,距离运营隧道的净距分别为
1.841m
和
1.567m
。
相对位置关系见下图。
2
号线下穿
4
号线运营隧道相对位置关系图
1
2
号线下穿
4
号线运营隧道相对位置关系图
2
2.2 2
号线下穿
1
号线运营隧道重叠隧道
2
号线左右线盾构隧道下穿地层为中风化花岗片麻岩和微风化花岗岩,洞顶地层为强风化花岗岩。距离
1
号线正在运营的重叠隧道净距分别为
1.78m
和
2.76m
。
2.3 3
号线盾构隧道下穿
1
号线运营线路
新建
3
号线隧道右线隧道与1号线隧道之间的净距为
1.46 m
,新建左线隧道与1号线隧道之间的净距为
1.23 m
。
既有
1
号线隧道主要位于
<6-2>
砾质粘土层和
<12-1>
全风化花岗岩层中;新建区间隧道主要穿越
<12-1>
全风化花岗岩层和
<12-2-1>
强风化花岗岩层,两隧道之间所夹土体为
<12-1>
全风化花岗岩。
3
号线下穿
1
号线运营隧道相对位置关系图
1
3
号线下穿
1
号线运营隧道相对位置关系图
2
2.4 2
号线小角度下穿
1
号线大
-
科区间
下穿范围隧道洞身处于
<9-1>
全风化花岗岩、
<9-2-1>
强风化花岗岩、
<9-3>
中风化花岗岩均有存在的复合地层中。
其中左线上软下硬地层共计
42.8m
,占下穿范围的
60.7%
;右线上软下硬共计地层
34.9m
,占下穿范围的
47.3%
。
2
号线斜下穿既有运营中的
1
号线,投影交叉段
74m
,
2
号线与
1
号线最小垂直净间距
1.75m
。
2
号线小角度下穿
1
号线运营隧道相对位置关系图
1
2
号线小角度下穿
1
号线运营隧道相对位置关系图
2
3
工程风险分析和技术对策
3.1
运营地铁的要求
1
不能停运;
2
下穿区段最低限速
20km/h;
3
变形控制标准如下表:
序号
项目
预警值
报警值
控制值
1
道床平顺度
2.0mm/10m
3.2mm/10m
4.0mm/10m
2
左右轨道差异沉降
2.0mm
3.2mm
4
。
0mm
3
三角坑
2.0mm/18m
3.2mm/18m
4.0mm/18m
4
结构绝对变形量
10mm
16mm
20mm
5
隧道相对变形量
1/5000
1/3125
1/2500
6
隧道结构的裂缝与受损情况监测
设计单位确定
3.2
风险事件分析
1
掘进隧道在运营线路正下方开挖面失稳;
2
掘进隧道在运营线路外侧开挖面失稳;
3
运营隧道变形绝对值和速率超过预警值、控制值;
4
运营隧道开裂、渗水、道床与隧道结构拖开;
5
监测信息中断。
其他风险事件还有:
6
深南大道路面沉陷;(在地面沉陷情况下,还可能在地层中产生空洞)
7
非机动车道地面沉陷;
8
管线损伤;
9
地面坍塌冒顶;
10
人员进入土仓的安全风险。
3.3
技术对策
1
岩土工程补充勘察
在详勘的基础上应进行补充勘察,尽可能了解下穿区段地层特点,探明岩层强度、完整性、侵入隧道范围、球状风化体等地层特点。
2
试验段掘进
设置试验段,目的是获取相似地层的各项盾构推进参数,确保盾构在微扰动状态推进,为下穿施工提供较合理的参数。
试验段一般长度
30m~50m
,设置在下穿段预警区以外的相似地层处。
试验段应强化监测(地表沉降、地层内部沉降规律),将监测数据与盾构推进参数与工艺对比分析、优化调整。
3
数值模拟分析
根据工程地质和水文地质条件、周边环境、运营隧道结构形式、空间位置关系,结合盾构掘进施工的各种工况,采用合适的专业软件进行模拟分析,了解新线施工对既有隧道的影响程度。
4
根据地层岩性配置刀具
根据详勘和补充勘察结果,在下穿之前对刀具组合和配置进行分析评估,按照最不利情况考虑。
5
微扰动掘进
(
1
)连续掘进、匀速推进;
(
2
)保持土仓压力与开挖面地层压力相对平衡;
(
3
)保持切削土体重量和排土重量相等;
(
4
)盾构保持最优姿态,减小对土体的超挖和扰动。
6
渣土改良以获得理想掘进效果
进行有针对新的渣土改良,以解决以下问题:
(
1
)防止花岗岩残积土在刀盘和土仓中结饼;
(
2
)改善全、强风化岩土体的和易性;
(
3
)降低土仓温度。
7
同步注浆配比调整和注浆压力、注浆方式优化
(
1
)采用水泥基浆液;
(
2
)根据推进速度调节浆液凝固时间,在不影响盾构机的情况下尽可能早地具备强度,防止在列车震动下不凝固而引起运营隧道沉降变形过大;
(
3
)注浆压力与地层压力相对平衡,注浆方式尽可能多点同时压注。
8
二次注浆
(
1
)填充同步注浆可能残留的空隙;
(
2
)改善管片周围土体形状,减小土体固结变形。
9
自动化监测和信息化施工。
(
1
)为不影响正常运营,采用自动化监测仪器。
4
次下穿工程均采用
ADMS
测量机器人监测系统 。
(
2
)实时测量,为完全信息化施工服务。
4
次下穿工程中均每
30
分钟报告一次测量数据。
(
3
)根据测量数据,调整土仓压力、注浆压力、推进速度等参数;
2
号线下穿
4
号线监测点布置情况
10
运营车辆限速运行
限速运行能够降低列车震动荷载,有利于开挖面土体稳定、注浆浆液快速凝固。
在运营隧道和轨道突然的出现大变形时,限速运行能够降低车辆脱轨风险。
4
次下穿工程均采取限速措施,具体见下表:
3
号线下穿
1
号线
2
号线下穿
4
号线
2
号线小角度下穿
1
号线
2
号线下穿
1
号线重叠隧道
第一条隧道下穿
20km/h
20km/h
20km/h
20km/h
第二条隧道下穿
50km/h
50km/h
20km/h
正常运营
4
组织管理措施
4.1
严密组织信息化施工管理
施工监测信息中心、第三方监测信息中心、运营安全保障部门和盾构推进指挥中心在一个办公室联动协调,共享信息和测量数据,各部门根据最新信息及时调整工作方案,施工单位及时调整掘进参数。
4.2
下穿前必要的准备工作
(
1
)地质勘探和环境调查、重大危险源辨识登记和管理预案。
(
2
)盾构施工方案检查:专项施工方案和专家评审意见、预加固措施的实施、二次注浆方案。
(
3
)施工准备和实施策划:安全质量技术交底、盾构机和配套设备检修检查、管片和注浆材料验收和运输方案、盾构下穿详细倒霉环的时间策划。
(
4
)监测方案:施工监测方案和第三方监测方案审查和初始值确认、报警值的确定和报警机制、监测数据的发布及数据对施工方的指导。
4.3
落实到位的运营管理应急预案
(
1
)地铁运营应急预案:应际组织管理机构、现场值班安排、维修抢险队伍准备、结构修复预案
(
2
)公交接驳方案:满足疏散客流的公交巴士运力配备、转运线路安排、地铁停运接驳方案。
(
3
)乘客疏导分流:地铁车站乘客疏导指引标识、地铁停运公开告示。
(
4
)媒体宣传准备:新闻通稿、交通电台广播、地铁车站广播和告示。
(
5
)地铁治安管理:安排足够的地铁车站治安管理人员。
4.4
现场指挥体系
成立现场领导小组、专家决策支持小组、协调小组、应急抢险小组。
4.5
严格的值班制度
(
1
)建设、设计、施工、监理、监测、运营、政府相关职能部门均派人值班,形成协调机制。
(
2
)
24
小时值班。
5
典型工程案例
5.1
工程概况
1
平面关系
新建
2
号线燕南
-
大剧院区间下穿既有线
1
号线的科学馆
-
大剧院区间
2
号线斜下穿既有运营中的
1
号线,投影交叉段
74m
,
2
空间几何关系
2
号线与
1
号线最小垂直净间距
1.75m
。
穿越剖面图
3
地质条件
(详见下图)
盾构始发井~大剧院站区段下穿地铁
1
号线范围隧道拱顶埋深为
20.2m
~
23.6m
上部覆土依次为
<1-1>
素填土、
<5-2-3>
中砂、
<5-2-2>
细砂、
<8-4>
砾质粘性土、
<9-1>
全风化花岗岩。
下穿范围隧道洞身处于
<9-1>
全风化花岗岩、
<9-2-1>
强风化花岗岩、
<9-3>
中风化花岗岩均有存在的复合地层中
其中左线上软下硬地层共计
42.8m
,占下穿范围的
60.7%
;右线上软下硬共计地层
34.9m
,占下穿范围的
47.3%
。
5.2
工程难点
1
穿越距离长、间距小
(
1
)长距离(
74m
),小角度(
23º
) 的下穿掘进,对盾构机设备及盾构操作提出更高的要求
(
2
)小间距掘进对既有线的扰动风险非常大,若发生意外则是灾难性的
(
3
)每条线要经历两次穿越,共四次下穿,对变形的叠加效应及盾构掘进模式的转换增加了施工的难度。
2
穿越运营线路保护要求高
在保证既有线不停运的情况下,满足以下位移及变形要求
序号
项目
预警值
报警值
控制值
1
道床平顺度
2.0mm/10m
3.2mm/10m
4.0mm/10m
2
左右轨道差异沉降
2.0mm
3.2mm
4
。
0mm
3
三角坑
2.0mm/18m
3.2mm/18m
4.0mm/18m
4
结构绝对变形量
10mm
16mm
20mm
5
隧道相对变形量
1/5000
1/3125
1/2500
6
隧道结构的裂缝与受损情况监测
设计单位确定
3
地质条件复杂
地质补勘资料显示,盾构通过的地层中,
<9-1>
全风化花岗岩、
<9-2-1>
强风化花岗岩、
<9-3>
中风化花岗岩同时存在,属于典型的上软下硬地层:
隧道洞身下部中风化花岗岩强度高(
>100MPa
)、岩质坚硬、整体性好(
RQD
值
60%
~
80%
),对刀具损伤较严重,推进速度难以达到理想状态;
隧道洞身上部全风化、强风化花岗岩风化程度强烈,腐蚀严重,裂隙发育,且颗粒成分具有“两头大、中间小”的特点,即颗粒成分中,粗颗粒(>
2mm
)的组分及颗粒小的组分(<
0.075mm
)的含量较多,而介于其中的颗粒成分较少。这种独特的组分特征使其既具有砂土的特性,亦具有粘性土特征,同时也为小颗粒从大颗粒的孔隙中涌出提供可能性,因此当动水压力过大时,容易产生坍塌、流土等渗透变形现象;
岩土分界面存在破碎带,地下水十分丰富且部分承压,盾构掘进过程中容易发生喷涌。
5.3
主要技术措施
(管理措施同前)
1
盾构选型
复合型土压平衡盾构
刀具配置:重型滚刀
+
切刀,保证对中风化地层的破岩能力
最大推力
>
3000T
最大扭矩
>
7000 KN·m
,防止刀盘被困
完善的渣土改良系统:泡沫系统、膨润土系统、加水系统、聚合物系统
2
优化设计线路
经计算分析对比,对线路进行了适当的上调,减少了掘进面内硬岩的比例,降低了在既有线下方造成停机的风险。
3优化施工顺序,降低风险
在施工组织上,先行掘进右线,待右线通过既有线的下穿段危险区之后再施工左线的穿越,减少两条线同时掘进带来的交叉干扰,降低沉降叠加效应对既有隧道结构、周边建构筑及地铁运营的安全风险。
4 信息化施工
采用先进的自动化监测系统: 对既有线采用测量机器人
(
莱卡全仪与自动监测软件配站套
)
进行自动监测,可在盾构施工期间实时对各观测点的位移情况进行数据采集,并能不影响既有隧道的运营。
根据监测反馈的数据实时调整盾构施工参数,实现信息化施工
自动化监测测点布置图
5
分区管理
将穿越过程分为三个区段:
试验段
:
盾构机盾构刀盘距既有线
40
环到
10
环,试验段掘进的主要目标是在推进过程中设定多种推进参数、尝试不同推进模式,掌握同类型地层的地质特性、沉降规律。根据实际施工过程中的出土量、地表沉降量、深层土体变化情况等不断对土仓压力、总推力、掘进速度、注浆量及注浆压力、泡沫设置、土体改良剂配比等掘进参数进行调整,总结出合适的推进模式与参数,为正式下穿地铁
1
号线提供经验和依据。
预警区
:
刀盘距既有线
10
环直至刀盘到达既有线边缘,该区域掘进渐渐接近
1
号线,在进入该区段盾构机应逐步调整施工参数,达到穿越区条件。
风险区
:
既有线和盾构机竖直投影有重叠的掘进段,即从刀盘进入一直到盾尾脱出既有线的竖直投影区。该区段为危险区,盾构严格控制既定的施工参数,各类应急措施准备到位。
6
调整盾构施工参数
(1)土仓压力:计算得出理论土仓压力值为
1.5bar
,结合试验段掘进经验,根据信息化施工结果控制土仓压力在
1.6
~
2.0bar
,掘进过程中波动
<0.2bar
(2)同步注浆控制:注浆量与注浆压力双控。推进过程中通过盾尾同步注浆管向建筑空隙填充砂浆,以减少土体后续位移。同步注浆量宜适量加大至
7
~
8m3/
环,注浆压力应控制在
2.0
~
3.0bar
,并保证
4
根注浆管同时工作。
(3)推进速度:掘进过程中,掘进速度应控制在
20
~
30mm/min
,并尽量保持稳定,减少对周边土体的扰动影响。推进过程中严禁出现为提高推进速度而随意降低土仓压力的行为。
管片脱出盾尾后,具备作业条件情况下(一般为盾尾后
5-8
环)立即组织二次补浆。
点位在
11
点和
2
点位置。
注浆材料采用水泥水玻璃双液浆。
二次补浆可以填充同步注浆可能残留的空隙,改善管片周围土体形状,减小土体固结变形。
7
二次注浆
5
.4
实际穿越情况
1
穿越历程
燕大右线下穿一号线,
6
月
27
日启动下穿工作,
6
月
30
日刀盘进入风险区,
7
月
23
日进入下穿段危险区,
8
月
7
日刀盘下穿段危险区,
8
月
8
日盾尾脱出下穿段危险区,
8
月
10
日盾尾出线后风险区,总历时
44
天。
燕大左线下穿一号线,
7
月
16
日刀盘进入线前风险区,
8
月
7
日右线刀盘出一号线后左线开始恢复掘进,
8
月
10
日刀盘进入下穿段危险区,
8
月
21
日盾尾出线下危险区,总历时
37
天。
2
刀具及换刀作业
右线出试验段,进入风险段第
1
环,开仓全盘更换刀具。
右线进入既有线两条线中间,开仓全盘更换刀具。
换刀位置
左线进入既有线两条线中间,开仓全盘更换部分刀具。
左线出试验段,进入风险段第
1
环,开仓全盘更换刀具。
5
.
5 施工过程中存在的问题
1掘进速度慢:遇到上软下硬地层下部地层为中风化或者微风化时,掘进效率低,掘进速度仅为
3-5mm/min
。
2刀盘“结泥饼”。
3刀具磨损严重:强度高、石英含量高,造成刀具磨损严重,盾构掘进效率低。
4渣土温度高。
5
.
6 运营隧道最大沉降
第一次下穿时,既有隧道沉降最大值为
7.9mm
。
左右线下穿完毕,既有隧道最大沉降量为
17mm
。
深圳地铁二期工程四次下穿既有线最大沉降值见下表:
3
号线下穿
1
号线
2
号线下穿
4
号线
2
号线小角度下穿
1
号线
2
号线下穿
1
号线重叠隧道
第一条隧道下穿
5.1mm
5.7mm
7.9mm
3.6mm
第二条隧道下穿
12.1mm
14mm
17mm
8mm
6
结语
1
深圳地铁二期工程共
4
处近距离下穿运营地铁线路证明,通过有针对性的技术措施和严密的组织措施,能够成功穿越,运营线路可以保持在安全范围内。
2
包括自动化的、实时的监测手段在内的信息化施工管理体系,对深圳地区近距离下穿工程的成功至关重要。
3
通过盾构掘进参数和工艺控制、时间紧凑的工序安排、更为合理的辅助措施,既有隧道的变形量有可以进一步减小。
4
运营车辆的速度对近距离下穿盾构掘进的影响尚待进一步研究。