大直徑泥水平衡盾構(gòu)穿越湘江漫灘粉細(xì)砂地層塌陷原因分析

1、大直徑泥水平衡盾構(gòu)穿越湘江漫灘粉細(xì)砂地層塌陷原因分析 摘要:本文依托長(zhǎng)沙市南湖路湘江隧道工程，分析了工程前期北線隧道開(kāi)挖時(shí)地表發(fā)生塌陷的原因，并基于此為后續(xù)南線隧道開(kāi)挖提出了相關(guān)的施工控制措施。 關(guān)鍵字：盾構(gòu)隧道塌陷粉細(xì)砂地層掘進(jìn)參數(shù) 中圖分類(lèi)號(hào)：u455文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： a 1工程概況 長(zhǎng)沙市南湖路湘江隧道工程（以下簡(jiǎn)稱(chēng)南湖路隧道）位于橘子洲大橋與猴子石大橋之間，南距猴子石大橋約3.0km，北距橘子洲大橋約3.4km，江中段位于橘子洲頭以南100m。隧道西起阜埠河路和瀟湘大道交叉口并與瀟湘大道互通，下穿湘江、湘江大道后與南湖路相接。如圖2-1所示。 圖1-1 南湖路湘江隧道工程位置示意圖 根據(jù)地

2、質(zhì)詳細(xì)勘察報(bào)告1，河西漫灘地層狀況與工程特性見(jiàn)表1-1： 2地層條件因素 2.1 粉細(xì)砂地層 南湖路地質(zhì)詳勘資料揭示，隧道西岸北線nk0435nk0600、南線sk0684sk0900為上軟下硬地層，隧道洞身下半部分為中風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化礫巖，上半部分為細(xì)砂層和粉質(zhì)粘土層，且地下水充沛，與湘江河水聯(lián)系密切。粉細(xì)砂地層是一種典型的力學(xué)不穩(wěn)定地層，地層反應(yīng)靈敏，若出現(xiàn)在開(kāi)挖面，容易產(chǎn)生坍塌，同時(shí)粉細(xì)砂和卵石地層透水性較強(qiáng)，粉細(xì)砂極可能沿卵石層孔隙隨地下水流失。因此，盾構(gòu)在粉細(xì)砂地層中施工將存在很大的施工風(fēng)險(xiǎn)，容易發(fā)生涌砂、涌水及地表塌陷、地表沉降失控等事故2。 2.2 異常地質(zhì)狀況 據(jù)南湖路隧道物探報(bào)告

3、可知，北線nk0+537nk0+607區(qū)段，地質(zhì)異常級(jí)別較高、規(guī)模較大，反映局部巖體破碎裂隙發(fā)育且富水，或由強(qiáng)度更差的泥質(zhì)粉砂巖引起。因此地質(zhì)條件可能是導(dǎo)致地表塌陷的一個(gè)重要因素。地質(zhì)異常位置分布及性質(zhì)見(jiàn)表2-1。 表1-1河西漫灘地層狀況與工程特性 表2-1 南湖路隧道北線地質(zhì)異常位置分布及性質(zhì)表（部分） 據(jù)南湖路隧道物探成果異常分布圖（如圖2-2所示），地表塌陷位置緊鄰地質(zhì)異常區(qū)n1，洞身巖體極可能位于裂隙密集帶或斷層破碎帶。破碎帶區(qū)域的巖體較為破碎，富含水且自穩(wěn)能力差，盾構(gòu)掘進(jìn)的過(guò)程中，刀盤(pán)面板受到的推力不均勻，扭矩因此而不平衡，導(dǎo)致開(kāi)挖面容易發(fā)生局部失穩(wěn)，進(jìn)而誘發(fā)地表塌陷。因此異常地質(zhì)

4、狀況也是導(dǎo)致地表塌陷的一個(gè)重要因素。 圖2-2 南湖路隧道物探成果異常分布圖 3掘進(jìn)模式 泥水平衡盾構(gòu)工法技術(shù)先進(jìn)、施工效率高、可靠穩(wěn)定，適合在地質(zhì)條件復(fù)雜，覆土淺、富含地下水，以及對(duì)地面的沉降要求高的地區(qū)中3。 通常會(huì)有幾種模式：最常用的是泥水平衡模式；其次是氣墊模式，是較為特殊的一種掘進(jìn)模式。武漢的過(guò)江隧道、成都的地鐵隧道等均采用氣墊模式掘進(jìn)4。 3.1 掘進(jìn)模式討論 （1）泥水模式 泥水模式是一種泥水平衡盾構(gòu)特有的掘進(jìn)模式，盾構(gòu)通過(guò)泥水加壓與泥膜作用來(lái)穩(wěn)定開(kāi)挖面。此模式具有較強(qiáng)的穩(wěn)定巖石的功能，但是開(kāi)挖面支撐壓力不能通過(guò)在進(jìn)漿管線的泥水直接控制，影響了盾構(gòu)控制開(kāi)挖面巖石穩(wěn)定性的精度5。

5、圖3-1為泥膜形成及所用機(jī)理示意圖。 （a）泥膜形成 (b)泥膜穩(wěn)定開(kāi)挖面機(jī)理 圖3-1 泥膜形成及作用機(jī)理示意圖 （2）氣墊模式 氣墊模式是指通過(guò)調(diào)整泥水倉(cāng)旁邊的氣壓倉(cāng)內(nèi)空氣壓力，從而來(lái)間接地調(diào)整泥水倉(cāng)內(nèi)的泥水壓力與泥水高度，進(jìn)而平衡了開(kāi)挖面水土壓力。相對(duì)于傳統(tǒng)的泥水模式，能更好的的控制壓力精度，保證開(kāi)挖面穩(wěn)定。圖3-2為兩種模式對(duì)比示意圖。 (a)泥水模式（b）氣墊模式 圖3-2 兩種掘進(jìn)模式示意圖 （3）非典型氣墊模式 非典型氣墊模式與傳統(tǒng)氣墊模式不同，其泥水艙下部分為泥漿，上半部分為壓縮空氣。采用該種氣墊模式掘進(jìn)，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)的推力和扭矩出現(xiàn)能耗較小，盾構(gòu)掘進(jìn)速度較快，可有效減少刀盤(pán)結(jié)泥

6、餅概率，但同時(shí)也衍生出一些新的技術(shù)問(wèn)題，如在薄弱地層或不良地質(zhì)條件下，氣壓透過(guò)開(kāi)挖面破碎巖層到達(dá)上覆粉細(xì)砂地層，破壞了淺覆粉砂層的穩(wěn)定，或氣壓通過(guò)開(kāi)挖面后串擊穿上覆淺埋地層導(dǎo)致地層破壞失穩(wěn)，誘發(fā)地表塌陷。 3.2 掘進(jìn)模式選擇 北線河?xùn)|始發(fā)試驗(yàn)段，因采用泥水模式掘進(jìn)刀盤(pán)結(jié)泥餅現(xiàn)象嚴(yán)重，頻繁的停機(jī)開(kāi)倉(cāng)清理刀盤(pán)既影響施工進(jìn)度又存在安全隱患，如圖3-3所示。因此，為避免刀盤(pán)結(jié)泥餅，項(xiàng)目部嘗試停機(jī)注漿時(shí)將設(shè)定為泥水模式，而盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)，更換為非典型氣墊模式。 （a） 刀箱被黏糊 (b) 刀具磨損 圖3-3 現(xiàn)場(chǎng)刀盤(pán)黏糊及道具磨損情況 盾構(gòu)進(jìn)入河西漫灘區(qū)域，隧道穿越地層逐漸由強(qiáng)風(fēng)化礫巖向卵石層、粉細(xì)砂層過(guò)

7、渡。南湖路北線河西地表塌陷之前，采用非典型氣墊模式掘進(jìn)，此模式掘進(jìn)速度較快，但泥水倉(cāng)泥水量相對(duì)較少，膨潤(rùn)土泥漿在開(kāi)挖面較難形成足以穩(wěn)定可滲透開(kāi)挖面的泥膜，地質(zhì)條件差時(shí)開(kāi)挖面易失穩(wěn)。 盾構(gòu)掘進(jìn)至600環(huán)時(shí)，隧道上覆土地層以透水性較強(qiáng)的粉細(xì)砂為主，開(kāi)挖面及前方區(qū)段緊鄰破碎帶，開(kāi)挖面未能形成泥膜，粉細(xì)砂隨掘削地層中的地下水涌入泥水艙，上覆粉細(xì)砂地層失穩(wěn)，導(dǎo)致地表塌陷。因此在進(jìn)入粉細(xì)砂地層區(qū)域未能及時(shí)更換泥水掘進(jìn)模式可能成為地表塌陷的一個(gè)重要因素。 4掘進(jìn)參數(shù) 4.1 參數(shù)統(tǒng)計(jì)分析 由于粉細(xì)砂地層與其他地層狀況區(qū)別較大。通過(guò)各地層實(shí)際掘進(jìn)參數(shù)對(duì)比，可得盾構(gòu)由強(qiáng)風(fēng)化礫巖地層進(jìn)入粉細(xì)砂地層掘進(jìn)參數(shù)的變化趨

8、勢(shì)。如表4-1所示。 表4-1粉細(xì)砂地層與相鄰強(qiáng)風(fēng)化礫巖地層掘進(jìn)參數(shù)均值對(duì)比 由上表可知，實(shí)際施工過(guò)程中，粉細(xì)砂地層與其相鄰強(qiáng)風(fēng)化礫巖地層相比較，總推力、刀盤(pán)扭矩和泥漿循環(huán)流量差增大，掘進(jìn)速度、泥水艙壓力、刀盤(pán)轉(zhuǎn)速、泥漿循環(huán)密度差減小。 在河西粉細(xì)砂地層段掘進(jìn)時(shí)泥水倉(cāng)壓力設(shè)置偏低，可能導(dǎo)致前方開(kāi)挖面水土壓力大于維持掌子面穩(wěn)定所需的支撐力，可能導(dǎo)致開(kāi)挖面失穩(wěn)及地表塌陷。 對(duì)隧道北線漫灘段580630環(huán)總推力、刀盤(pán)扭矩、掘進(jìn)速度、泥水艙壓力、進(jìn)、排漿流量和密度等主要掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，分析盾構(gòu)在粉細(xì)砂地層掘進(jìn)參數(shù)的變化規(guī)律。分布曲線及分布直方圖如圖4-24-11所示。 圖4-3 泥水倉(cāng)壓力分布曲線及

9、直方圖 圖4-4氣倉(cāng)壓力分布曲線及直方圖 圖4-5刀盤(pán)扭矩分布曲線及直方圖 圖4-6掘進(jìn)速度分布曲線及直方圖 圖4-9排漿流量分布曲線及直方圖 圖4-10進(jìn)漿密度分布曲線及直方圖 隧道北線河西粉細(xì)砂地層掘進(jìn)參數(shù)統(tǒng)計(jì)如表4-1所示： 表4-1河西粉細(xì)砂地層（580630環(huán)）實(shí)際掘進(jìn)參數(shù)統(tǒng)計(jì) 由上表可知，受不良地質(zhì)條件影響，粉細(xì)砂地層掘進(jìn)參數(shù)總體分布較離散，其中以總推力和刀盤(pán)扭矩標(biāo)準(zhǔn)差值最大。具體分析如下： 總推力和刀盤(pán)扭矩 總推力平均值4195kn、標(biāo)準(zhǔn)差783.980，580600環(huán)總推力值主要在30004100kn之間波動(dòng)，600環(huán)后數(shù)值變大，603611環(huán)總推力集中在52006300kn之

10、間；刀盤(pán)扭矩平均值4562，標(biāo)準(zhǔn)差1174.7，600環(huán)之前，刀盤(pán)扭矩持續(xù)增大，600環(huán)之后刀盤(pán)扭矩在較大波動(dòng)中呈降低趨勢(shì)?？傊?，分析區(qū)段總推力和刀盤(pán)扭矩?cái)?shù)據(jù)波動(dòng)性很大。 泥水倉(cāng)壓力和氣艙壓力 泥水艙壓力平均值1.3bar，標(biāo)準(zhǔn)差0.252，整體波動(dòng)性不大，600環(huán)之前（593600）設(shè)置較低，在1.21.4bar范圍內(nèi)波動(dòng)，600環(huán)之后（603609）泥水壓迅速上升，由602環(huán)1.4bar突增至1.9bar；氣倉(cāng)壓力平均值1.6bar，標(biāo)準(zhǔn)差0.457，580600環(huán)數(shù)據(jù)主要集中在1.31.8bar之間，600環(huán)之后數(shù)據(jù)離散型大，波動(dòng)范圍0.92.6bar。 掘進(jìn)速度 掘進(jìn)速度受到粉細(xì)砂地層

11、復(fù)雜的地質(zhì)條件影響，呈現(xiàn)較大離散型，波動(dòng)范圍218，600環(huán)之前掘進(jìn)模式為氣墊模式，掘進(jìn)速度較快，集中在915mm/min，600環(huán)后掘進(jìn)模式更改為泥水模式，掘進(jìn)速度降低，主要在3mm/min之間波動(dòng)。 4.2 地表沉降與掘進(jìn)參數(shù)關(guān)系分析 整理2012年9月11日至2012年9月29日盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)和nk0+580隧道軸線測(cè)點(diǎn)地表沉降數(shù)據(jù)（見(jiàn)表4-2），對(duì)各參數(shù)變化進(jìn)行擬合，分析各主要掘進(jìn)參數(shù)對(duì)測(cè)點(diǎn)地表沉降的影響。 說(shuō)明：切口與測(cè)點(diǎn)距離設(shè)定為切口到達(dá)測(cè)點(diǎn)之前為負(fù)值，切口通過(guò)測(cè)點(diǎn)后距離為正值。 表4-2 掘進(jìn)參數(shù)和測(cè)點(diǎn)地表沉降 （1）總推力與地表沉降 盾構(gòu)千斤頂?shù)耐屏Υ笮∨c開(kāi)挖面的土體隆起與沉降直

12、接有關(guān)：如果千斤頂?shù)耐屏υO(shè)置過(guò)小，會(huì)導(dǎo)致開(kāi)挖面產(chǎn)生失穩(wěn)，從而引起地表沉降甚至塌陷。當(dāng)正面土壓力與開(kāi)挖面的靜止土壓力差值控制在一定范圍內(nèi)時(shí),地層的變形呈線彈性變化，開(kāi)挖面維持在穩(wěn)定狀態(tài)。 如圖4-12所示，測(cè)點(diǎn)地表沉降與總推力值總體上呈負(fù)相關(guān)性，切口與測(cè)點(diǎn)盾構(gòu)切口與測(cè)點(diǎn)相距一倍洞徑以外（12m），測(cè)點(diǎn)沉降隨盾構(gòu)推力增大而減小，盾構(gòu)切口與測(cè)點(diǎn)相距一倍洞徑以內(nèi)（12m），測(cè)點(diǎn)沉降隨盾構(gòu)推力減小而增大。 由此可知，盾構(gòu)頂推力設(shè)置偏小，將引起較大地表沉降位移，甚至誘發(fā)刀盤(pán)前方土體失穩(wěn)。 （2）泥水壓力與地表沉降 由圖4-13可知，切口與測(cè)點(diǎn)相距一倍洞徑以外，泥水壓力逐漸降低，但總推力較大，因此地表沉降值

13、較小甚至有略微隆起的趨勢(shì)；切口與測(cè)點(diǎn)相距一倍洞徑以內(nèi)，隨著泥水壓力的降低，地表沉降呈現(xiàn)增大趨勢(shì)。由此可知，泥水壓力設(shè)置偏低，將可能加劇開(kāi)挖面前方地表沉降。 （3）刀盤(pán)扭矩與地表沉降 刀盤(pán)扭矩是盾構(gòu)總推力、掘進(jìn)速度、盾構(gòu)刀盤(pán)轉(zhuǎn)速等參數(shù)的綜合反映。若刀盤(pán)的扭矩?cái)?shù)值波動(dòng)過(guò)大，則反映出與其相關(guān)的主要掘進(jìn)參數(shù)值不穩(wěn)定，尤其在粉細(xì)砂地層中盾構(gòu)施工，掘進(jìn)參數(shù)的較大波動(dòng)不利于地層穩(wěn)定。 由圖4-14可知，盾構(gòu)切口到達(dá)監(jiān)測(cè)斷面之前，刀盤(pán)扭矩?cái)M合曲線的反彎點(diǎn)位置，對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)地表沉降值均較大。由此可知，刀盤(pán)扭矩的波動(dòng)，對(duì)前方粉細(xì)砂地層的穩(wěn)定產(chǎn)生不利影響。 綜上所述，在盾構(gòu)切口到達(dá)測(cè)點(diǎn)斷面之前，地表沉降與總推力、泥水艙

14、壓力、刀盤(pán)扭矩等主要掘進(jìn)參數(shù)密切相關(guān)。地表沉降隨總推力、泥水壓力的降低而呈增大趨勢(shì)，刀盤(pán)扭矩波動(dòng)亦對(duì)粉細(xì)砂地層地表沉降產(chǎn)生不利影響。 由4.1掘進(jìn)參數(shù)統(tǒng)計(jì)可知，地表塌陷前（593600環(huán)）總推力和泥水艙壓力設(shè)置偏低，且開(kāi)挖面巖體破碎，自穩(wěn)性差，導(dǎo)致開(kāi)挖面失穩(wěn)，造成地表塌陷；600環(huán)之后，總推力和泥水艙壓力大幅度上調(diào)，以維持開(kāi)挖面穩(wěn)定，恢復(fù)正常掘進(jìn)。綜合上述分析，合理控制掘進(jìn)參數(shù)及其浮動(dòng)范圍亦是控制地表沉降，避免地表塌陷的有效措施。 結(jié)束語(yǔ) 經(jīng)分析，認(rèn)為北線隧道在河西漫灘粉細(xì)砂地層掘進(jìn)時(shí)發(fā)生了地表塌陷事故是在地層條件、掘進(jìn)模式、掘進(jìn)參數(shù)、孔隙水壓的因素綜合影響下發(fā)生。具體原因如下： 地層條件：地

15、表塌陷處主要為粉細(xì)砂地層，地下水充沛且存在破碎帶，該地層滲透系數(shù)大，透水性強(qiáng)，上層粉細(xì)砂極有可能隨地下水流失，是一種典型的力學(xué)不穩(wěn)定地層。 掘進(jìn)模式：在塌陷發(fā)生之前，盾構(gòu)的掘進(jìn)采用氣墊模式，其掘進(jìn)速度較快，但泥水倉(cāng)的含量較少，并且膨潤(rùn)土泥漿在開(kāi)挖面難以形成能夠穩(wěn)定可滲透開(kāi)挖面的泥膜，在地質(zhì)條件差時(shí)開(kāi)挖面還容易失穩(wěn)。 掘進(jìn)參數(shù)：對(duì)比粉細(xì)北線掘進(jìn)時(shí)的總推力、泥水倉(cāng)壓力、刀盤(pán)扭矩、掘進(jìn)速度、進(jìn)排漿流量等施工參數(shù)克制，在粉細(xì)砂層掘進(jìn)時(shí)，掘進(jìn)參數(shù)波動(dòng)較大，泥水倉(cāng)壓力設(shè)置較低；對(duì)監(jiān)測(cè)地表沉降值與掘進(jìn)參數(shù)做相關(guān)性分析，可以得出刀盤(pán)扭矩、泥水倉(cāng)壓力等施工參數(shù)與地表沉降的相關(guān)性較大。 孔隙水壓波動(dòng)：通過(guò)對(duì)粉細(xì)砂

16、地層孔隙水壓的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析可知，掘進(jìn)時(shí)，會(huì)對(duì)孔隙水水壓造成波動(dòng)，特別是在盾構(gòu)機(jī)切口處，孔隙水水壓有一個(gè)先劇烈上升再劇烈下降的過(guò)程，這種波動(dòng)將對(duì)隧道上覆粉細(xì)砂地層產(chǎn)生較大擾動(dòng)，導(dǎo)致土體有效應(yīng)力減小，進(jìn)而有產(chǎn)生地表塌陷的風(fēng)險(xiǎn)。由此可以認(rèn)為，盾構(gòu)機(jī)在粉細(xì)砂地層掘進(jìn)時(shí)，地層孔隙水壓的波動(dòng)也是地表塌陷的一個(gè)原因。 鑒于隧道北線河漫灘粉細(xì)砂地層施工的經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為南線隧道在該地層掘進(jìn)時(shí)，需采取相關(guān)措施，確保隧道掘進(jìn)安全穩(wěn)定?；谏衔牡乇硭莸脑蚍治?，確定了在南線隧道施工時(shí)的控制措施主要如下： 盾構(gòu)掘進(jìn)前，在河西漫灘地表進(jìn)行高壓旋噴樁地表加固。 在粉細(xì)砂層掘進(jìn)時(shí)，減少掘進(jìn)參數(shù)的波動(dòng)程度與范圍，控制掘進(jìn)速度。 參考文獻(xiàn) 1 長(zhǎng)沙市勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院. 長(zhǎng)沙市南湖路湘江隧道工程地質(zhì)詳細(xì)勘察報(bào)告r. 長(zhǎng)沙. 2010. 2 李發(fā)勇.粉細(xì)砂地層盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)分析與應(yīng)對(duì)措施j.隧道建設(shè),2009, 29(6): 668677. 3 蘇清貴. 泥水盾構(gòu)的掘進(jìn)模式及操作j.現(xiàn)代隧道技術(shù), 2008,