地鐵盾構(gòu)隧道下穿海河施工風(fēng)險(xiǎn)控制

地鐵盾構(gòu)隧道下穿海河施工風(fēng)險(xiǎn)控制【摘要】天津地鐵2號(hào)線東南角站—建國道站區(qū)間施工過程中成功地穿越了海河，為天津地鐵首次成功穿越。由于無同類工程的經(jīng)驗(yàn)借鑒，施工前做了大量的探索分析，認(rèn)為盾構(gòu)下穿海河過程中自身的安全保證為最大的施工風(fēng)險(xiǎn)，文中主要介紹穿越海河過程中的風(fēng)險(xiǎn)控制措施。【關(guān)鍵詞】地鐵；盾構(gòu)隧道；穿越海河；風(fēng)險(xiǎn)控制1、工程概況天津地鐵2號(hào)線東南角站一建國道站區(qū)間左線長845.818m,共計(jì)705環(huán)，右線長859.424m，共計(jì)717環(huán)；盾構(gòu)隧道在始發(fā)后203?293m（169?244環(huán)）穿越海河，穿越段長度90m,河床至區(qū)間隧道的頂面最小覆土厚度為7m。見圖1。在海河最低位置主要土層從上到下依次為淤泥（厚度2.7m）、粉土（1.2m）、粉砂（2m）、粉土（1.8m）、粉砂（3.3m）、粉質(zhì)粘土（3.8m）。隧道撐子面土層主要是粉土和粉砂層。由于海河流速緩慢，河底淤泥層較厚，據(jù)地質(zhì)勘查成果顯示，淤泥層厚度已達(dá)到3m,而隧道的最小覆土厚度僅有7m,實(shí)際有效最小覆土厚度為4m。另外，隧道斷面范圍以內(nèi)主要的土層為⑦2、⑦4粉土、粉砂層，滲透系數(shù)大，含水量豐富，對(duì)盾構(gòu)施工極為不利。盾構(gòu)下穿河流最大的風(fēng)險(xiǎn)在于盾構(gòu)自身，過河段與普通段相比主要的特點(diǎn)在于盾構(gòu)的正上方存在源源不斷的水源，如果發(fā)生泄漏或者倒灌，海河水將涌入隧道，將整個(gè)已完成的線路全部淹沒，造成重大損失在盾構(gòu)施工之前必須充分分析各種存在的風(fēng)險(xiǎn)，找出有針對(duì)性的預(yù)防處置措施，做到萬無一失。2、主要風(fēng)險(xiǎn)2.1河水倒灌風(fēng)險(xiǎn)由于盾構(gòu)掘進(jìn)斷面處于⑦4粉砂層內(nèi)，含水量豐富、滲透系數(shù)大，上部隔水層厚度很薄，極易發(fā)生透水事故，導(dǎo)致河水與隧道貫通，因此保證盾構(gòu)自身安全的關(guān)鍵點(diǎn)在于控制地下水。幾二誤-1二0.9根據(jù)抗管涌計(jì)算公式，臨界水頭梯度 :'實(shí)際水頭梯度為 -式中：I 實(shí)際水頭梯度；叫 河水水頭高度，m；H2 透水點(diǎn)水頭高度，m；深度路徑，此處等于覆土厚度，m。inia，所以如果盾構(gòu)機(jī)的任何位置發(fā)生了透水，都將導(dǎo)致管涌的發(fā)生，一旦發(fā)生管涌將導(dǎo)致河水灌入隧道內(nèi)部。2.2抗浮安全驗(yàn)算盾構(gòu)隧道在河底施工過程中，管片受到河底水浮力作用，為了防止管片上浮，需對(duì)穿越段河底最小覆土厚度計(jì)算。管片所有浮力F=pgv=1x10x3.14x3.12=301.75(kN)；浮排管片自重G=24.5x3.14x6.2x0.35=166.94(kN)；上浮土有效荷載F=y‘hxD；抗浮需滿足F<G+F；浮式中：D 盾構(gòu)隧道直徑，m；h———隧道覆土厚度，m；Y 浮重度，kN/m3。故最小覆土厚度應(yīng)滿足f.-G301.75-166.94 、心k二……亍斎—=2-4W1通過計(jì)算認(rèn)為本隧道不會(huì)發(fā)生上浮的災(zāi)害性事故，處于安全深度范圍。2.3管片上浮量化分析采用有限元法進(jìn)行數(shù)值分析，為了簡化計(jì)算并最直觀的得出上浮的具體數(shù)值，省略隧道的開挖、管片安裝等過程，直接假定管片已安裝完成，僅分析管片在浮力作用下的上浮量，選用二維模型。分析的主要步驟如下：)建立已拼裝完成管片的隧道模型；)計(jì)算初始應(yīng)力場(chǎng)，將位移全部去掉；)給管片施加向上的浮力荷載，計(jì)算管片的上浮量?？紤]到土體、管片均在水底，為此計(jì)算時(shí)土的重度取浮重度。土體采用D-P本構(gòu)模型，主要的計(jì)算參數(shù)見表1，計(jì)算結(jié)果見圖3。

1擰吐度7?/kNF隧道埋深A(yù)n■kN-nf^輻凝土重度？kN'in-3）gL1100002d.5820516-0026U75e-002IG258e-0022B121S-002105Ile-00292GG7e-0027t790e-0023&913e-00239036e-00221159e-002032E2e-0025105le-00375285e-003%516e-00317717e-00338978e-00397912e-00I圖3隧道在河底匕浮有限兀模型齡果通過計(jì)算盾構(gòu)施工完成后，管片的累積上浮量能達(dá)到28mm左右，該計(jì)算結(jié)果未考慮管片初拼裝后在漿液內(nèi)的上浮。3、主要應(yīng)對(duì)措施3.1出土閘門通過地層滲透的地下水沒有及時(shí)與渣土排出從而導(dǎo)致地下水壓力不斷增大是發(fā)生噴涌的主要原因。本區(qū)間盾構(gòu)穿越海河的地層主要以粉土、粉砂層為主，含水量大，滲透系數(shù)高，容易形成噴涌現(xiàn)象。F動(dòng)閘匚Jjji液兒閘圖4防瞪裝直F動(dòng)閘匚Jjji液兒閘圖4防瞪裝直3.2鉸接鉸接是容易出現(xiàn)漏水的薄弱環(huán)節(jié)，因此，施工前在鉸接位置設(shè)置應(yīng)急氣囊，在施工中應(yīng)盡量提前調(diào)整好姿態(tài)，保證在河底不采用鉸接調(diào)整姿態(tài)。3.3盾尾處理盾構(gòu)原設(shè)計(jì)3道鋼絲刷，在施工前進(jìn)行了更新和改造。首先將所有的盾尾刷全部更換為彈性好的優(yōu)質(zhì)鋼絲刷，然后將第3道（最尾部）更換為采用薄鋼板組裝而成的盾尾刷。見圖5。根據(jù)中鐵一局在金雞湖湖底2km隧道的掘進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，最后一道改用鋼板后的盾尾刷彈性更好，能有效減小塑性變形程度。而前兩道仍用鋼絲刷可以有效保持盾尾油脂。3.4抗上浮措施根據(jù)理論分析，盾構(gòu)過后管片會(huì)上浮約28mm,再考慮到管片在未凝固的漿液中也可能存在上浮，綜合各類因素之后，在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中壓低姿態(tài)約30mm,以抵抗盾構(gòu)的工后上浮。另外注漿的過程中，加大上部2個(gè)注漿孔的注漿量，盡量將上部空隙填充密實(shí)并將管片向下擠壓。根據(jù)實(shí)測(cè)，盾構(gòu)管片拼裝完成后，其垂直姿態(tài)均比設(shè)計(jì)低20?30mm,但是根據(jù)監(jiān)測(cè)，在盾構(gòu)通過1月后，隧道的豎向姿態(tài)已基本接近設(shè)計(jì)標(biāo)高。表2為對(duì)河底段管片的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。K2誕片上浮擺丈測(cè)數(shù)揺 mm時(shí)間1和環(huán)195環(huán)200205環(huán)210環(huán)拼裝完惑-25-32-30-29-2830d￡i-5-5-3-1注嚴(yán)表示隧道實(shí)際標(biāo)離高于隧遇設(shè)計(jì)中踐表示

隧道丈間高低F隧迪魏計(jì)中線3.5做好超前注漿應(yīng)急準(zhǔn)備盾構(gòu)隧道在河底段掘進(jìn)時(shí)，由于存在砂層，含水量超過液限，受到盾構(gòu)的擾動(dòng)極易發(fā)生液化。如果盾構(gòu)機(jī)某個(gè)部位發(fā)生泄漏，就會(huì)導(dǎo)致周邊土體被抽空，這樣盾構(gòu)機(jī)就如同懸在地下一般，由于四周土體無有效支撐，盾構(gòu)機(jī)與管片之間可能產(chǎn)生較大的相對(duì)位移，發(fā)生管片破損，盾尾漏水等災(zāi)害性事故。為此，在盾構(gòu)過海河地段，做好超前注漿準(zhǔn)備，一旦發(fā)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)可能存在上述風(fēng)險(xiǎn)，立即進(jìn)行雙液注漿，保證盾構(gòu)安全。見圖6。4、結(jié)論東南角站—建國道站區(qū)間盾構(gòu)右線穿越海河整個(gè)過程自2010年10月24開始，至2010年11月1日結(jié)束，平均進(jìn)度10環(huán)/d,最高12環(huán)/d；左線穿越海河整個(gè)過程自2010年12月5日開始，至2010年12月14日結(jié)束，平均進(jìn)度9環(huán)/d,最高13環(huán)/d。盾構(gòu)在河底段掘進(jìn)過程中未出現(xiàn)任何滲漏、涌水情況，整個(gè)穿越過程安全平穩(wěn)。在過河段施工最大的風(fēng)險(xiǎn)就是盾構(gòu)自身的安全保障，除了需采用合理的施工參數(shù)外，另一個(gè)重要的風(fēng)險(xiǎn)控制措施就是對(duì)盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行適當(dāng)改造或充分利用各種技術(shù)手段，使其更適合在河底掘進(jìn)施工。為了過河而改造的盾尾刷對(duì)于保證盾尾安全，防止盾尾漏水意義重大；在螺旋輸送機(jī)出土口位置加裝的手動(dòng)閘門增加了盾構(gòu)施工的安全性，降低了噴涌后的風(fēng)險(xiǎn)；以上措施也可在普通地段實(shí)施。參考文獻(xiàn)：馬龍?淺覆土段盾構(gòu)過河研究J]?施工技術(shù)，2009(S1)：95-97.王洋?泥水盾構(gòu)穿越珠江水下淺覆土區(qū)域的施工難點(diǎn)與對(duì)策J]?廣州建筑，2006