大沥区间盾构隧道施工中地面沉陷原因分析
摘 要:广州地铁三号线大塘站到沥 站区间采用盾构法施工,在8 月16 日和8 月23 日右线的盾构机掘进过程中,地表连续发生塌陷事故。在对塌方前盾构机的掘进和操作情况进行了简单的分析之后,结合塌方处的工程水文地质条件和盾构机掘进参数,深入分析了地面产生塌陷的原因。最后,提出了处理措施。
关键词:地铁;施工;塌陷;处理
1 工程概况
广州地铁三号线大—沥盾构区间隧道, 双线延长米4925. 353m , 左线于2003 年6 月23 日,右线于2003 年7 月23 日始发掘进。本区间起自大塘站,穿过大片农田,在建筑密集的后村下穿过,横穿南环高速公路及建筑密集的新基村到达沥站。线路大部分位于城市远期规划道路上,沿线建筑物密集,以3～5 层的民宅建筑居多。地形起伏较小,地面高程4. 4～8. 5m , 地貌属平缓坡地。线路线间距均为11. 2～26. 4m , 隧道纵断面埋深两端15～ 20m , 中部约33m 。起止里程为YCK8 + 824. 2～ YCK11 + 287. 75 。
2 基本情况说明
ZD K9 + 085 里程处于2003 年8 月16 日发生沉陷,沉陷中心位于左线线路左侧2m 处,沉陷范围L7. 0m ×W4. 0m ×H2. 5m 。当时正在掘进171 环。 ZD K9 + 105 里程处于2003 年8 月23 日发生沉陷,沉陷中心位于左线线路左侧0. 5m 处, 沉陷范围L5. 0m ×W5. 0m × H0. 6m 。当时正在掘进180 环。
图1 塌方附近监测断面和中心检测点布设图
塌方前盾构机的掘进情况如下: 8 月15 日连续掘进6 环(167～172 环),并出现螺旋出土器出土口严重喷涌现象,从当时出土情况看,渣土含水量很大,推测为开挖面与(3 -2) 洪积砂层串通,在渣土中含有明显的(7) 、(8) 号地层所特有的强胶结泥质岩。
值得注意的是,在掘进第171 环时,出土量一度达到7 车,几乎多出了3 车以泥浆为主的渣土,但是未能引起施工人员的重视(16 日上午发现地面塌方) 。8 月16～18 日三天基本上处于停机状态,中间偶尔推进,主要在清理隧道内喷涌渣土。
从8 月19 日至8 月21 日,盾构机掘进速度较慢,三天时间掘进完成173～179 环,累计7 环,仍然存在较严重的喷涌现象, 在排土口闸门关闭时,出土口的压力在1. 4～1. 5bar 左右,几乎和土仓内的压力持平。从8 月22 日至8 月24 日上午,几乎用了近三天时间在推进第180 环,掘进速度极其缓慢,基本上维持在2～8mm/ m。出土水量非常大,在盾构机掘进操作中,曾数次贸然加大排土器的开度排水(23 日上午发现地面塌方) 。
但是几天内的地面沉降资料显示,临近测点的沉降速度和累计沉降值均在正常范围之内,并没有显示异常情况。如图2 所示。
3 事故原因分析
3.1 水文地质情况与勘察断面有出入,砂层明显侵入隧道
根据勘查剖面,隧道洞身穿越(7) 、(8) 号地层, (4) 、(5) 号地层缺失,隧道上覆(6) 号地层厚度仅1m 左右(地质剖面图如图3 所示),而且根据现场渣土土质分析,含砂量已经达到47 % 以上(注:8 月22 日实测结果),推测盾构机已经(3 -2) 砂层中掘进。此区段内地表水位埋深1. 3m , 水位受到珠江水位的制约,潮涨潮落对地下水位的影响较大,砂层为饱和含水。
当然不排除因(6) 号地层太薄,加上因强风化后裂隙发育,在刀盘搅动下,重塑后残留致密结构完全破坏,(3 -2) 砂层穿越(6) 号地层进入隧道。
3.2 停机时间长,渣土因泡沫降解失去止水性,水压力失衡
根据地质剖面的推测,盾构机掘进已经引起下覆(7) 号相对隔水层和饱和含水砂层的贯通,较高的地下水埋深导致开挖面水头压力升高。在含水量大的地层中掘进时,往往是通过添加有机泡沫和渣土混合形成具有流塑性、不透水性的混合土体,来抵抗开挖面
图2 C9110 和C9085 监测断面沉降时程图
图3 塌方处地质勘查剖面图
的高水压力,并在压力仓和排土器内形成压力递减, 最终在出土口降为大气压顺利排土。根据计算土体从进入压力仓到排土器出口,大约需要3. 5～4h , 盾构机的泡沫往往只能满足在这段时间内不消散,否则将因不具有止水性而提供开挖面水体渗漏通道,从而导致地面沉陷。
但是在不断地停机过程中,压力仓和排土器内的混合土体中的泡沫已经消散,不具有抵抗水压力的作用,加之在操纵盾构机的过程中,曾打开螺旋排土器闸门排水,导致螺旋排土器出土口的严重喷涌,连续的喷涌引起开挖面水位骤降和上覆砂土土内孔隙水应力降低,有效应力增加,在忽然的排水固结作用下,砂土会忽然发生沉降,从而引起地面的塌方。
3.3 土体扰动较大,松弛导致土体应力释放
从8 月22 日上午起,尽管盾构机推进速度非常缓慢,但是盾构机的刀盘仍然处于转动状态,而且千斤顶推力一直持续在850 ～950t , 扭矩也居高不下(基本上在250tm 以上) ,166～180 环的推力、扭矩变化曲线如图4 所示。
图4 166～180 环盾构机掘进推力和扭矩变化图
开挖面及周围土体在高推力和高扭矩作用下,受到了塑性破坏。尤其是砂层在刀盘的充分搅拌下,扰动过大。根据冲洪积砂层中的地基变位理论,此时极容易在砂土中形成拱:拱上部土体因为工作用基本上处于稳定状态,而拱下部土体则会因为应力释放、松弛而塌陷,进入压力仓,滑动面基本与刀盘斜交,滑动体成一楔形。
之后,因为典型的上软下硬特征,下部硬岩不断的被磨动但是进入土仓的极少(土样分析的结果也是如此),而上部砂土则在刀盘的不断搅动下源源不断的往舱内涌入,滑动面不断的扩展, 砂土内的拱线上移,内部掏空范围不断扩大,(但是盾构机的掘进进尺几乎没有),最终拱上土体在自重作用塌陷,表现为地面的忽然塌方。当时盾构机掘进资料显示,压力仓上方土压力波动较大,在0. 4～1. 7 之间大幅变化,可以证明确实存在砂土掏蚀情况。
显然在这种情况下,盾构机若是继续强行推进,则开挖面前方土体进一步受到扰动(被动土压力和机身摩擦力),将会发生向盾构机掘进方向的位移,只会导致塌孔的面积的进一步扩大。后来的掘进情况充分的证明了这一点。
4 事故处理措施
针对一周内连续出现的两次几乎类似的塌方事故,在初步分析问题的原因后,应该果断采取以下措施,以制止地表沉降扩大化,确保盾构机安全通过沉陷区域。
(1) 首先拦截塌陷四周的地表水,防止地下水进一步渗入隧道内,降低隧道内的涌水量。及时对塌孔进行回填,尤其是漏水口处,回填密实,形成相对隔水层。
(2) 控制好推进速度和出土速度,维持开挖面土压平衡,减少地表的沉降量。
(3) 加大注浆量,每一环管片背后的注浆量应≥8. 0m3 ,确保地面沉降范围不再向前扩展。增加辅助添加剂量,改善渣土的和易性,在增加泡沫量达不到效果时,可以考虑改用膨润土泥浆。
(4) 加强监控测量,特别是出土量和土仓压力,注浆量等参数,并及时根据监控数据调整掘进参数。每天进行一次土样分析,进行土质鉴定,确定砂层有无继续下渗趋向。
(5) 在掘进速度及其缓慢,刀盘推力、扭矩持续增加的情况下,可以考虑进行换刀。至于开挖面地下水和上覆(3 -2) 砂层的处理,可以从地面上采用搅拌桩(水泥-水玻璃双液浆) 进行加固,隔断砂层及水力联系。
