大沥区间盾构隧道施工中地面沉陷

xx区间盾构隧道施工中地面沉陷分析xx地铁三号线xx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

xx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xx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

ZDK9+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。ZDK9+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2C9110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4166～180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,