杭州庆春路过江隧道泥水盾构施工沉降分析及处理措施

杭州庆春路过江隧道泥水盾构施工沉降分析及处理措施

1隧道工程建设中典型风险的控制与一般工程相比，隧道工程具有隐蔽性、施工复杂性、地层条件和环境不确定性等突出特点，施工过程中的风险不断增加。在国内外隧道工程建设过程中,曾发生过一些严重的工程事故,导致人员伤亡、财产损失、负面社会影响和生态环境损失等。因此,如何规避、减轻和控制隧道工程建设中的风险,已成为亟待解决的问题。风险的控制应该贯穿在规划、设计、施工等各个阶段,并需要业主、施工单位、监理等各方的通力合作。本文主要通过杭州庆春路过江隧道施工过程中的若干风险控制工程实例,分析了风险发生的根源,介绍了风险的处理措施,并提出了规避类似风险的建议。结合工程实际所提出的过江隧道风险控制措施,可为相关研究与工程施工提供可靠依据。2工程概论和地质条件2.1标准块和2邻接块管片分块问题杭州庆春路过江隧道南北方向垂直穿越钱塘江,盾构段总长3532.442m,其中东线长1765.478m,西线长1766.924m。管片外径为11.3m,内径为10.3m,厚50cm,环宽2m。采用通用契型环管片和6标准块+2邻接块+1封顶块的分块形式,错缝拼装,纵环向采用高强螺栓连接。隧道位置及走向见图1。工程中采用已顺利完成武汉长江隧道工程的2台泥水盾构,经改造后,用于本工程。2台盾构机均从江南盾构工作井始发,盾构始发段纵向坡度为-4.25%。盾构主机长11.4m,盾构主机总重11000kN,外径为11.65m。2.2围岩地质概况沿线场地地貌主要为钱塘江河床及两岸的钱塘江河口冲海积平原,钱塘江南北两岸已建成标准堤塘,岸区已不受潮汐影响,地貌上属平原。拟建隧道与钱塘江垂直,该段河面宽约1200m,岸区标高5.0~6.5m(1985年国家高程基准),北岸为钱江新城,已建成庆春路,道路两侧以绿化带为主;南岸以苗木、鱼塘为主,受人工鱼塘开挖影响,微地貌有一定起伏。盾构施工主要穿越地层(3)粉砂夹粉土、层(4)淤泥质粉质黏土、层(5)粉质黏土、层(6)粉质黏土、层(7)粉细砂和层(8)圆砾。各土层物理力学指标见表1。隧道纵断面见图2。孔隙潜水赋存于场区浅部人工填土及其下部粉、砂性土层内,水位高,渗透性好。层(7)砂土、层(8)圆砾为承压水层。承压水位高,透水性强。3风险控制的示例3.1洞门密封失效机理盾构进出洞是盾构法隧道施工中的一道关键工序。目前国内盾构法隧道多起事故均发生在盾构进出洞阶段,包括洞门处土体涌入井内、洞门周圈涌泥水、盾构进洞时姿态突变、加固区土体坍塌等,其中洞门密封失效是盾构始发过程中的第一大风险点。洞门密封一旦失效,将会导致盾构开挖面泥水从洞门涌出,严重时会导致盾构开挖面失稳,引起地面坍塌。该工程西线盾构出洞时曾因洞门密封失效导致洞口涌泥水,并引发加固区土体坍塌,江南盾构始发井端头土体加固及降水见图3。3.1.1方案二:暗水加入加固区2009年5月8日,西线盾构穿越素混凝土止水帷幕时,洞门开始涌泥水,如图4所示。盾构穿越素混凝土墙时洞门涌泥水原因:(1)洞门圈设有注浆孔,可封堵洞门钢圈与混凝土墙之间的间隙,但施工中未注浆;洞门钢圈与混凝土墙以及钢圈与盾构外壳之间有缝隙,洞门圈密封效果不好。(2)盾构穿越素混凝土防渗墙时,采用清水循环加压切割,水压很大。清水在高压下沿盾构外壳和周围土体之间的间隙流至洞门,加上洞门密封效果欠佳,从而涌出。(3)盾构机出洞时呈-4.25%的坡度,姿态较难控制,致使盾尾和洞门圈之间出现较大缝隙。穿越素混凝土墙时的高压循环水沿该缝隙涌出。总之,在盾构出洞阶段发生洞门涌泥水现象,主要是洞门密封效果不好,难以抵挡穿越素混凝土墙时高压水及一般状态下后窜泥水的冲击。洞门涌泥水后,盾构停止掘进,立即用棉麻纱等进行堵漏,洞门圈内注油脂堵漏剂封堵空隙;加固区两侧打设8口疏干井和2口承压井进行降水,以降低地下水位(降水井布置见图3)。盾构继续掘进时,降低泥水压力,以减少对洞门密封的冲击。在采取上述措施之后,盾构机穿越了加固区,避免了洞门再次涌泥水。在汲取西线盾构出洞洞门涌泥水的教训后,东线盾构出洞时,通过洞门圈预留的注浆孔进行注浆,并在洞门圈外侧浇筑混凝土,以封堵洞门圈与混凝土墙之间的空隙,加强洞门的止水效果。采取这些措施之后,东线盾构在穿越加固区时未出现洞门涌泥水的现象。3.1.2降水井降低地下水位,降低洞门再次涌泥水风险2009年5月17日,西线盾构切口即将穿越加固区,盾尾上半部分已进入洞门圈,下半部分在洞门圈外。此时,距洞门约16m处地面土体出现少量塌陷,至19日出现大面积塌陷,钢筋混凝土地面下土体流失严重,出现大面积虚空。见图5。加固区地面坍塌的原因:(1)部分泥水从洞门涌入工作井内,加固区水土流失。(2)在端头范围内打设8口疏干井、2口承压井进行降水,地下水位降低,土体有效应力增加,土体产生沉降。(3)为防止洞门再次涌水,盾构穿越加固区时降低了泥水压力,小于掘削面水土压力,致使掘削面土体失稳,引起切口前方土体塌陷。地面坍塌后,盾构机继续掘进,快速地穿过坍塌区域。地面坍塌区域进行土体回填;待回填土体静置稳定后,注水泥浆填充(见图6,7)。该工程洞门涌泥水和地面坍塌均出现在盾构穿越加固区时,此时同步注浆浆液尚未发挥作用,加上承担压力区域有限,切口泥水后窜将压力直接作用在洞门处。如果洞门圈密封效果不好,很容易导致洞门喷水漏浆,洞门密封一旦失效,水土从洞门流失,同时难以建立泥水压力平衡开挖面水土压力,严重时又会引发加固区地面坍塌。因此,规避此类事故的关键是保证洞门的密封效果。西线在加固区两侧打设降水井降低地下水位,降低了洞门再次涌泥水的风险。但是,长时间的施工降水,又会引起加固区地面沉降,这是导致西线加固区地面坍塌的原因之一。由此看来,盾构出洞阶段加固区范围内施工降水应慎重分析,适当控制降水量、降水时间及降水范围,既减少出洞阶段地下水对洞门密封的冲击,又避免因降水引起加固区过大沉降。3.2泥水驳岸结构控制标准钱塘江南岸防洪堤是杭州市滨江区及萧绍平原的防洪屏障,按50a一遇标准设计。大堤结构带有平台的复合式斜坡:堤顶铺有沥青路面,宽7m;迎水侧设有挡浪墙,挡浪墙顶高程为11.17m;迎水坡面带有2m宽平台的复合式混凝土灌砌块石护坡,堤脚设有钢筋混凝土护坦及小沉井防冲刷保护;背水面为土坡,上植草皮。大堤结构简图见图8。西线盾构于2009年5月5日开始掘进,7月24日至8月3日期间穿越大堤;东线盾构于2009年6月22日始发,8月29日至9月2日穿越大堤。东、西线相距60m,在正常施工情况下相互影响较小。在大堤上垂直隧道方向布置4排监测点,编号D16~D19,布置情况见图8,9。图10为东西线隧道轴线位置堤顶沉降随盾尾离开各监测断面时间的变化曲线。从图中可以看出,东线盾构穿越大堤时引起的大堤沉降明显小于西线。分析认为:(1)西线盾构穿越大堤时降雨频繁,且雨量大,持时久;降雨加剧了大堤沉降。降雨增加了大堤浅部土体的容重,并降低了其抗剪强度;大堤土体受到盾构施工扰动,加上堤顶来往车辆对土体施加循环荷载,使大堤内部土体迅速饱和,在地表持续降雨下,超孔隙水难以及时排出,使土体更容易产生流滑。(2)西线盾构在穿越大堤时,由于出渣不畅造成出浆管堵塞,泥浆管内压力急剧增大,导致泥浆软管发生爆裂,引起切口泥水压力发生剧烈波动,盾构停机保压1d,更换泥浆软管。当盾构恢复掘进时又对地层产生较大的扰动。(3)在充分总结西线盾构过堤的经验后,东线盾构穿越大堤时采取了一系列施工措施,优化了施工参数,减少了施工对大堤的扰动。工程实例表明,不同类型的基础对地面沉降的承受能力是不同的,可选取差异沉降极限δ/L,其中δ为差异沉降量;L为差异沉降点之间距离、最大沉降量及裂缝开展量等,作为建筑物变形主要控制指标。周文波根据上海隧道施工经验和国内外标准,制定了上海盾构隧道施工近邻建筑物保护标准,取差异沉降极限和最大沉降量作为控制标准。马可栓在武汉长江隧道盾构施工中,取差异沉降极限、最大沉降量及裂缝开展量作为控制标准。西线堤顶沉降在盾构穿越90d后趋于稳定,最大沉降量控制在70mm以内,差异沉降极限在0.24%之内。现场观察大堤,未发现明显裂隙,虽然,西线盾构穿越时大堤沉降相对东线较大,但仍在安全范围内,未对大堤的正常使用和堤顶车辆的安全通行造成太大影响(图11)。因此,对于类似结构的土石堤坝,可以取差异沉降极限与最大沉降量作为控制标准,当差异沉降极限和最大沉降量分别控制在0.24%以及70mm之内时,盾构施工扰动对大堤的正常使用和安全不会造成太大影响。对于其他结构形式的堤坝,应结合国内外控制标准和类似工程实践经验,针对性地提出切实可靠的控制标准。结合本工程盾构越堤的工程经验,对泥水盾构穿越大堤给出以下建议:(1)盾构穿越大堤期间发生持续降雨时,考虑到雨水入渗增加了土体重度,应将切口泥水压力适当提高0.01~0.02MPa。对大堤上出现的张拉裂缝应立即采取防渗措施,防止雨水入渗。(2)因穿堤时覆土厚度不断变化,泥水压力难以随水土压力及时调节,为避免泥水压力过小导致开挖面土体失稳,建议取隧道最大埋深设定泥水压力,同时将大堤结构的超载考虑在内。(3)优化施工参数,并使各参数相匹配,使对周围地层的影响最小。控制好泥水压力、流量及质量,避免堵管等使泥水压力剧烈波动;合理地设定注浆压力,充分及时地注浆,确保浆液质量;控制好盾构姿态,确保平稳快速地掘进。(4)在大堤上设置测点监测大堤沉降,并根据监测结果实时优化掘进参数,出现险情及时处理。3.3江底盾修复3.3.1现场设备状况西线盾构2009年8月8日16:30在第124环掘进130cm时,在1#,2#,18#油缸处,盾尾大量漏浆涌水,油脂、同步注浆浆液的填注根本无法封堵,直至21:00,采用同步注浆浆液中掺加油田堵漏剂方才完全堵住。根据现场设备状况,初步判断盾尾密封可能失效。为确保工程安全,在防止地下水涌入隧道的前提下,有必要对盾尾密封系统进行检查,根据检查结果对盾尾刷进行修复,以保证后续施工的安全。图12为盾构盾尾漏浆位置地质剖面图。3.3.2错误的原因分析盾构机盾尾密封如图13所示。分析认为盾尾密封失效的原因如下:3.3.2.盾构机改造前武汉长江隧道盾尾密封在改造中存在局部缺陷,这是造成盾尾密封失效的主要原因:(1)油脂管采用半埋式埋设,影响盾尾油脂在油脂腔内正常流动,降低了盾尾油脂的填充质量,加剧了盾尾刷的损坏。(2)同步注浆管采用明埋方式,止浆板与同步注浆管之间存在间隙,同步注浆浆液沿该间隙流入,直接冲击盾尾刷,同时浆液凝结硬化后损伤尾刷。(3)盾构机改造前(武汉长江隧道)盾尾间隙为50cm,改造后(杭州庆春路过江隧道)为35cm。由于盾尾间隙变小,盾构姿态及盾尾间隙控制难度加大,盾尾刷易受到管片局部挤压而损坏。(4)盾尾刷局部油脂供给量可能偏小。盾构机在前一阶段粉质黏土中掘进时,由于粉质黏土的透水性小,对盾尾密封性能的要求较低,即使出现局部供给量偏少也不会引起盾尾漏浆。盾构机进入承压水层后,对于盾尾密封性能要求加大,由于盾尾油脂局部供给量偏少引起盾尾漏浆。3.3.2.粉质黏土充填法盾构穿越地层较为复杂,盾构需要掘进通过地层(5)–1,层(5)–2粉质黏土等不透水硬土地层,同时,要面临层(7)–1粉质黏土夹粉砂、层(7)–2粉细砂、层(8)圆砾层等强透水层及高承压水的冲击。(1)在粉质黏土中掘进,容易出现堵仓、堵管等情况,泥水压力波动幅度较大,对盾尾密封形成冲击。长时间的冲击易造成盾尾密封疲劳损伤。(2)盾构机在掘进通过层(5)–1,(5)–2粉质黏土硬土地层和层(7)–1粉质黏土夹粉砂、层(7)–2粉细砂组成的复合地层时,由于地层上硬下软,盾构机姿态难以得到有效控制,盾尾刷易受到管片局部挤压而损伤。(3)盾构机所穿越得承压水层水量大、透水强、压力高,对盾尾密封的要求很高。3.3.3液氮冻结技术盾构尾刷修复的难点在于管片拆除后盾尾的密封止水,以往工程实践中盾尾刷的修复大都采用加大盾尾同步注浆量及改变注浆配比以加快浆液凝固等措施来加强盾尾密封止水的效果,上海长江隧道尾刷修复时采用冻结法封水。该工程采用液氮冻结地层封水的方案进行盾尾刷的修复。液氮冻结法修复尾刷具体施工流程:盾构机推进到能够检查更换第1道尾刷的位置→在盾尾止浆板外侧管片周围垂直管片钻孔,安装液氮循环冻结孔→液氮循环,在管片与盾壳之间形成一个封闭的冻结环→检查冷冻止水效果→封闭满足要求后拆除最后1环管片的部分管片→检查修复第1道尾刷,并增设一道尾刷→修复完成后复位管片,再拆除相邻的管片修复尾刷,如此循环直至完成整个圆周的盾尾刷修复→停止冻结,封孔、收尾→强制解冻→恢复掘进。图14为盾构继续推进一段距离后能够恢复盾尾刷的位置。此时,拆除第124环管片,第1道盾尾刷露出,即可对第1道盾尾刷进行修复,并在前面加设1道尾刷,即第0道尾刷,详见图15。液氮冻结原理如图16所示。在第123环管片上钻36个冻结孔,编号1~36,分5组。孔深至盾构机外壳外侧土体。冻结孔开孔间距为0.90m,终孔间距为1.10m,进入土层0.60m。进气管为直径40mm低温不锈钢软管,排气管为内径108mm不锈钢管。设置6个测温孔监测冻结温度场,编号C1~C6,C1,C3,C5测温孔中各布设2个测温点,C2,C4,C6中各布设6个测温点。具体布置见图17。在冻结过程中加强温度监测,为判断盾尾刷更换时机提供依据,既防止温度过低对盾构材质的影响,又要防止焊接过程中产生热量影响封水效果。图18为第123环管片上安装好的液氮冻结孔及保温板,图19为测温孔的安装及调试,图20为预更换和加设的新盾尾刷。图21为第124环管片拆除后第1道盾尾刷的情形。由图中可以看出,部分尾刷钢板脱落,尾刷磨损严重。图22为第1道盾尾刷的更换及第0道盾尾刷的增设过程。盾尾刷修复完成后对冷冻孔进行封堵。冷冻管内使用快干水泥进行填充;将冷冻管在孔口深15cm位置割除,然后,将孔内剩余冷冻管用10mm厚钢板焊接封闭;采用微膨胀水泥进行孔口段的回填;在孔口位置安装加固钢板;注入聚氨酯堵漏剂