软土地区隧道泥水盾构穿越堤防风险分析

软土地区隧道泥水盾构穿越堤防风险分析

1泥水盾构穿越堤风险与桥梁相比，隧道具有良好的通风性、较少的环境影响、较少的通航性和抗疲劳动性等优点。此外，隧道施工技术的日益成熟，许多隧道在中国有所改善。例如，上海长江隧道、武汉长江隧道、南京长江隧道、杭州钱江通道等。对于软土地区水底隧道的建设,多采用泥水盾构法施工。城市水底隧道,江河沿岸一般为城市中心地带。江河堤防是城市防洪体系的重要屏障,一旦损坏将严重威胁沿线百姓的生命财产安全。且堤防结构也会对隧道施工造成影响,增加施工难度。因此,泥水盾构穿越堤防时,采取合理有效的措施控制风险,以确保堤防结构及施工的安全,具有十分重要的意义。然而在国内外众多盾构隧道施工文献中,鲜有针对泥水盾构穿越堤防的风险控制研究。本文系统阐述了水底隧道施工中泥水盾构穿越堤防的风险源,论述了风险产生的原因及相应的风险控制措施,并结合杭州庆春路过江隧道穿越南岸防洪大堤的工程实例验证了本文所述泥水盾构过堤的风险分析及控制的合理性。本文针对软土地区水底隧道施工泥水盾构穿越堤防的风险分析和控制研究,可为类似工程实践提供有益的参考。2城市海底隧道泥水平衡盾构适用于软弱的淤泥质黏性土、松散的砂土层、砂砾层、卵石砂砾层、砂砾和硬土的互层等地层,尤其适用于地层含水量大、上方有大水体的越江隧道和海底隧道的施工,目前广泛应用于我国软土地区城市水底隧道的建设。泥水平衡盾构的基本工作原理是在机械掘削式盾构的前部刀盘后侧设置隔板,与刀盘之间形成泥水压力室,将加压的泥水送入泥水压力室,通过加压作用和压力保持机构,平衡开挖面水土压力。盾构推进时由旋转刀盘掘削下来的碴土经搅拌破碎后形成高密度泥水,经管路输送至地面泥水处理系统。(1)压力抵抗开挖面的桩表土压力泥水盾构施工稳定开挖面的机制如下:(1)以泥水压力抵抗开挖面的水土压力以保持开挖面稳定,同时,控制开挖面变形和地基沉降。(2)泥水循环在开挖面形成弱透水性泥膜,保持泥水压力有效作用于开挖面。(2)建筑孔隙引发的变形泥水盾构掘进时,由于刀盘超挖、盾壳挤压、盾体偏离设计轴线及盾尾间隙等,在盾构掘进时,盾尾不断产生建筑空隙。泥水盾构采用同步注浆对该空隙进行填充,以抑制由于地层损失而引起的周围地层位移。盾尾脱离已拼装完成衬砌后,由于建筑空隙的产生,短时间内土层将接近于无支护状态,同步注浆效果的好坏会直接影响到周围地层位移的大小。3泥水盾构掘进参数控制泥水盾构穿越堤防,风险源来自各个方面,主要包括泥水盾构掘进参数控制不力,复杂的地质条件及堤防结构,机组人员操作不当或业务不精,以及外部不利条件的影响等。3.1风险源分析及相应的控制措施3.1.1密度对称三角形分布的计算(1)泥水压力:泥水盾构切口泥水压力控制好坏将直接影响开挖面稳定。泥水压力控制不当,不足以平衡开挖面水土压力或者过大时,将导致开挖面失稳,引起周围地层过大位移,进而危及上部堤防结构。盾构穿越堤防之前,地表一般较为平坦,开挖面水土压力的计算自切口所处地层地表算起即可。随着切口逐渐靠近堤防,设定切口泥水压力时,必须将堤防的超载考虑在内。下面举一算例进行分析。假设一堤防为碾压式土石结构,堤防及隧道相对位置及尺寸如图1所示。大堤结构横向剖面成对称梯形(不计挡浪墙),堤顶距自然地坪he=4m;拟建隧道外径12m;自然地坪至隧道轴线埋深H=20m;假设隧道穿越大堤前后一段距离内轴线埋深不变,即不计地面高程变化及隧道坡度影响。计算参数取值:碾压式土石堤主体结构为填土,迎水坡面主要为混凝土灌砌块石,以下有石碴垫层,取其容重γ1=21kN/m3;设地表至隧道轴线位置为单一土层,土体天然容重γ2=19kN/m3,静止侧向土压力系数K0=0.52,黏聚力c=35.5kPa,内摩擦角ϕ=19°;地下水位假设位于地表以下1m,距离隧道轴线h=19m。超载作用下大堤附加应力计算模型如图2所示。龚晓南给出了密度对称三角形分布的条形荷载作用下地基中应力计算公式,梯形荷载作用下地基中附加应力可使用叠加原理(见图3)。梯形分布荷载ABCD作用下的附加应力,等于ΔAED荷载作用下附加应力减去ΔBEC荷载作用下附加应力。参照密度对称三角形分布的条形荷载作用下地基中应力计算公式,计算所得图2计算模型中z=20m处竖向附加应力见图4。泥水盾构切口泥水压力的设定,根据国内外的诸多施工经验,取计算公式如下:泥水压力设定上限值:式中:Pfu为切口泥水压力上限值(kPa);P1,P2,P3分别为地下水压力、静止侧向土压力、变动土压力,取P3=20kPa;h,H分别为地下水位以下至隧道轴线埋深、地面至隧道中心埋深(m);γ,γw分别为土和水的容重(kN/m3)。泥水压力设定下限值:式中:Pfl为切口泥水压力下限值(kPa);Ka为主动土压力系数,Ka=tan2(45°–ϕ/2)=0.51。对泥水盾构穿越大堤前后及穿越时,切口泥水压力的设定,采用2种方法计算,以比较分析:(1)不计大堤超载影响,切口压力自地表或堤表算起:(2)考虑大堤超载引起的附加应力:式中:P4为大堤超载在z=20m处产生的水平附加应力值,计算上限值时取P4=K0σaz|z=20(kPa),计算下限值时取P4=Kaσaz|z=20(kPa);σaz|z=20为大堤超载在z=20m处产生的竖向附加应力值(kPa)。泥水压力设定计算值见图5,泥水压力设定计算值差值见图6。由图5,6可见,是否考虑大堤超载作用,计算结果差别较大:考虑大堤超载作用,距离堤脚约23m处开挖面压力已经开始受到其影响,逐渐靠近大堤,至切口位于大堤轴线正下方时,泥水压力逐渐升高;不考虑大堤超载作用,泥水压力在堤脚才开始升高,至大堤顶部平台下方到达最大值。对于上限值或下限值,在大堤轴线至距离轴线12m处,不考虑大堤超载时偏大,最大差值达19.915kPa,位于x=5m处,即大堤平台边;不考虑大堤超载时偏小,最大差值达11.952kPa,位于堤脚位置。由此看来,不考虑大堤超载,仅从地表或堤面计算开挖面泥水压力,有2个方面的危害:(1)泥水盾构靠近大堤及通过堤脚时,泥水压力设置偏低,引起大堤坡面过大沉降;(2)泥水盾构位于大堤下方时,泥水压力设置过高,泥水压力对开挖面及其周围土体产生较大扰动,甚至会引起堤表隆起。由此看来,对于本算例,在盾构切口距离大堤轴线约40m时,考虑到大堤超载作用,就应逐渐升高泥水压力,避免泥水压力设置过低引起大堤坡面沉降过大;盾构位于大堤正下方时,泥水压力的设定也不能取自堤面,因大堤荷载在土中扩散,传递至隧道位置已大大削弱。(2)同步注浆:盾构隧道施工时,及时充分有效地同步注浆,是控制盾尾沉降的关键。盾构施工同步注浆的作用:(1)填充建筑空隙,减少地层损失沉降;(2)使地层应力均匀作用于管片上,确保管片衬砌的早期稳定性;(3)提高隧道的止水性能;(4)填充建筑空隙,抑制衬砌脱离盾尾后在地下水作用下上浮。由此看来,有效的同步注浆,不仅可以降低地面沉降,还可以控制施工过程中衬砌位移,确保隧道的长期稳定性。同步注浆不及时、不充分、不均匀危害主要有:(1)引起较大的盾尾沉降;(2)建筑空隙未及时填充,管片脱离盾尾后受地下水浮力作用上浮,易引起管片的破损;(3)衬砌密封防水失效或者管片错台较大时,起不到阻隔地下水和细小颗粒流入隧道内部的作用;(4)衬砌周围受力不均匀,降低管片的耐久性和长期稳定性。同步注浆是确保隧道安全施工的关键之一,施工中应通过不断优化,保证浆液的快速适量填充,同时提高浆液质量,确保填注均匀。(3)盾构姿态控制:良好的盾构姿态控制,可以确保管片的受力均匀,避免管片因受力不均或局部受压引起破损;同时,可以减少超挖及施工扰动,降低地层损失沉降和扰动土体固结沉降。盾构姿态控制不良,不仅会加大建筑空隙和地层扰动,进而加大地层位移,而且会挤压管片引起管片破损,降低管片拼装质量,增加管片拼装难度。因此,推进过程中应加强盾构姿态的控制,一旦发现盾构姿态欠佳,立即采取措施:(1)盾构机发生过大偏转:施工中为避免盾构机发生过大偏转,在保证开挖面顺利掘削的前提下,可以适当降低刀盘扭矩,同时刀盘旋转应顺时针、逆时针交替进行。一旦发现盾构机朝某一方向偏转过大,可以使刀盘朝该方向旋转以纠正盾构偏转。(2)盾构机横向偏移过大或“磕头”、“抬头”过大:施工中一旦发现盾构机偏移过大,应利用调整千斤顶编组去纠偏,同时加强同步注浆管理,确保注浆效果,使成环隧道保持稳定,提高纠偏效果。(4)机械故障:盾构发生机械故障时,会引起掘进参数的急剧变化或控制困难,引起盾构长时间在某一位置停机,带来较大的风险,在泥水盾构穿越堤防期间应避免。泥水盾构因设备故障长时间在堤防下方搁置时的危害:(1)盾构机及其附属设备巨大压重压缩下卧土层,会加剧堤防结构沉降;(2)加大该位置拼装完成管片的沉降,使管片不均匀沉降过大,受力不均匀;(3)因盾构较大沉降,再次掘进时,盾构姿态较难控制,且极易因受力不均引起管片破损。在盾构穿越堤防之前,应对盾构机进行全面检修,并加强设备保养,最大限度地避免盾构过堤期间出现设备故障。盾构施工中主要的设备故障有液压管破裂、刀盘磨损、管片拼装机失灵、泥浆管堵塞破裂等。在进行盾构选择和设计时,就应该考虑到地质条件对掘进的不利影响,如在进行刀盘设计安装及刀具的配置时,就应根据盾构穿越土层的状况合理配置,以避免因刀具配置不合理引起的刀盘过快过大磨损。(5)掘进速度:在保证盾构稳定掘进的前提下,适当提高掘进速度,减少盾构位于大堤下方的时间,可以降低盾构压重引起的堤防沉降。3.1.2黏土地层掘进不利影响不利的地质条件及复杂堤防结构会对盾构穿越堤防产生不利影响。(1)黏土中掘进不利影响:由于黏土地层中富含黏土颗粒易形成良好的泥膜,能很好地保证开挖面的稳定。但是,黏土地层也会对盾构掘进产生不利影响。(1)泥水回用及刀盘调整由于黏土黏聚力较大,易黏附刀盘形成泥饼;同时刀盘高速旋转导致泥水仓内温度升高,对泥饼有烧结促成作用。预防措施:施工中,应及时观察所排出碴土情况和泥浆比重变化情况,分析掌握土体黏性情况,进行泥浆参数的调整,以降低土体的黏性和黏着力;适当控制掘进速度和刀盘转速,加大泥水循环,控制泥土温度的上升;控制循环水的温度,降低刀盘温度上升。处理措施:利用通往泥水仓的进浆管,使用黏度比重较低的泥浆或直接使用清水冲洗刀盘;在泥饼无法冲洗清除的情况下,带压进仓人工清理刀盘上的泥饼。(2)泥浆输送的调整在盾构推进时,大块的黏土块进入管路,会造成泥浆管路或泥浆泵的堵塞。泥浆管路、泥浆泵出现堵塞时,会引起泥水压力剧烈升高,压力过大时,甚至会引起泥浆管破裂,引起泥水压力骤降。泥水压力的剧烈波动,对开挖面稳定极其不利,易引起开挖面失稳,引起堤防结构过大沉降。预防措施如下:合理调整泥浆参数,同时加大泥水循环,提高泥浆的碴土携带能力;适当降低掘进速度的同时加大刀盘转速,以减少掘削下土体的尺寸,减少单位时间内渣土的切削量以减轻管路负荷。处理措施如下:停止掘进,旁通模式下清理排浆管道内碴土,清理完毕即可恢复正常掘进;若堵塞较为严重,可采用逆洗模式,反冲管路内碴土,待冲散堆积碴土后,即可恢复正常泥水循环,采取该措施需严格控制逆洗压力,防止发生爆管;关掉泥浆泵进浆口和出浆口的板阀,打开检查口,清理泥块即可恢复正常掘进;堵塞特别严重时,只有关闭进出浆控制阀,停机保压,拆除管路,清理管路内堵塞的碴土。(2)堤防结构影响:不同的堤防结构对于隧道施工扰动的敏感性不同。混凝土结构堤坝同碾压式土石堤坝相比,自身抵抗变形和不均匀沉降能力更强。对于碾压式土石堤坝,由于结构刚度较小,整体性差,局部土体位移之后易引起邻近土体的位移,特别是坡面上土体发生较大位移时,会带动坡面上部土体移动,甚至会在坡面形成滑动面,引发坡面土体的整体滑动。3.1.3施工安全风险泥水盾构施工过程中,机组人员的操作熟练程度以及施工经验,对隧道建设质量和施工安全也会产生显著影响,机组人员的业务不精、决策失误或者操作不当,都是泥水盾构穿越堤防的风险源。因此,为确保泥水盾构穿堤的安全,机组人员应充分重视,配备经验丰富的操作人员和工程师,最大限度地避免由于人员因素带来的风险。3.1.4过堤期间过堤思想(1)持续降雨:泥水盾构穿越堤防发生持续降雨时,会对大堤结构产生不利影响。雨水渗入大堤表层土体,增加了土体容重,降低了土体内黏聚力,使坡面易产生流滑。同时,由于盾构施工引起堤防土体沉降,土体内部有裂隙产生,雨水沿裂隙渗入,加速了裂隙的贯通加深,易在坡面土体内部产生潜在的滑动面。因此,应尽量避免在持续降雨时穿越大堤。若过堤期间发生持续降雨,考虑到雨水渗入增加了堤面土体容重,泥水压力应适当提高0.01~0.02MPa;对于堤面由于不均匀沉降产生的张拉裂缝,应及时封堵,避免雨水渗入引起裂缝的贯通。(2)江河汛期:江河汛期,江河水位升高,进而引起岸边地下水位升高,会加大隧道开挖面水土压力,同时降低大堤及下卧土体的黏聚力,加大堤防土体容重的同时降低其抗剪强度;同时,江(河)水直接作用于堤防迎水坡面时,在堤防内部产生渗透力,降低堤防坡面抗滑能力的同时增大其下滑力。因此,应尽量避免在江河汛期穿越堤防。(3)堤顶车辆荷载:部分堤防顶面兼作道路,有车辆频繁通行。盾构下穿堤防期间,车辆荷载作用对堤防结构和施工产生不利影响。盾构下穿堤防期间,不可避免地引起堤防结构内部土体移动。车辆循环荷载作用,继续对堤面土体扰动,会加大堤面土体位移,车辆荷载同样会加快由于不均匀沉降引起的堤防结构内部裂缝的贯通。因此,对于堤面兼作道路有车辆频繁通行的堤防结构,条件许可,在盾构穿堤期间应禁止车辆的通行,以避免车辆荷载的不利影响。3.2难以避免意外的发生盾构隧道工程由于隐蔽性、施工复杂性及地质条件不确定性等,即使对风险进行了充分的分析和控制,有时也难以避免意外的发生。泥水盾构穿越堤防期间,实时精准的监测的实施、合理的控制标准的建立和有效及时的应急措施的实施,对于风险控制十分关键。(1)不同类型驳岸结构的沉降观测盾构穿越堤防前后,应加强对堤防结构的监测,实时掌握堤防的沉降变形情况,并根据监测实时调整优化盾构掘进参数。在堤防顶部及堤脚前方,布置若干沉降观测断面,以监测盾构施工引起的堤防沉降。盾构距离监测断面约60m时就应开始监测,通过期间监测频率不低于2次/d。不同类型堤防结构对沉降及变形的承受能力不同,通常可取差异沉降量、最大沉降量及裂缝开展宽度等作为控制指标。具体的穿堤隧道工程,应在详细调查堤防结构后,针对性地制定合理可靠的控制标准。(2)做好应急措施及其应急措施监测结果超出报警值时,如不均匀沉降、最大沉降量或单日沉降速度超出阈值,应立即采取应急措施。应急措施应周密可靠可行,并准备必要的应急物资,如监测到大堤沉降过大时,可采取地面灌浆,隧道内部二次注浆等措施。在盾构穿堤之前对堤防预期沉降计算后,如超过堤防的变形承受能力,危及堤防的结构安全时,应对堤防事先加固,具体措施有补强注浆等。4工程实例(1)沉降观测与分析杭州庆春路过江隧道是钱塘江江底第一条越江公路隧道,且为泥水盾构第一次在杭州软土地层中施工。该工程隧道分东西两线,轴线相距约60m,由钱塘江南岸工作井出发,南北方向垂直穿越钱塘江。盾构施工主要穿越粉砂及粉土、粉质黏土、粉细砂和圆砾。该工程于2003年开始规划设计,于2010年12月28日建成通车。东西线隧道盾构垂直下穿钱塘江南岸防洪堤。钱塘江南岸大堤为碾压式土石结构,于2002年建成,为50a一遇的标准堤塘。大堤顶部为宽8m的沥青道路,有重型车辆频繁通行。钱塘江南岸防洪堤示意图见图7。西线盾构于2009年5月5日开始掘进,7月24日~8月3日期间穿越钱塘江南岸大堤;东线盾构6月22日始发,8月29日~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。南岸大堤坡面及堤顶布置4排沉降监测断面,编号D3~D6;距离堤脚约6及11m位置布置沉降监测断面D2,D1(见图7)。盾构切口距离大堤100m时量测大堤沉降监测初始值,至切口距离堤脚20m期间,监测频率为1次/d;切口距离堤脚20m及盾尾离开堤脚20m期间,监测频率加大为3次/d;之后,仍对大堤沉降进行监测,随时间推移,监测频率降至每3~7d一次,直至工程结束。该工程取堤面差异沉降斜率和沉降速度作为沉降控制参数。国内对一些土石堤坝的长期现场监测显示,差异沉降斜率超过1%时,堤坝开始出现裂缝。安全起见,取大堤差异沉降斜率报警值为0.5%;沉降速度报警值取为3mm/d。图8为东西线隧道轴线位置大堤及堤脚前地面沉降随盾尾离开时间的变化曲线,图中地表隆起记为正值,地表沉降记为负值。以示区分,东线记为ED1~6,西线记为WD1~6。图9为大堤表面沉降立体图(图中:X轴为垂直于隧道方向(m),X=-40m处为西线隧道轴线位置,X=40m处,东线隧道轴线位置;Y轴为平行于隧道方向(m);Z轴为大堤沉降值(mm))。东西线隧道施工,盾构机基本相同,隧道埋深、直径、坡度等也基本一致,土层情况也基本一致。由图8,9可见,东西线隧道上方大堤沉降差异较大,西线隧道上方大堤沉降接近70mm,而东线控制在35mm之内,西线隧道施工引起的大堤沉降远远大于东线。西线隧道穿越大堤期间,泥浆管堵塞,随即泥浆管爆裂,引起泥水压力剧烈波动,大堤随之产生较大沉降。由此看来,东线隧道穿堤时,风险控制优于西线。东线过堤风险控制优于西线,经深入分析原因如下:(1)西线穿越大堤期间持续降雨,雨水入渗对施工及大堤结构稳定性造成不利影响。(2)西线盾构靠近堤脚时(距离堤脚5~50m),泥水压力的设定,并未考虑大堤超载影