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钢套筒和克泥效在复杂环境下地铁盾构掘进施工中应用技术探讨

1.  引言
   随着城市地铁建设近几年快速发展,地铁工程设计和施工技术水平越来越成熟,新技术也不断得到应用,为地铁工程安全实施保驾护航。盾构施工技术是地铁工程建设中地下区间隧道机械化施工的一种技术,也是目前地铁区间隧道施工的主要技术。盾构机一般从明挖车站或明挖区间内始发,通过刀盘切割明挖工程的围护结构进入土体内,再切削岩土、出渣、拼装管片、管片背后注浆填充等施工工序,完成区间隧道施工,最后再到达区间另一端的明挖车站或明挖区间内。

盾构机机头主要由前盾、中盾和盾尾三个部分组成,中盾及盾尾都在盾壳内,且一般刀盘比盾壳稍大,刀盘切削岩土、盾构机顶进后,盾构机的外壳与土体之间有约10cm空隙,该空隙是地层水土流失、变形的重要形成通道,在复杂环境下,如何有效封堵这个通道尤为关键。

本文从一个设计者的角度,以上梅段盾构区间隧道为工程背景,研究在复杂地层和环境保护要求高的情况下,采用钢套筒和克泥效技术进行盾构始发和盾构法隧道掘进等技术难题,达到安全生产、节约工期的目的,为同类工程设计和施工提供参考。

2.  工程概况

   上梅段区间隧道(上梅林站一梅村站)位于深圳市梅林片区,地面交通繁忙,道路狭窄,两边建筑物林立,地下管线错综复杂,底层主要为人工填土、粉质黏土、砂质黏土、全风化至中风化混合岩。区间隧道埋深9.1m至18m,隧道所处底层主要为砂质黏土层。盾构从上梅林站始发,左右线在距离上梅林站分别为16.2m和18.7m处正下穿已经运营的4号线,穿越处,隧道净距最小为2.5m,穿越位置关系如图1。


图1 上梅段区间与既有4号线盾构隧道关系图

 

   盾构区间所采用的管片内径5.4rn,外径6.0m,管片厚度0.3m,宽1.5rn的通用钢筋混凝土管片,每环管片由一块封顶块、两块邻接块、三块标准块组成。

   本工程盾构机从上梅林站始发不久后就要下穿已经运营的线路,其难点是:1.始发时地层条件较差,为砂质黏土层,雨水极易软化崩解;2.已经运营线路保护要求极高,一般要求沉降和变形不超过5mm;3.盾构机在下穿既有线时尚处在始发阶段,此时质构机的姿态和掘进参数都在不断调整过程中,尚不能连续稳定掘进。传统的解决该方案的办法是对区间隧道端头10m范围进行地层采用旋喷桩或注浆加固,该方法受地层密实度和地下管网影响,加固效果有限,往往达不到控制地层和既有线变形的目的。

3.  钢套管始发和克泥效加固地层分析

3.1  钢套管和克泥效应用设计
   上梅林站盾构始发端头,车站的围护结构在盾构机切割范围采用玻璃纤维筋,以方便盾构机切割,盾构机刀盘切屑围护结构进入土体后,开始对地层扰动,地下水土开始流失。文章采用钢套筒将盾构机头部包裹,在盾构机与钢套筒之间填充克泥效,形成密闭空间,阻止水土流失,在盾构机掘进过程中,对盾构机与土体之间的空隙及时用克泥效填充,控制土层变形。

   钢套筒前端与预埋在地下连续墙上的钢环焊接,后端完全包裹住盾构机,并包住3环盾构副环管片,钢环与盾构机盾壳及混凝土管片之间的空隙用克泥效填充满,形成密封的空间。钢套筒要具有一定的刚度,其周边设置填料孔,以便克泥效均匀注入,为控制地层变形,填料的压力建议不小于350kPa。克泥效由膨润土、水玻璃和水三种成分组成,分为A液和B液,A液配比一般为膨润土:水=1:2,B液配比一般为水玻璃:水=1:1,A液和B液混合后B液占体积比一般控制在5%至6%,浆液混合后40s达到初凝状态,形成粘性较高且难以稀释的膏状物。在盾构机掘进过程中,需要随时补充注入克泥效。

3.2  克泥效加固地层计算分析模型

   9号线盾构区间在盾构始发后16m左右即开始正下穿既有4号线盾构区间。为指导施工,文章采用有限元计算软件ABAQUS建立盾构施工二维计算模型,对盾构穿越既有4号线全过程进行数值仿真分析,研究不同克泥效参数对地层变形控制的影响。分析中采用地层信息如表1所示。

表1 地层参数表



续表1 地层参数表

模型中,以X方向为隧道开挖方向,Y方向为地层埋深方向,取X方向计算尺寸为66m,Y方向计算尺寸为50m,既有4号线直拉6m,开挖断面直接6.23m,盾构机外壳与涂层之间的间隙按0.07m,用克泥效填充,4号线与9号线净距2.5m,计算单元用二维(CPE4、CPE3)模拟。模型边界条件:上边界自由,下边界固定,左右边界只有X方向约束。模型规定,以既有4号线两隧道中心为圆点,以盾构推进方向为正向,选择X=-15.57、X=-10.07、X=-7.07、X=-4.07、X=0、X=4.07、X=7.07、X=10.07、X=15.57等9个断面进行分析,计算模型及计算点位置如图2所示。


图2 盾构穿越既有4号线计算模型

3.3  特定克泥效设计参数下盾构掘进过程不同计算断面变形分析

   取克泥效弹性模量E=10000kPa,泊松比v=0.25,粘聚力c=10kPa进行数值模拟分析,根据计算结果,图2中3断面处4号线盾构隧道累计沉降最大,为4.4mm,7断面处4号线盾构隧道累计沉降4.2mm。

3.4  克泥效不同设计参数对变形的影响

1)克泥效不同弹性模量对变形的影响

   克泥效的填充饱满程度对地层和既有线变形控制有较大影响,其填充越及时越饱满,地层和既有线变形控制越好,反之则越差。文章分别取克泥效弹性模量E=500kPa(远小于土层弹性模量E=40000kPa)模拟无填充状态,取E=20000 kPa模拟半密实状态取E=40000 kPa模拟完全密实状态进行数值模拟分析,以得出不同克泥效填充密实度对地层和既有线变形控制的影响程度。

   计算结果如下:E=500kPa时,vmax=45mm ;E=20000kPa时,vmax=3.2mm ;E=40000kPa时,Vmax=0.1mm。从分析结果可以看出,若盾构掘进过程中不及时对地层用克泥效进行填充,地层及既有线变形很大,将超过45mm,远远大于既有线变形控制的5ram要求,若盾构掘进过程中及时用克泥效填充地层,弹性模量接近原状地层,则地层和既有线变形很小,可忽略不计,总体趋势是克泥效弹性模量越大,地层和既有线变形控制越好。

2)克泥效不同泊松比对变形的影响

   为研究克泥效不同泊松比对地层变形及既有线沉降的影响,文章取克泥效弹性模量E=10000kPa情况下,分别取克泥效泊松比为v=0.2、v=0.25、V=0.3进行数值模拟分析。分析结果如下:v=0.2、vmax=4.8mm;v=0.25时,vmax=4.3mm;v=0.3时,vmax=2.3mm。从分析可以看出,克泥效不同泊松比对地层及既有线沉降有一定影响,泊松比越大,沉降越小。

3)克泥效不同粘聚力对变形的影响

   为全面分析克泥效各项参数对地层和既有线变形影响,取克泥效弹性模型E=10000kPa,v=0.25,分别取粘聚力c=5kPa、c=10kPa、c=20kPa,带入模型进行数值分析,分析结果表明,填充材料粘聚力对地层和既有线沉降影响较小,当c=5kPa、c=10kPa及c=20kPa时,既有区间隧道最大沉降均为4.2mm。

4.  工程实际效果验证

   深圳地铁9号线梅上区间采用盾构法施工,盾构机从上梅林站始发,采用钢套筒包裹盾构机,用克泥填充空隙,代替传统的盾构始发端头地层注浆加固处理措施,以降低工程风险。经过施工前的精心准备,施工过程的有效控制,9号线盾构区间下穿4号线时,引起4号线沉降最终控制在3.7mm以内。从综合造价分析.钢套筒若按4次摊销计算,则每个端头钢套筒造价约30万,加上人工和注浆费用,一个端头综合造价不超过50万,相比传统端头注浆加固工法的综合造价300万,采用本工法成本仅为传统工法的17%;从工期上分析,钢套筒加工时间可与地铁车站施工同步开展,不占用施工工期,但该方案节省了在运营隧道内进行地层加固和架设管棚施工时间,总体上来说,可节约工期一个月。

5.  结论

5.1  采用钢套筒包裹盾构机,用克泥效填充空隙的盾构始发和掘进方案,可有效控制地层变形,保护环境和地下构筑物,该方案施工过程可控性和可操作性强,安全可靠,节省造价,节约工期,值得广泛推广应用。

5.2  采用克泥效填充地层,其对地层变形控制效果与其参数有关,总的来说,当克泥效的弹性模量越接近原始地层的弹性模量,则地层变形越小;当克泥效的泊松比越大,其对地层变形控制越好,克泥效的粘聚力变化对地层变形影响不大。

5.3  克泥效是一种粘性很高的膏状物体,其注入到地层和盾构机刀盘前方,可有效支护地层,封堵地下水减少其流失,而且克泥效强度低,在盾构机因其他原因暂停施工期间,其不会将盾构机固结住,这有别于传统的注浆加固地层措施,为地铁盾构施工处理特殊问题提供了更为便利的条件。
(作者单位:广州地铁设计研究院有佩公司)


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