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第十四届中国盾构TBM工程风险管控与刀具应用创新观摩大会 2020-12-16
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土压平衡盾构在富水饱和粉细砂层中掘进事故实测分析

时间:2010年08月08日来源:本站原创 作者:李曙光 方理刚 点击:
 
引言
自1818年英国的布鲁诺(M.I.Bru-nel)在船板上蛀虫钻孔的启示下,提出用盾构法修建隧道以来,该方法因其施工速度快、对环境影响小、清洁安全等优点成为软土隧道施工中一种非常重要的方法。我国近数十年才开始采用盾构机械,在富水软弱地层尤其是饱和粉细砂层中使用土压平衡盾构施工经验不足,频繁出现险情和事故。
2003年,南京地铁一号线盾构二标在某站南端头盾构出洞时出现两次流砂,流砂量达110m3,主要集中在洞门中心东西两侧,东部20m2区域地面下陷达1.5m左右,加固区西南侧1.5m2范围地面下陷1m左右,所幸沉降影响区域内没有建筑物和管线。
同年春,上海轨道交通四号线靠近黄浦江的某标段盾构隧道在联络通道施工时出现大量流砂,导致隧道上方地表价值过亿的泵房因沉降过大而报废,相邻数栋建筑物严重倾斜而无法使用,江堤出现险情。事后查明,施工单位为赶工期,在冷冻法施工的联络通道周围砂土还未冻结完全的情况下强行开挖,导致流砂涌入隧道内。
因此,富水饱和粉细砂层盾构掘进施工过程中,流砂直接威胁着施工作业的安全和施工正常进行。本文对南京地铁某标段盾构在该类地层掘进施工中的事故处理和实测数据进行分析,并总结经验和教训,希望能对类似工程起到借鉴作用。
1施工概况及工程地质
南京地铁TA15标段(盾构三标)位于玄武门站~许府巷站~南京站站区间,穿越在建的玄武湖公路隧道、金川河、古城墙、玄武湖以及多处房屋建筑群,单线推进4.57km,由两台德国海瑞克公司生产的盾构施工,该机械设计最大埋深18m,最大爬坡为35‰,最小转弯半径为300m;盾构最大推力为3560t,由16对32个千斤顶组成;盾构外径为6340mm,总长度60m;刀盘开口度为40℅。该标许府巷站~南京站站区间右线隧道K12+745~K12+765段,覆土厚9m~11m。隧道主要穿越淤泥质粉质粘土、粉砂夹细砂、粉土等地层(地层纵断面示意图见图1),其中 ②-2b为 淤泥质粉质粘土,具有高压缩性、高灵敏度、易变形的特点,易产生土体流动、开挖面不稳等现象;②-2c 为粉土、②-2d  粉砂夹细砂,含水量丰富,透水性强,极易产生涌水、涌砂等开挖面不稳现象。上覆地层中:②-1c为 中~稍密粉土、②-1d 为松散~稍密粉砂夹细砂均为可液化土层,该段尤为严重液化区。隧道所通过的主要含水地层为饱和粉土和松散粉砂夹细砂,地下水非常丰富,预计隧道总涌水量为20000m3 /day。地下水对砼无侵蚀性,对钢结构有弱腐蚀性。总之,该地段地质条件较差。
该事故段隧道位于中央路343号房屋(13-B4)下面,建筑物东临南京市主干道中央路,其余三面均为南汽职工住宅楼,地表及房屋监测点布设见图2。
2 事故经过
为了增强盾构施工的灵活性,使其能在转弯半径小的情况下正常掘进,通常把长6~8米的盾壳分作两或三段,每两段之间用铰接油缸连接,并设密封圈以阻止泥水涌入,另外,还设置紧急充气密封圈以防前者失效,其具体布置见图3[4]。
2003年1月12日上午十时左右,盾构掘进至图2箭头所示位置,各项参数设置为:土仓内顶部土压0.19 ~0.20MPa,中间土压0.21~0.25 MPa;注浆压力0.25~0.30 MPa,注浆量3.7m3/环;出渣量35m3/环,掘进速度40mm/min。由于盾壳顶部某段密封圈失效导致砂水混合物涌入盾壳内,值班人员遂作停机处理。至中午一时,涌入流砂累计近3m3,工程师打开紧急充气密封圈,流砂止住。此时,有居民反映中央路343号房屋出现多条裂缝,监测数据表明:在距早上七点监测后六个小时内,地表最大沉降在里程K12+754处(即y59点),达-28.3mm;房屋13-B4-1 测点(里程为K12+754)沉降达-24.4mm,不均匀沉降差非常明显,达-42mm;该建筑二楼外墙面与一楼内墙上出现多条裂缝。晚上九时三十分监测数据反映:y59测点沉降-15.6mm,累计沉降达-62mm;房屋13-B4-1 测点沉降-13.1mm,累计沉降-62.7mm,不均匀沉降差近-55mm;墙上裂缝增多且原有裂缝增宽,危及安全使用,遂对居民进行转移,另外,在隧道内对事故发生处进行二次补浆。13日早上六时三十分监测数据表明:各主要沉降点的沉降值均控制在-3mm以内,说明注浆对控制沉降起了作用,于是盾构恢复掘进;从12日晨至13日晨24小时内,地表最大沉降-45mm(y59测点),房屋最大沉降-40mm(13-B4-1测点)。至13日晚九时,由于盾尾通过产生的正常沉降为:y59测点-10mm;13-B4-1测点-6mm。14日及之后监测数据反映:y59点和13-B4-1点进入稳定状态,最终沉降值分别为-93.5mm、-88.5mm(详细沉降—时间过程曲线见图4)。
   
盾构远离此段后,开始楼房加固及修复工程,在地表对基础灌浆,并用树脂材料充填裂缝。经核算,此次事故造成的损失达百万之巨。
3量测数据分析
对该区间沉降监测数据分析可知:正常情况下,盾构在粉细砂层中掘进地表沉降有“沉降快,稳定快,影响范围小”的特点。具体为:开挖面前沉降约-4mm,通过沉降-5mm左右,盾尾脱出沉降在-10mm~-14mm之间,后期沉降很小,一般为-2mm~-4mm,累计沉降常在-22mm左右;掘进影响范围为:纵向,盾构前10m至盾尾后15m,横向约30m。
该段由于漏砂产生较大地层损失,地表及房屋沉降较大:地表最大沉降速率达-45mm/day,最大累计沉降-93mm;位于事发点正上方的房屋13—B4最大沉降速率-40mm/day,最大累计沉降-88.6mm,最小累计沉降仅-10mm,不均匀沉降差较大(达78mm),房屋倾斜率为0.005~0.007。图4 所示为地表y59点和房屋13—B4其中三点的时间—沉降曲线图,从中还可看出:虽然事发当日各测点沉降速率及总沉降量较大,但是各测点很快进入稳定状态。

岩土 岩土 含水量 直接快剪 固结快剪 压缩模量 泊松比
   粘聚力 内摩擦角 粘聚力 内摩擦角  
分层 名称 w/﹪ c/kPa φ/(°) c/kPa φ/(°) Es/MPa μ
②-1d3-4 粉砂夹细砂 28.6  11.4  33.1  11.4  32.5  16.58  0.25
②-1c2-3 粉土 32.2    14.5  31.0  12.84  0.29
②-1b2-3 粉质粘土 28.0      5.65  0.32
②-2c2-3 粉土 32.4  9.9  28.3  14.7  28.9  11.32  
①-3a4 淤泥质土 67.4             
沉降的理论计算可以分为两个部分进行:正常掘进时引起的地表沉降和漏沙造成的地层损失引起的地表沉降。
对于前者,周文波(1993)用统计方法整理出砂性土中横向最大沉降量的估计公式[3]
                         (1)
隧洞直径: ≈6.4m,得出 ≈-30mm。实测结果表明:砂性土中各地表监测点累计沉降量普遍小于计算结果,主要原因为施工方法的不断改进,同步注浆设备更加完善有效。
对于后者,工程实践中常用的是Peck公式(Peck,1969)[2],基于地层损失理论的Peck沉降计算法认为:地表沉降槽的体积等于地层损失的体积,且地层损失在隧道长度上是均匀分布的,并由此而引出地表最大沉降计算公式
                           (2)
式中: —隧道中线的地表最大沉陷量; —沉陷槽的宽度系数; —地层损失量(此处用漏砂水混合物的体积来计算)。沉陷槽的宽度系数采用下式进行计算
                          (3)
式中: —隧道周围地层内摩擦角;z¬—隧道开挖面中心到地面距离(此处为13m)。
结合表1中所列数据:因为地层中含水丰富,遂采用直接快剪的内摩擦角求加权平均值得 ≈31°,将 代入公式(3),得出该段的 ≈ 9.17m(由广州地铁软弱地层实测值统计出 ≈9.6m)。将 代入公式(2)得出 ≈-130mm。
 = + ≈-160mm,而实测最大沉降-93.5mm(见图3中y59点),一方面是因为事故发生后及时进行二次补浆,减小了地层损失;另一方面为测点离事故发生点有一定距离,所测最大值并非理论计算点的沉降值。
4 经验和教训
仔细分析事故处理经过可知:如果措施采取得当,损失可以减至最小。
⑴ 既然地层损失是导致沉降的直接原因,技术人员如果在漏砂时果断打开紧急冲气密封,止住流砂,就能使房屋沉降大大减少。因此,制定详细的紧急事件处理预案并对掘进操作人员加强培训非常重要。
⑵ 此次事故发生在盾构始发不久,直接原因是盾构机械零部件失效,这也提醒施工方:在盾构始发尤其是过建筑群前要对盾构机特别是其密封系统及其它与掘进有关的机械设备进行全面的检查、维修和更换,确保设备完好及保障措施到位。
⑶ 盾构在软弱地层掘进,尤其是上覆建筑物和管线的情况下,宜采取降低刀盘转速和推进速度以减小施工对灵敏地层的扰动,优化工序衔接缩短停机时间以提高日掘进量等的措施,快速通过不良地层。
⑷ 实测经验表明:在保持同步注浆参数与掘进速度匹配的情况下,尽量增大注浆压力和注浆量有利于地表、房屋及管线的沉降控制;在监测反馈沉降异常时及时进行二次补充压浆和采取其它有效的应急措施,有利于减小损失。
⑸ 在砂性土中,隧道埋置较深时,为平衡较大的土侧压力,减小前方沉降,盾构须增大其土仓压力。当土仓压力超过0.3MP时,会带来许多减小盾构寿命的不利因素如:掘进速度慢,刀盘磨阻力增大,刀具磨损严重等;而埋置较浅时,盾构掘进对地表沉降影响较大。实测经验表明:隧道覆土(地表距隧道顶端)在8~11m时为最佳。
⑹ 结合实测数据,本文认为城市地铁建设中,影响建筑物沉降安全控制基准的因素主要有:建筑物基础及结构形式、地层沉降特性、累计沉降量以及不均匀沉降差等。一般浅基础砖混结构建筑物累计沉降量控制在-25mm以内均可保证不出现明显裂缝;在框架结构建筑物且不均匀沉降小的情况下累计沉降可放宽至-35mm。
参  考  文  献
[1]刘建航,侯学渊.盾构法隧道[M].北京:中国铁路出版社,1991
[2]Peck R B, Yeates.Tunnelling in soils[J].10th ICSMFE, Stockholm: 607~628,1969
[3]黄黔,周文波. 工程设计阶段对盾构引起的地面变形的预测研究[J].上海软土盾构施工技术专家系统课题研究报告之二、之三,1994,10
[4]杨乃刚.盾构机中的铰接装置[J].建筑机械,2003(4):51~52
[5]张柏林,佘才高.结合南京地铁谈盾构施工[J].城市轨道交通研究,2003(6):83~87
作者 李曙光  男,1981年生。
联系电话:0371-68323214或者13783526150
摘要:以南京地铁许府巷站~南京站站区间右线隧道为背景,详细描述了盾构在富水饱和粉细砂层中掘进事故的处理及监测过程,并对实测数据运用土层沉降特性及Peck地表沉降计算法进行分析,总结了事故处理和预防的经验及教训,对后续施工及类似情况处理具有一定的借鉴作用。 关键词:富水饱和粉细砂层、掘进事故、土层沉降特性、沉降分析 
      
Analysis on Tunneling Accident of the EPB Shield Machine in the Water-saturated Fines Sand Ground
LI Shuguang, FANG Ligang
(Civil Engineering and Architecture College of Central South University, Changsha 410075, China)
Abstract: According to the accident during the internal shield tunneling from Xufuxiang to Nanjing railway station in Nanjing subway construction, this paper describes the settling and monitoring course of the accident happened in the water-saturated fines sand ground, it then analyzes the subsidence based on the ground subsidence character and the Peck theory. Finally, the experiences of the prevention and treatment of the accident are summarized, which would be helpful to the settlement of the similar accident in other construction.
Key words: water-saturated fines sand ground, tunneling accident, ground subsidence character, subsidence analysis
 
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