北京典型地层条件下土压平衡盾构施工

1北京典型地层条件下土压平衡盾构施工[摘要]北京地铁五号线盾构试验段及南延工程是全线重要的地下区段之一，它位于老城区并穿越一系列北京地区典型地层。同时也是北京地区首次将盾构法应用于地铁隧道施工的工程。通过本工程的实践，为北京地层条件下的盾构施工先期进行了有益的探索，并取得了一些典型地层条件下的施工经验，为后续盾构隧道的施工提供有益的参照。盾构法在北京城区地铁建设中的首次应用获得了圆满成功，倍受各界好评。[关键词]盾构施工北京典型地层地表沉降特征1工程与地质概况1.1工程概况北京地铁五号线工程是北京地铁路网中一条重要的南北向轨道交通线路，南起丰台区宋家庄站，北至昌平区的太平庄北站，全长27.7km，其中地下线14.88km，地下车站216座，其余为地面及高架线。线路呈南北走向穿越北京东单，所以又称“东单南北线”。北京地铁五号线雍和宫站～北新桥站～张自忠站的区间隧道工程，全长约1500m，作为盾构试验段及南延工程先期开工建设。盾构掘进施工由雍和宫站南端竖井始发，经北新桥站址（该站未施工）采取直接掘进过站方式，至张自忠路站进行盾构接收与调头施工。在全线范围内，本区段环境条件、地层条件较具代表性，同时盾构法首次应用于地铁隧道施工。因此，工程的实施与进展备受关注。本工程沿线地表环境复杂，主要穿越大片密集危旧民居区，年代久远的胡同，紧邻同为南北走向的雍和宫大街、东四北大街以及大量临街商铺，道路交通流量大，商铺生意繁忙，见图1-1、图1-2。3线路由雍和宫站向南，先沿雍和宫大街西侧穿越民房区，再穿过雍和宫大街至东侧民房区到达北新桥站，最后向南沿东四北大街东侧穿越民房区至张自忠站。平面曲线最小半径R=800m，竖曲线R=5000m，隧道覆土厚度10~16m，线路最大坡度为22‰。隧道结构设计为单层预制装配式管片衬砌，管片外径6000mm，衬砌厚度300mm，管片分为6块，管片间采用预制弹性密封橡胶圈防水。管片环类型分为三种：标准环、左楔环与右楔环。管片环与环之间采用错缝拼装方式，管片之间采用弯螺栓连接。本工程采用加泥式土压平衡盾构机，直径6.14m，具有铰接装置。面板式刀盘，开口率38%。1.2工程地质概况北京地铁五号线盾构试验段及南延工程沿线地层从上到下主要有：人工填土层、粘质粉土砂质粉土②层（夹粉质粘土层②-1、重粉质粘土②-2层。局部夹粉细砂透镜体②-34层）、粉细砂③层、圆砾④层（一般粒径为5～20mm，最大粒径为150mm，中粗砂填充，局部成为中粗砂④-2透镜体。该层中部或底部颗粒较粗成为卵石④-3层，其粒径一般为20～80mm）、粘质粉土砂质粉土⑤层（含姜石，局部夹细砂透镜体，夹粉质粘土重粉质粘土⑤-1层和粘土⑤-2层）、中粗砂⑥层（含少量砾石，夹粉细砂⑥-1层和粉质粘土重粉质粘土⑥-2层）、卵石⑦层（亚圆形，未风化，一般粒径为20～80mm，最大粒径为200mm，中粗砂或粘性土充填，局部地段颗粒较细逐渐变为圆砾或砾砂⑦-1层）、粉质粘土粘质粉土⑧层和卵石⑨层（为亚圆形，为风化～微风化，一般粒径为20～60mm，最大粒径为180mm，中砂或粘性土充填，夹粗砂⑨-1层）。1.3水文地质概况隧道沿线地下水包括：上层滞水（贮存于杂填土①-1层，粘质粉土素填土①层和粘质粉土砂质粉土②层的孔隙之中，水位埋深为2.3～10.25m）、潜水（贮存于粉细砂③层，中粗砂③-1层，砂砾③-2层，圆砾④层，中粗砂④-2层卵石④-3层的孔隙之中。局部地段潜水具有弱承压性，水位高出含水层顶板0.5～2.8m）、承压水（贮存于中粗砂⑥层，卵石⑦层，粉细砂⑧-2层、卵石⑨层及其砂土夹层的孔隙中，水头高出含水层顶板1～3m）。地下水对砼具有弱腐蚀性。52本区段工程特点分析2.1地层的多样性、典型性及具有代表性北京地铁五号线试验段及南延工程沿线多种地层并存，根据隧道穿越的不同地层，沿线可划分为三个地质段，分别为粘质粉土、粉质粘土层地质段；粉细砂、圆砾及卵石层地质段；粉细砂、中粗砂及圆砾地层地质段。本区段所穿越的上述各类地层属北京地区典型的地质条件，在本区段集中分布三种不同地质段体现了北京地区地层条件的多样性，并具有一定的代表性。2.2城区施工的复杂性城区施工是地铁建设难以回避的领域。本工程沿线地表环境复杂，主要穿越老城区，有大片密集危旧民居区，经房屋鉴定，大多为危房；南北走向的雍和宫大街、北新桥地区以及东四北大街交通流量大，车流不畅；大量临街商铺，商铺生意繁忙。胡同狭窄密集，其中就有国子监胡同等重点控制保护地区。同时，地下管线密布，种类繁多。6北京老城区具有明显特点：1）危旧民居多为解放前或更早建造，房屋基础浅且连同墙体均为破碎砖头堆砌。连结松散、易开裂，见图2-1；2）不明管线众多，如排水管等，且无从查询；3）地下防空洞纵横，积水严重，部分坍塌废弃；4）居民院落自渗井较多，造成土体长期处于饱和状态，致使隧道上覆地层条件恶化。上述现状增加了施工中的不确定因素，加大了施工难度及风险。2.3工程的重要性本工程为奥运工程、北京市重点工程，备受社会各界关注。更为重要的是在施工的同时要保证沿线地表密集的居民区、繁忙道路的安全，保证良好的社会生活秩序。城区环7境对盾构施工中的地层扰动及地表沉降反应敏感，因此施工中如何加强控制，减少盾构施工引起的地层扰动及地表沉降是施工中的重点。3北京典型地层盾构施工3.1北京地区三种具有代表性的典型地质条件下的盾构施工根据沿线地质勘察报告，沿线可划分为三个地质段，分别为粘质粉土、粉质粘土层地质段；粉细砂、圆砾及卵石层地质段；粉细砂、中粗砂及圆砾地层地质段。3.1.1粘质粉土、粉质粘土层地质段的掘进施工该地质段的土层从上至下的分布一般是杂填土层、粘质粉土素填土层、粘质粉土、粉质粘土层、粉细砂层、中粗砂层，详见图3-1。81）隧道穿越地层地质条件在该地质段中隧道穿越地层以粉质粘土、粘质粉土为主，局部有中粗透镜体砂夹层，上覆地层为粉质粘土、粘质粉土层，潜水水位高出顶板2～3m，具有微弱呈压性，承压水水头比隧道底高出约3m。此类地层土体密实度高，土中粘粒成分较多，具有无水时硬度大，遇水时粘度大的特点，土体有很好的自稳能力。2）掘进施工控制开挖面的平衡以及有效的地表沉降控制均较易实现，掘进过程中刀盘扭矩、推进速度及掘进系统的各项控制数据均处于合理高效状态。沿线同步注浆压力及注浆量较恒定。刀具磨损小。3）易出现的问题在此类地层掘进时，粘性土较易附着于刀盘表面以及靠近中心区域的刀盘开口，造成切削效率降低，刀盘扭矩增大；切削土体进入土仓后也易附着于仓板表面，影响土压传感器的数据的准确性。4）主要施工技术措施在施工中，主要采用泡沫作为土体改良添加材料，在增加土体流动性的同时，降低其粘着性，防止土体附着于刀盘或土仓内壁。向螺旋输送机内注入适量的泡沫，增加土体的流动性，减小土体的摩擦力，使土体能9经螺旋输送机顺利排出。土体改良效果十分显著。经过改良后土体变的松软，而且粘度大大降低，土体的可排性得到增加。此类地层施工中在泡沫注入时，还应根据出土的情况、盾构机掘进速度、刀盘扭矩等参数合理调整泡沫在泡沫注入管路中的分配和注入泡沫的位置，使刀盘前方、土仓内和螺旋输送机内都能够有适量的泡沫注入，才能使土体改良效果达到最佳，见图3-2。5）主要施工参数由于此段地层是在盾构始发阶段，考虑到地表的危房离始发竖井很近，而且正位于隧道上方，开始时将土仓内土压力目标值定得较高，在2.5bar左右。但在实际施工过程中，根据地表沉降监测报告，发现地表有轻微隆起，通过及时修正土压力目标值，地表隆陷控制更为理想，见图3-3。刀盘扭矩一般在1000～2000kNm，掘进速度40～60mm/min，土仓平均土压力2.0bar。出土量每环虚方50m3。3.1.2粉细砂、圆砾及卵石层地质段的掘进施工10该地质段的土层从上至下的分布一般是杂填土层、粘质粉土素填土层、粘质粉土砂质粉土层、粉细砂层、圆砾层、粘质粉土砂质粉土层、中粗砂层，详见图3-4。图3-4粉细砂、圆砾及卵石层地质纵断面图1）隧道穿越地层地质条件隧道断面经过的地层以粉细砂、圆砾层及卵石层为主，上覆地层多为粉细砂，潜水水位位于粉细砂中，承压水水头比隧道底高出约2～3m。该段范围内地层有较好的颗粒级配，其中圆砾层及卵石层中的卵（砾）石磨圆度较好，粒径一般100mm，最大达200mm。粉砂层、砂砾层含水量较大，下部卵石层透水性强，土体之间的胶结力小，地层自稳能力较差。2）掘进施工控制此段地层隧道覆土较前一区段薄，而且表层土质较差，土层松软，施工中易产生流砂、涌水等工程问题，是施工控制难度最大的地段。由于本地段土体中以砂、砾和卵石成分为主，掘进过程需采取加气、泡沫、泥浆等多种措施才能实现土压平衡。刀盘扭矩明显增大，掘进速度慢，刀具磨损快。停止掘进时土压力消散快，再启动困难，11施工中对地层的处理十分关键。3）易出现的问题该地段正常施工，切削下来的土体较易堆积在土仓下部而难以充满整个土仓，维持土压平衡的难度增加；砂、卵石层的渗透性较大，每日掘进结束后需进行停机保养时，土仓内压力消散较快，维持开挖面稳定有一定的困难；掘进控制难度增大，较难保持系统工作状态的稳定，经常出现过载现象；停机后再启动困难；刀具磨损较快，经常出现崩刀现象；刀具检查与更换难度加大，由于上覆地层多为粉细砂层，开仓检查前排土作业易造成刀盘前、上方土体失稳，形成空洞；老城区居民院落内的众多自渗井，使地层中形成较多松散的“饱和漏斗体”，增加了施工的风险，在正常掘进以及开仓检查期间，稍有不慎，较易整体下滑塌落，造成地表塌陷。沿线同步注浆压力及注浆量略有波动。4）主要施工技术措施针对上述掘进过程遇到的各种不利现象，首先重点研究土体改良外加材料的选用以及地层处理效果的改善。采用单一的添加材料，已不能很好地解决问题。在推进过程中，除仍使用泡沫以外，增加了压缩空气、泥浆配合使用，通过这一措施，加强了对刀具的润滑、冷却，改善了工作状态，提高了切削效率，大大降低了刀具磨损速度。同时改善了土体流动性和止水性以及可排性。在盾构掘12进结束，需较长时间停机时，采取向土仓内注入泥浆的方法，并充分搅拌，改善土仓内土体的性质，防止了土压力的快速消散，保持了开挖面的稳定。在砂砾和卵石层施工，普遍存在刀具磨损快、盾构推进速度慢、刀盘扭矩大、维持目标土压与保持较高的推进速度之间矛盾大等一系列现象，各要素之间相互影响、相互制约，通过采取注入泡沫、泥浆等措施，使掘进系统保持正常工作状态，同时也加大了施工成本。盾构停机后，刀盘前方受扰动的土体、周边松散土体以仓内土体在较短时间内会沉积在刀盘周围，因此经常会出现刀盘再次启动困难的问题，严重地影响了施工进度。在泡沫和泥浆的使用上，两者发挥着各自的作用，泡沫注入开挖面，以利刀具切削；泥浆注入仓内，以利降低仓内土体的摩阻力，为刀盘转动提供有利条件。在掘进操作本身，在保持土压平衡的前提下，通过合理调节排土机构与推进千斤顶，可使刀盘顺利启动。需要对刀具进行检查或更换前，对预定停机位置地表、地下构筑物进行严密勘查与寻访，避免与不利因素遭遇。开仓前进行排土作业，即使辅以气压施工，上覆粉细砂层也易13局部塌落，但可在操作过程中注意减少对地层的扰动，密切关注碴土状态与排土量，使不利影响得以有效控制。一旦发生局部空洞现象，及时采取填充注浆等措施，保证刀具检查以及更换作业期间的安全。5）主要施工参数施工中仓内土压力目标值在1.5～2.0bar。刀盘扭矩一般控制在2600～3300KN·m，掘进速度20～30mm/min，出土量每环虚方45m3。地表沉降较前一区段略有增大，数据显示出清晰的沉降发生过程，但控制在规定范围之内，见图3-5。图3-5G13断面时间-沉降曲线图3.1.3粉细砂、中粗砂及圆砾地层地质段的掘进施工该地质段土层从上至下的分布一般是杂填土层、粘质粉土素填土层、粘质粉土砂质粉土层、粉细砂层、圆砾层、粘质粉土砂质粉土层、中粗砂层，详见图3-6。14图3-6粉细砂、中粗砂及圆砾地层地质纵断面图1）隧道穿越地层地质条件隧道断面穿越的地层以中粗砂、圆砾为主，潜水水位较