EPB盾构机穿越富水全断面粉细砂层

EPB盾构机穿越富水全断面粉细砂层地层沉降控制浅述中铁五局电务城通分公司郑州地铁2号线01工区焦倓然【摘要】本文介绍了郑州地铁2号线广～新～国区间EPB盾构在全断面富水粉细砂层中掘进遇到的一系列困难时，采取的一些相应改进措施与掘进参数调整，最终达到安全下穿大直径自来水管线的施工成果。【关键词】EPB盾构全断面富水粉细砂层下穿大直径自来水管沉降控制1、工程概况及施工情况1.1、工程概况郑州市轨道交通2号线一期工程土建施工01工区广播台站至新龙路站盾构区间（以下简称广～新区间）、新龙路站至国基路站盾构区间（以下简称新～国区间）大体呈“L”形，区间隧道自北向南沿花园路敷设。广～新区间右线隧道全长1400.500m，左线隧道全长1395.970m，区间隧道埋深为10.3m～19.1m。新～国区间左线隧道全长695.149m，右线隧道全长793.950m，区间隧道埋深为9.3m～13.8m。广～新～国区间左右线范围内，隧道主要穿越地层为细砂、粉土、粉砂及局部粉质粘土。广～新～国区间采用两台土压平衡盾构机分别进行隧道左右线主体结构施工，管片外径6000mm，内径5400mm，管片环宽1500mm。左线盾构机采用中铁装备厂制造生产的“中铁8号EPB”，刀盘外径6280mm，刀盘开口率为56%，右线盾构机采用德国海瑞克公司制造生产的“EPB，S-368”，刀盘外径6280mm，刀盘开口率为62%。1.2、工程地质情况及工程水文情况1.2.1、工程地质情况根据地质勘察报告，两个区间盾构穿越及上覆土层主要为：1-1杂填土、2-1粉土、2-3细沙、3-2粉质粘土、4-1粉土、4-2粉砂、4-3细沙层。2-1层：粉土（Q4al），褐黄色，稍湿，稍密，干强度低，韧性低，摇振反应中等，无光泽反应。本层分布广泛，沿线地段多有揭露，局部未见。层底标高75.41～85.39m，层底深度3.20～12.70m，层厚1.00～8.40m，平均层厚3.48m。2-3层：细砂（Q4al），褐黄色，饱和，中密～密实，主要矿物成分长石、石英、少量云母。局部夹粉砂。本层分布广泛，沿线地段多有揭露，局部未见。层底标高73.45～78.87m，层底深度9.20～14.70m，层厚1.60～10.90m，平均层厚5.82m。3-2层：粉质粘土（Q4al+l），灰色～灰黑色，软塑～可塑，干强度中等，韧性中等，稍有光泽，无摇振反应。层底标高74.81～76.91m，层底深度11.50～13.70m，层厚0.60～2.70m，平均层厚1.70m。4-1层：粉土（Q4al），黄褐色，湿，中密，干强度低，韧性低，摇振反应中等，无光泽反应。本层仅局部揭露。层底标高68.47～75.36m，层底深度13.20～19.60m，层厚1.70～6.80m，平均层厚3.20m。4-2层：粉砂（Q4al），灰黄色～灰色，饱和，中实，主要成分为石英长石。局部揭露。层底标高70.37～73.74m，层底深度15.00～18.50m，层厚1.50～4.30m，平均层厚2.66m。4-3层：细砂（Q4al），灰黄色～灰色，饱和，密实，主要成分为石英长石。局部夹粉砂。本层分布广泛，沿线地段均有揭露，局部夹中砂。层底标高46.55～66.52m，层底深度21.50～41.50m，层厚1.00～21.10m，平均层厚11.07m。广～新～国区间工程地质代表性剖面如下所示：图1.2-1具有代表性的地层剖面图各土层常规物理力学性质指标表表1.2-1地层代号岩土名称时代成因天然密度干密度天然含水量孔隙比天然快剪固结快剪砂层坡角压缩系数压缩模量土的侧压力系数基床系数渗透系数凝聚力内摩擦角凝聚力内摩擦角水上水下垂直水平垂直水平ρρdwecφcφφφa0.1~0.2ES0.1~0.2ξKvKhKg/cm3g/cm3%kPa°Pa°°°MPa-1MPaMPa/mMPa/mm/dm/d①填土Q4ml②-1粉土Q4al1.991.6521.80.64322.920.424.323.60.199.830.5012150.5②-2粉砂Q4al2.111.7735.229.00.1313.010.3415181.0②-3细砂Q4al2.031.7330.824.60.1411.140.3418184.0②-4粉质粘土Q4al1.931.5227.00.78313.618.410.216.40.355.310.5012150.1③-1粉土Q4al+l2.011.6422.60.64721.613.60.189.940.4815200.5③-2粉质粘土Q4al+l1.841.4030.60.94212.921.623.010.20.474.570.6010230.1④-1粉土Q4al2.011.6721.90.62425.817.10.199.120.4220270.5④-2粉砂Q4al36280.318301.0④-3细砂Q4al2.121.8734.028.50.0411.970.3225455.0④-4中砂Q4al36300.3356010.0④-5粉土Q4al2.061.7219.70.57024.821.30.189.160.4330450.5④-6粉质粘土Q4al1.991.6123.10.70414.228.219.048.60.256.940.4527350.1⑥-1粉质粘土Q3al+pl2.011.6422.60.66314.030.30.257.090.4130380.1⑥-2粉土Q3al+pl2.041.6920.80.6022.49.30.199.240.3835450.51.2.2、工程水文情况本工程地表水主要来自大气降水，降落后的雨水沿地面往地势低处流入郑花路西侧排水沟。地下水类型为第四系潜水。第四系冲积～洪积（4-2）粉砂及（4-3）细砂为主要含水层，（4-2）粉砂及（4-3）细砂粘粒含量较低，富水性强，透水性好，渗透系数为5～10m/d；冲洪积土层饱水性好，其透水性弱。地下水水位埋藏变化较小，初见水位埋深为3.0～7.8m，平均埋深为4.81m，标高为82.06～87.49m，平均标高为84.68m；稳定水位埋深为3.4～8.3m，平均埋深为5.23m，标高为81.56～86.99m，平均标高为84.36m。地下水位的变化与地下水的赋存、补给及排泄关系密切，每年6～9月为雨季，大气降雨充沛，水位会明显上升，而在冬季因降水减少，地下水位随之下降。地下水年变幅2.0m，3-5年较高水位3.0m。1.3、施工情况介绍、主要症状及原因分析2013年12月16日广新区间左线盾构（中铁8号EPB）正式始发，由于盾构穿越地层主要为富水粉细砂层，盾构在施工过程中，地层反应表现为：砂土液化快、无自稳能力、成拱效应差、沉降反应敏感，导致了盾构掘进施工过程中沉降控制难度极大。由于盾构机将在277环至346环及后续801环至910环区段内下穿大直径自来水源水管，如果发生水管断裂的情况社会影响极大，业主要求必须保证DN1200、DN1400带压自来水源水管的安全。由于自来水公司未明确给出管线的允许沉降值及允许弯折角，导致盾构一度停机。后经施工单位争取，盾构得以正常掘进，并保证将地表沉降控制在2cm左右。1.3.1、始发段施工情况问题介绍2013年12月26日广新区间左线盾构机始发后，陆续出现了盾尾漏浆、盾尾漏水、漏沙等现象，地表沉降无法控制。1.3.2、正常掘进段的施工情况问题介绍盾构通过始发段施工后，由于埋深继续增加，地下水头压力越来越高，导致出渣逐渐处于失控状态，且泡沫改良全断面砂性土的弊端及土体改良能力问题逐渐显现。出渣量逐步增加，且无法有效控制。刀盘扭矩波动剧烈，频繁导致刀盘自动保护停机。1.3.3、盾构穿越全断面砂层问题汇总及原因分析根据广～新区间左、右线盾构后期施工情况对比与施工经验的总结，盾构在较大埋深、高地下水、全断面粉细砂地层中的掘进施工容易产生的问题有：（1）盾构出渣性状波动剧烈，出渣不连续；（2）同步注浆易堵管、无法保证注浆量；（3）盾尾发生漏水、漏沙、漏浆；（4）盾构刀盘扭矩波动剧烈，盾构施工不连续；（5）盾构土仓压力波动剧烈，导致掌子面容易失稳；（6）地层自稳性极差。由以上主要问题所导致的其他次生问题主要有：（1）地表沉降在刀盘到达前即已开始，在脱出盾尾时沉降速率达到最大，地表沉降控制困难；（2）盾构螺机喷涌、频繁超挖；（3）管片脱出盾尾后的建筑间隙被砂层迅速填充，同步注浆浆液无法起到填充、支撑作用；（4）同步注浆浆液自盾尾间隙内漏出，导致同步注浆压力注浆量不够。通过以上问题的汇总及分析，推测出导致以上问题的主要原因有：（1）砂性土没有粘聚力，导致在土仓、螺机内的渣土和易性不好，相同螺机转速、螺机后门开口的情况下，渣土流速不稳定、掌子面土压力波动剧烈，不易掌控、刀盘扭矩持续增大，波动频繁；（2）砂性土自稳性极差，无法形成塌落拱，导致本应填充同步注浆的盾尾建筑空隙内地层中的砂子填充，地层随即产生沉降；（3）砂性土中基本没有粘聚力，地下水的侧压力系数几乎可以采用1.0，水土压力较大；（4）饱和粉细砂层中的砂土液化现象严重，由于刀盘搅动及盾构机推进过程中本身的扰动，导致刀盘前方、盾体上方、盾尾后部的砂土均存在一定程度的液化现象。1.3.4、砂土液化的条件及确认沙土液化的表象为：饱水的疏松粉、细砂土在振动作用下突然破坏而呈现液态的现象。砂土液化的机理为：饱和的疏松粉、细砂土体在振动作用下有颗粒移动和变密的趋势，对应力的承受从砂土骨架转向土体游离水。由于粉、细砂土的渗透力不良，孔隙水压力会急剧增大，当孔隙水压力大到总应力值时，有效应力就降到0，颗粒悬浮在水中，砂土体即发生液化，砂土液化后，孔隙水在超孔隙水压力下自下向上运动。沙土液化的条件为：液化土的某些特性指标的限界值为：①平均粒径为0.01一1.0mm；②粘粒(粒径＜0.005)含量不大于15％；③不均匀系数(η)不大于10；④相对密度(Dr)不大于75％；⑤级配不连续的土粒径＜1mm的颗粒含量大于40％；⑥塑性指数(Ip)不大于10。目前国内外判断砂土液化可能性的主要方法有：①标贯判别；②静力触探判别；③剪切波速判别。其中以标贯判别简便易行最为通用。国内外采用标准贯入击数值来进行液化可能性的初步判断。2、拟采取措施的方向确认2.1、砂性土没有粘聚力，出渣和易性不好，出渣及刀盘扭矩不稳定解决方向为：改善渣土在刀盘前、土仓内及螺机内的和易性及孔隙比，到达较好的渣土流动及连续性，稳定的刀盘扭矩的目的。具体的解决方向要求为：通过渣土改良，改进渣土和易性，充分改善渣土在土仓、螺机内的流动性及连续性，利用渣土改良材料的注入及刀盘主动、土仓被动搅拌棒的搅拌，使按粒径大小来分：黏粒含量低于10%的粉土、砂土等土体；按土体类别来分：一类、二类坚实系数较小的土体，达到一个较理想的粘粒及细粒含量，至少达到三类土的标准。主要解决措施有：采用以膨润土为主，泡沫为辅的渣土改良方案，利用充分发酵后的钠基膨润土悬浊液的粘性及渗透性、利用刀盘前方的膨润土泵送蝶阀及刀盘、土仓后壁的搅拌棒，使原状的粉砂、细砂与钠基膨润土充分充分搅拌均匀，人为向原状地层中补充粘粒，提高刀盘前及土仓内渣土的粘聚力、吸收饱和粉细砂中的游离水，从而达到保证渣土流动性、和易性、出渣连续性的效果；同时，高效、有效发酵的膨润土的注入也能同时润滑刀盘，起到降低刀盘扭矩的作用。利用高效的泡沫系统对已经通过膨润土系统改良的土体进行孔隙比及润滑性的继续改进，利用高效泡沫充分发泡及刀盘搅拌的作用，使泡沫在刀盘前及土仓内的渣土中形成有效的“滚珠效应”，有效的降低已经通过膨润土改良后的渣土的塑性指数，提高渣土流动性，缓解刀盘扭矩过高。2.2、砂土自稳性差，在同步注浆固结之前地层已发生沉降解决方向为：①、改善同步注浆系统及浆液，使在砂层失稳前同步注浆浆液即已达到强度。②、采用干缩性较小、可泵送性较高能够保证较高的盾尾注浆压力的同步注浆浆液，需要配套采用能保证较高盾尾压力的盾尾密封系统。具体的解决方向要求为：①、采用双液浆作为同步注浆