0 引言
块石回填土是由物理力学性质差异较大的土和石组成的一种特殊地质体,其固结时间较短、密实度偏低、结构较为松散。 早期山地城市建设多采用“开山填谷”方式进行场地平整,形成大面积的深厚块石回填土区。 现今城市地铁建设不可避免地穿越深厚块石回填土区,其特殊的物理力学性质对地铁隧道建设提出了新的要求。 已有报道中块石回填土区隧道多采用矿山法修建,如何在深厚块石回填土区采用施工效率更高的复合式TBM 成为一种新的尝试。
为契合地铁工程建设安全性、周边环境安全性以及实现快速施工的需求,在结合护盾式TBM和土压平衡盾构优点的基础上,设计了具有多种掘进模式的复合式TBM(如敞开式、半敞开式和土压平衡式),以适应不同的地质条件。 由于复合式TBM 具有适应复杂地质条件、掘进速度快、施工安全可靠等优点,因此在地铁工程建设中得到了广泛的应用。 除了重庆,其他城市如南京、广州、深圳、南宁等也在地铁工程中采用了复合式TBM进行施工。 为适应硬岩、软岩不均和软土复合地层掘进,深圳市地铁集团在深圳地铁14号线采用了土压/TBM 双模盾构,提出了基于地质条件、工期和造价的双模盾构/TBM选型方法;深圳地铁12号线采用土压-单护盾复合式TBM进行施工,成功穿越软土地层、断层带和硬岩地层,并对各地层中复合式 TBM 的掘进效率进行了对比;Yang等基于深圳地铁13 号线掘进过程时程特征参数,建立了考虑围岩等级、隧道覆跨比和软-硬岩比例的复合式TBM掘进效率预测模型;重庆轨道交通环线采用复合式TBM进行区间隧道掘进,区间隧道穿越砂岩和砂质泥岩,项目研究对重庆岩质地层复合式TBM 边缘滚刀安装倾角提出了优化建议;何川等对 EPB/TBM 双模盾构在软土 硬岩复合地层中的掘进适应性进行了适应性分析,对比分析了不同掘进模式下的掘进参数和能源消耗情况的变化规律。 已有研究表明复合式TBM对多种不良地层、复合地层等具有较好的适应性和掘进效率,但在深厚块石回填土中的应用鲜有报道,复合式 TBM 在深厚块石回填土区的施工技术与掘进效率有待研究。
鉴于此,本文以重庆轨道交通4号线王家城站—生基堡站区间隧道为工程背景进行研究。 重庆4号线王家城站—生基堡站区间需穿越3段新近块石回填土地层,TBM穿越深回填地段时地表容易发生沉降,对TBM施工影响大。 本文对回填土区复合式TBM的适用性和施工技术进行了总结。 复合式TBM在穿越块石回填土区时,需首先采用地表袖阀管注浆对回填土进行加固,然后通过控制掘进姿态、土仓压力、掘进速度,采用“小贯入度+高转速”的控制方式,进一步减小土体扰动,减小地表沉降,最后通过同步注浆等及时控制隧道周边土体松动。 采用以上综合措施,可有效保障隧道顺利穿越块石回填土地层。
1 工程概况
1. 1 地质条件
拟建场地为构造剥蚀丘陵斜坡地貌,地形呈波状起伏,浅丘与沟槽相间分布。 整体地形坡角5°~10°,局部呈陡坎状。 原始地形低洼部位分布较多,线路前进方向与原沟槽走向大致相同。 由于场地受到前期工程建设影响,只有ZK48+240~ZK48+985 段保留原始地貌,其余地段原始地形地貌已经消失,“开山填谷”较为明显。 沿线地面高程在222. 54~303. 50m 之间,高差约为80.96m。拟建场地地层由上而下依次为第四系全新统人工填土层(Q4ml)、残坡积层(Q4el+dl)、侏罗系沙溪庙组(J2s)岩层。 勘察区位于石船向斜西翼,岩层呈单斜产出,其岩层产状倾向为110°~116°,倾角为8° ~13°,据地表调查,层间裂隙间距为 5~35mm,裂隙开度为1~5mm,多呈平直状。 场地附近未见断层和次级褶皱,地质构造简单。
场地岩土层含水性差异较大。 沿线地下水受原始地形地貌、岩性与裂隙发育程度的控制。 沿线地下水可分为第四系松散层的孔隙水和碎屑岩类的孔隙、裂隙水。 地下水受大气降雨等渗漏的补给,由于沿线降水量丰富,地下水的补给条件良好。
1. 2 隧道工程概况
拟建工程属重庆轨道交通4号线王家城站—生基堡站,为区间隧道工程,如图1所示。区间隧道右线起点里程为YK47+781.5,终点里程为YK50+044. 0,区间全长为2262.5m。 区间大小里程端均为明挖车站,区间隧道主要包含TBM 隧道及明挖隧道,明挖隧道长度为178m,其余均为TBM隧道。 大小里程端各设置一处TBM始发井,王家城站—生基堡站小里程TBM区间起点里程为YK47+781.5,终点里程为YK49+070.0,区间长度为1288.5m;大里程TBM区间起点里程为YK49+248.0,终点里程为 YK50+044.0,区间长度为796. 0m。 线路坡度分别为7.549‰、5‰和4. 4‰。 TBM 隧道开挖直径为6.880m,管片外径为6.6m、内径为5.9m,管片幅宽为1.5m,厚度为0.35m。
图1 重庆轨道4号线线路图
1. 3 块石回填土特征
拟建场地存在的特殊性岩土主要为第四系人工填土,主要呈杂色,由块石、粘性土及少量生活垃圾组成,结构松散至稍密,块石含量20%~50%不等,块石最大粒径可达1000mm以上,岩块主要岩性为砂岩、泥岩,岩质呈强、中等风化状,多为人类工程活动回填形成,回填时间一般大于5年,局部新近回填土回填时间在1年左右,低洼地段的底部含地下水,呈湿润状,该层块石回填土厚度变化较大,钻探揭露最大厚度21.70m。
通过现场灌水法试验测得块石回填土天然密度为2.070g/cm3。 所测密度大于粉质粘土密度1. 9g/ cm3,小于泥岩及砂岩密度2.4g/cm3。 通过室内烘干法试验测得块石回填土天然含水率为9. 22%,表明隧道回填土区围岩较湿,但未达到饱和状态。
根据筛后各粒径质量绘制得到现场块石回填土级配曲线,如图2所示。 计算该块石回填土不均匀系数Cu=45.65 和曲率系数Cc=0.76,属于级配不良土。
图2 现场所取块石回填土试样级配曲线
1. 4 工程重难点
本区间共有3段TBM隧道处于深厚块石回填土区。 第一段位于 YK47+781. 514 ~ YK47+05. 514,长度为124m,该段穿越的主要地层为块石回填土、强风化砂岩,局部有少量中风化砂岩,围岩级别为Ⅴ级,隧道围岩顶板为块石回填土,属于超浅埋隧道;第二段位于YK49+007.700~YK49+068. 700,长度为 61m,该段穿越的主要地层为块石回填土、强风化砂岩和砂质泥岩,局部有少量中风化砂岩和砂质泥岩,围岩级别为Ⅴ级,隧道围岩顶板中等风化岩石厚度0~5.0m,属于超浅埋隧道;第三段位于YK49+760.209~YK49+892. 899,长度为132.69m,该段穿越的主要地层为块石回填土、强风化砂岩和砂质泥岩,局部有少量中风化砂岩和砂质泥岩,围岩级别为Ⅴ级,隧道围岩顶板中等风化岩石厚度0~4.8m,属于超浅埋隧道。 各段地质剖面图如图3所示。
图3 块石回填土区地质纵断面
拟建场地回填土的土体成分复杂,回填材料以城市建设开挖土石为主,且软硬不一,突出特点是填土中块石含量大,属块石性填土(如图2所示)。由于受回填材料和抛填方式的影响,拟建场地回填土工程性质主要表现为结构松散、均匀性差、空隙大、欠固结以及抗剪强度低。
根据回填土的特点,深厚块石回填土区复合式TBM 掘进主要存在以下难点:
(1)块石回填土中块石多为砂岩、泥岩,块石强度较高,与粘性土、生活垃圾等回填物强度差异较大。 当复合式TBM在块石回填土中掘进时,由于孤石较土层切削困难,刀盘反复切削致使土体切削过量,若孤石发生滚动,则会影响刀盘切削破岩效果,更大程度上扰动周边土体,造成隧道周边地表沉降或建构筑物不均匀沉降。
(2)拟建场区块石回填土为松散欠固结土,其结构松散、胶结能力弱、稳定性较差,复合式TBM在回填土中掘进姿态难以保持,复合式TBM各类参数的控制指标需要较高的要求。
(3)与砂岩段相比,松散欠固结的块石回填土在隧道运营期沉降较大,在回填土 砂岩交界段易形成纵向差异沉降,造成管片错台、破损或开裂。
2 回填土区复合式TBM施工技术
2. 1 TBM针对性设计
拟建工程针对区间以块石回填土为主的地层,采用开口率为35.5%的辐板式面板,刀盘主体结构由辐条、侧板、筋板、外缘板、后盖板、耐磨合金条和支撑梁焊接而成,整体性强,采用八牛腿、八主梁结构形式,如图4所示。
刀盘出渣口采用可更换的挡渣条,对土仓内渣石的进行管理,减少刀盘、刀具异常磨损,提高出渣效率。 刀盘配置8把中心双滚刀、32把单刃滚刀,滚刀刀刃数量为40把,正面刀间距为75mm,面刀20 把,边刀12 把,与 TBM 刀盘刀间距相当,较小的刀间距破岩能力强,施工效率高。 刀盘设计充分考虑块石回填土地层中刀盘磨损较大的特点,在刀盘面板外周、刀盘边缘板和刀座处易磨损部位堆焊网格状耐磨硬质合金,极大程度提高刀盘的耐磨性能。
为防止块石回填土地层中刀盘中心与面板区域结泥饼,刀盘面板配置了6个泡沫注入口(5个在刀盘前部,1个在中心刀后部)与4个高压水注入口,具备清除泥饼与土壤改良能力。
图4 复合式TBM刀盘
2. 2 地表预注浆加固
拟建工程共有3段穿越块石回填土区。 由于块石回填土具有稳定性差、结构松散和胶结能力弱等特点,若直接进行TBM施工会引起地表和隧道大变形、不均匀沉降、坍塌等问题,且TBM机不能反复进行纠偏,姿态难以控制。 为保证机械安全与施工质量,需对块石回填土区进行地表预注浆加固处理。
采用“分区间歇式注浆”使TBM掘进范围的块石回填土得到有效加固,具体如下:
注浆深度应为拱顶以上5m至土岩分界线以下1. 5m,当土岩分界线位于仰拱以下时,注浆孔深入至岩层2m,如图5所示。
图5 地表预注浆加固范围
注浆顺序:按先外圈后内圈的注浆顺序进行,外圈双排注浆孔采用双液浆形成止浆帷幕,且外圈注浆应采用间歇式注浆工艺,外圈固结后再进行内圈注浆施工。 待内圈袖阀管套壳料具有一定的强度后(时间不得少于24h),可进行内圈水泥浆注浆施工,注浆孔采用1.2m×1.2m梅花形布置,注浆压力为0. 1~0. 5MPa。 当保持注浆压力0. 1~0. 5MPa 下,注入量为 1~2L/min,并稳压20min,即可结束注浆。
注浆完成后应进行钻孔取芯验证,土体加固强度需达到:28d 无侧限抗压强度≥0.8MPa,渗透系数≤1-10 cm/s,同时确保加固土体的均匀性、密闭性和自立性;如渗透试验困难,可对注浆加固区域进行钻孔验证注浆加固后地下水情况,注浆加固后孔内不应有明流水流出;应对注浆加固区进行岩土体波速测试,弹性波测试钻孔可与地下水验证钻孔共用,加固后的土层剪切波速不小于300m/s。
2. 3 掘进参数控制
复合式TBM掘进参数控制是决定能否成功穿越块石回填区关键因素。 在复合式TBM进入块石回填区之前,需要选择影响范围前25m的区域作为穿越试验段和评估缓冲期。 通过综合评价试验数据,确定最佳的复合式TBM掘进参数,然后才可进入显著影响区域。 在掘进过程中,必须严格遵循要求的掘进速度,同时加强监测信息的联动,严格控制掘进速度、出土量、土仓压力、同步注浆量等参数。 根据地面监测结果,采取二次注浆及跟踪补注浆等辅助措施,以减少地表沉降,确保复合式TBM施工对地表路面的安全影响。
掘进姿态:掘进姿态在穿越过程中至关重要,应尽量保持匀速推进,推进速度不超过 30mm/min,以减少对地层的扰动影响。 穿越块石回填区时,需要严格控制复合式TBM的推进方向,加强复合式TBM姿态的测量,确保盾尾间隙均匀,同时控制好选择的管片和油缸行程差不大于50mm。
刀盘转速、推力控制:推进速度将控制在20~30mm/min,确保推进速度与注浆速度相匹配。 在穿越块石回填区时,采用“小贯入度+高转速”的刀盘控制方式来减少对土体的扰动。 确定刀盘转速控制范围为0.8~1.0r/min,刀盘扭矩控制范围为1500~2000kN·m,推力控制范围为1500~1800t。
土仓压力:深回填区掘进过程中,需要合理设置土仓压力,以防止复合式TBM在推进过程中发生超挖。 根据监测数据及时调整土压力数值,科学合理地设置土压力和适当的推进速度等参数,从而减少对土体的扰动。
出土量:为减小地层损失和地面变形,应严格控制出土量,确保不会造成地表沉降过大。 根据复合式TBM的开挖断面37.16m2,每环的理论出土量为55.74m3。 根据前期实际量测结果,所出土松散系数为 1. 3,因此每环出土量应控制在72. 46m3 左右。
同步注浆:通过充分利用复合式TBM自身设备,在掘进过程中对管片外形成的空洞进行注浆,加强盾尾同步注浆可以确保管壁后空隙充满,减少隧道围岩径缩和地层沉降。 选择易性好、泌水性小且具有一定强度的浆液进行同步注浆,并保证及时、均匀、足量的压注,以确保盾尾空隙得到充填,控制浆液初凝时间在6~8h。
根据理论计算,管片壁后空隙体积为4. 44m3 /环,同步注浆量一般应控制在建筑空隙的150% ~ 250%,即每环同步注浆量为 6. 66 ~11. 1m3。 注浆压力应控制在0.1~0.3MPa。 在复合式TBM穿越期间,需要进行24h实时监测和数据反馈,以便及时调整注浆量。 同时,同步注浆应尽可能保证均匀、连续地压注,以防止推进尚未结束而注浆停止的情况发生。
2. 4 孤石处理
复合式TBM在块石回填土掘进过程中,容易出现孤石不能被滚刀破裂而在刀盘前滚动,造成的影响主要有:刀具磨损严重、刀座变形、刀盘磨耗导致刀盘强度和刚度降低,刀盘变形;刀盘受力不均匀导致主轴承受损或主轴承密封被破坏,刀盘堵塞,复合式TBM负载加大;被刀盘推向隧道侧面的大漂石导致复合式TBM转向,偏离隧道轴线等。
孤石的存在可能是由于前期进行袖阀管引孔过程中将大块孤石变成小块孤石,或是地层中原本存在的小块孤石。复合式TBM预留有液压管路,如遇到较大的孤石,带压进舱后,先用液压岩芯钻钻孔,然后用液压岩石分裂机进行分裂,根据刀盘开口最大尺寸,能通过刀盘进入土仓内的最大块石直径为300 mm,因此分裂后块石的单边长度最好控制在300 mm以内,以便石块顺利进入土仓,并通过螺旋输送机顺利排出。
2.5 运营期差异沉降控制
与砂岩段相比,松散欠固结的块石回填土在隧道运营期沉降较大,虽已在施工期采用地表预注浆对块石回填土进行加固,仍需采取一定工程措施,防止运营隧道在回填土砂岩交界段产生较大纵向差异沉降,造成管片错台、破损或开裂。
由于回填土段长度有限,可采取全长隧底注浆方式对隧底块石回填土进行加固。在复合式TBM通过后,及时通过底部新增的注浆孔和原有吊装孔对区间底部土体进行注浆。仰拱以下120°范围内径向注浆,径向注浆管长度2.5 m,采用水泥-水玻璃双液浆,注浆压力为0.2~0.5 MPa。隧道底部土体加固完成后,取出注浆孔套管,用强度不低于C50的混凝土进行封堵,填实注浆孔。
3 施工效果分析
3.1 地表预注浆效果检测
本文采用地质雷达探测法、剪切波速测试法和钻孔取芯法相结合的综合方法进行块石回填土地层注浆加固效果评价。
现场地质雷达测线布置平面图如图6所示,测线布置范围12.5 m×18 m,测线间隔2.5 m×2 m。采用100 MHz屏蔽天线对注浆加固效果进行探测。
图6 地质雷达测线布置平面图
以H2测线图像为例说明注浆加固区地质雷达探测结果,如图7所示。注浆加固区域的地质雷达图像同相轴连续性好、波形频率分布均匀、波形振幅及其阴影较小,表明注浆加固区岩土体密实性相对较好,在该范围内注浆加固效果较明显;非注浆加固区域的地质雷达图像波形较为混乱,雷达波振幅强,频率高,反射较为强烈,说明该范围内岩土体密实性较差。
图7 注浆加固区典型地质雷达探测结果
在注浆区域共12个位置进行钻孔取芯,进行地下水渗出观测、取芯强度测试和剪切波速测试。典型测试结果如图8和表1所示。
图8 注浆加固区典型剪切波速测试结果
表1 注浆加固区典型钻孔测试结果
由图8可知,在达到注浆深度后(10 m),剪切波波速明显增大,达到设计要求加固后土体波速300 m/s,局部注浆不均匀导致该范围剪切波速出现一定的起伏。由表1可知,注浆加固后钻孔均未见明显流水,注浆加固体抗压强度平均值可达到2.1 MPa,表明注浆效果较好,达到设计要求。
3.2 地表沉降与隧道变形
地表沉降监测结果如图9所示,监测点按照里程数设置,地表沉降最大点的拱顶沉降和净空收敛如图10所示。
图9 地表沉降监测
图10 隧道变形监测
监测结果表明,各断面测点沉降规律相同,地表沉降在隧道掘进到该断面的5 d内迅速增长,10 d左右达到沉降最大值,此后地表沉降增长缓慢,最大地表沉降为24 mm,未超过设计预警值30 mm。而隧道拱顶沉降与净空收敛并未在监测前几天出现剧增,原因为隧道变形测点是在复合式TBM 管片安装后布置,此时隧道已产生较大变形,但监测到的隧道变形量较小,远小于设计预警值(拱顶沉降20mm,净空收敛10mm)。 监测数据表明,该区间隧道采用复合式TBM掘进,对地表沉降和隧道变形起到了很好的控制效果。
3. 3 复合式TBM刀具磨损
复合式TBM掘进通过块石回填土后,对该段124m 掘进长度内刀具磨损情况进行统计,共计更换滚刀15把,损坏情况包括轴承散架、刀圈缺失、刀齿正常磨损和刀圈崩裂等,典型刀具磨损情况如图11所示。
图11 典型刀具磨损情况
4 地表沉降影响因素数值分析
4.1 数值计算模型与参数
选取图3(a)中块石回填土最深断面YK47+825最为基本工况,建立数值计算模型如图12所示。充分考虑模型边界条件对计算结果的影响,数值计算模型尺寸取为长×宽×高=80 m×40 m×35 m,回填土深度为23 m,隧道拱顶埋深为10 m,隧道设计直径为6.6 m。盾壳、管片与同步注浆层均采用实体单元模拟,盾壳厚度为0.2 m,管片厚度为0.35 m,同步注浆层厚度为0.2 m,复合式TBM每环掘进1.5 m。由于仅模拟单洞掘进时的工况,模型可根据对称原理仅采用半边模型,模型底部与四周约束法向位移,地表为自由边界。基于地质勘察资料,结合有关参考文献,综合可得数值计算参数如表2所示。
图12 数值计算模型
表2 数值计算参数
复合式TBM刀盘在掘进过程中对开挖面施加顶推力挤压前方土体,控制开挖面土体产生向盾体的变形,以此控制地表沉降。模型中根据隧道埋深,在开挖面处设置梯形顶推力,顶推力均值为150 kPa。
盾尾注浆通过注浆压力与硬化后浆液的填充作用限制地层变形,根据已有研究,盾尾注浆的压力变化与凝固呈现阶段性变化[22-25]。同步注浆浆液初凝时间6~8 h,初始注浆压力0.3 MPa,考虑模型逐环掘进,盾尾后各环同步注浆参数如图13所示。复合式TBM脱出8环以后同步注浆压力消散为0,浆液硬化达到400 MPa弹性模量。
图13 同步注浆参数设置
4.2 计算工况
本文针对回块石填土复合式TBM掘进特点,考虑填土深度、注浆加固范围、刀盘顶推力和盾尾同步注浆压力4个因素,填土深度取13. 8 m、17.4 m、20 m、23 m和26 m,注浆加固范围取隧道拱腰两侧0.5D、1.0D、1.5D和全注浆,刀盘顶推力取75 kPa、150 kPa和225 kPa,盾尾同步注浆压力取0.15 MPa、0.30 MPa和0.45 MPa。其中基本工况为填土深度23 m,注浆加固范围0.5D,刀盘顶推力150 kPa,同步注浆压力0.30 MPa。
4.3 模拟与监测结果对比
将数值计算所得地表沉降与图9中YK47+825各测点监测数据对比如图14所示。从图中可以看出,块石回填土中复合式TBM掘进引起的地表沉降服从Peck公式,沉降主要影响区为3D范围。同时,由于地表沉降测点在TBM掘进前就已布置,可监测到全阶段沉降,在采用合适的计算参数与施工步骤的情况下,数值计算所得地表沉降与监测数据较为吻合。
图14 地表沉降模拟与监测结果对比
4.4 地表沉降影响因素
采用单因素分析方法,分别为以上4个参数设置计算工况,除研究因素外其余参数均与4.1节相同,各因素不同工况下的地表沉降如图15—18所示。
图15 不同回填土深度地表沉降
图16 不同注浆加固范围地表沉降
图17 不同开挖面顶推力地表沉降
图18 不同同步注浆压力地表沉
由图可知,对块石回填土隧道地表沉降影响最大的是回填土的深度,当深度过大时,即使采用注浆加固,复合式TBM掘进依然会引起较大的地表沉降,当土岩分界线位于隧道横断面内时(填土深度13.8 m),复合式TBM掘进引起的地表沉降显著减小。同时,当注浆范围扩大到拱腰两侧1.0D范围时,地表沉降也显著减小,随后注浆范围扩大对地表沉降影响较小。而开挖面顶推力与注浆压力在设计范围内其变化对地表沉降的影响较小,其中需注意的是同步注浆压力不能过小,否则盾尾脱出后地层未能得到有效支撑,地层受到较大二次扰动,地表沉降增大。
5 结论
(1)针对块石回填土地层松散、欠固结的特性,采用地表袖阀管注浆(注浆压力0. 1~0. 3MPa,梅花形布孔)进行预加固,使土体无侧限抗压强度≥1.2 MPa、剪切波速≥300 m/s,可有效提升地层稳定性,减小复合式TBM掘进对地层的扰动。
(2)复合式TBM穿越块石回填土时,采用“小贯入度+高转速”的控制方式,通过控制掘进速度≤30 mm/min、刀盘转速0. 8~1. 0 r/min、推力1 500~1 800 t,并严格匹配出土量(72.46 m3 /环)与同步注浆量(6.66~11.1 m3 /环),可将地表沉降控制在24 mm以内(低于预警值30 mm)。
(3)当土岩分界线位于隧道横断面内时,复合式TBM掘进引起的地表沉降显著减小。同时,地表预注浆加固范围应取拱腰两侧1.0D。
(4)地质雷达探测法、剪切波速测试法和钻孔取芯法相结合的综合方法可对块石回填土地层注浆加固效果进行有效评价。根据注浆效果检测、地表沉降与隧道变形监测及刀具磨损统计,依托工程有效保障了复合式TBM穿越块石回填土区的施工安全。
摘自《地下空间与工程学报 》