大瀝區間盾構隧道施工中地面沉陷原因分析
摘　要:廣州地鐵三號線大塘站到瀝　站區間采用盾構法施工,在8 月16 日和8 月23 日右線的盾構機掘進過程中,地表連續發生塌陷事故。在對塌方前盾構機的掘進和操作情況進行了簡單的分析之后,結合塌方處的工程水文地質條件和盾構機掘進參數,深入分析了地面產生塌陷的原因。最后,提出了處理措施。
關鍵詞:地鐵;施工;塌陷;處理
1 　工程概況
廣州地鐵三號線大—瀝盾構區間隧道, 雙線延長米4925. 353m , 左線于2003 年6 月23 日,右線于2003 年7 月23 日始發掘進。本區間起自大塘站,穿過大片農田,在建筑密集的后村下穿過,橫穿南環高速公路及建筑密集的新基村到達瀝站。線路大部分位于城市遠期規劃道路上,沿線建筑物密集,以3～5 層的民宅建筑居多。地形起伏較小,地面高程4. 4～8. 5m , 地貌屬平緩坡地。線路線間距均為11. 2～26. 4m , 隧道縱斷面埋深兩端15～ 20m , 中部約33m 。起止里程為YCK8 + 824. 2～ YCK11 + 287. 75 。

2 　基本情況說明
ZD K9 + 085 里程處于2003 年8 月16 日發生沉陷,沉陷中心位于左線線路左側2m 處,沉陷范圍L7. 0m ×W4. 0m ×H2. 5m 。當時正在掘進171 環。 ZD K9 + 105 里程處于2003 年8 月23 日發生沉陷,沉陷中心位于左線線路左側0. 5m 處, 沉陷范圍L5. 0m ×W5. 0m × H0. 6m 。當時正在掘進180 環。

圖1 　塌方附近監測斷面和中心檢測點布設圖
塌方前盾構機的掘進情況如下: 8 月15 日連續掘進6 環(167～172 環),并出現螺旋出土器出土口嚴重噴涌現象,從當時出土情況看,渣土含水量很大,推測為開挖面與(3 -2) 洪積砂層串通,在渣土中含有明顯的(7) 、(8) 號地層所特有的強膠結泥質巖。
值得注意的是,在掘進第171 環時,出土量一度達到7 車,幾乎多出了3 車以泥漿為主的渣土,但是未能引起施工人員的重視(16 日上午發現地面塌方) 。8 月16～18 日三天基本上處于停機狀態,中間偶爾推進,主要在清理隧道內噴涌渣土。
從8 月19 日至8 月21 日,盾構機掘進速度較慢,三天時間掘進完成173～179 環,累計7 環,仍然存在較嚴重的噴涌現象, 在排土口閘門關閉時,出土口的壓力在1. 4～1. 5bar 左右,幾乎和土倉內的壓力持平。從8 月22 日至8 月24 日上午,幾乎用了近三天時間在推進第180 環,掘進速度極其緩慢,基本上維持在2～8mm/ m。出土水量非常大,在盾構機掘進操作中,曾數次貿然加大排土器的開度排水(23 日上午發現地面塌方) 。
但是幾天內的地面沉降資料顯示,臨近測點的沉降速度和累計沉降值均在正常范圍之內,并沒有顯示異常情況。如圖2 所示。
3 　事故原因分析
3.1 　水文地質情況與勘察斷面有出入,砂層明顯侵入隧道
根據勘查剖面,隧道洞身穿越(7) 、(8) 號地層, (4) 、(5) 號地層缺失,隧道上覆(6) 號地層厚度僅1m 左右(地質剖面圖如圖3 所示),而且根據現場渣土土質分析,含砂量已經達到47 % 以上(注:8 月22 日實測結果),推測盾構機已經(3 -2) 砂層中掘進。此區段內地表水位埋深1. 3m , 水位受到珠江水位的制約,潮漲潮落對地下水位的影響較大,砂層為飽和含水。
當然不排除因(6) 號地層太薄,加上因強風化后裂隙發育,在刀盤攪動下,重塑后殘留致密結構完全破壞,(3 -2) 砂層穿越(6) 號地層進入隧道。
3.2 　停機時間長,渣土因泡沫降解失去止水性,水壓力失衡
根據地質剖面的推測,盾構機掘進已經引起下覆(7) 號相對隔水層和飽和含水砂層的貫通,較高的地下水埋深導致開挖面水頭壓力升高。在含水量大的地層中掘進時,往往是通過添加有機泡沫和渣土混合形成具有流塑性、不透水性的混合土體,來抵抗開挖面

圖2 　C9110 和C9085 監測斷面沉降時程圖

圖3 　塌方處地質勘查剖面圖
的高水壓力,并在壓力倉和排土器內形成壓力遞減, 最終在出土口降為大氣壓順利排土。根據計算土體從進入壓力倉到排土器出口,大約需要3. 5～4h , 盾構機的泡沫往往只能滿足在這段時間內不消散,否則將因不具有止水性而提供開挖面水體滲漏通道,從而導致地面沉陷。
但是在不斷地停機過程中,壓力倉和排土器內的混合土體中的泡沫已經消散,不具有抵抗水壓力的作用,加之在操縱盾構機的過程中,曾打開螺旋排土器閘門排水,導致螺旋排土器出土口的嚴重噴涌,連續的噴涌引起開挖面水位驟降和上覆砂土土內孔隙水應力降低,有效應力增加,在忽然的排水固結作用下,砂土會忽然發生沉降,從而引起地面的塌方。
3.3 　土體擾動較大,松弛導致土體應力釋放
從8 月22 日上午起,盡管盾構機推進速度非常緩慢,但是盾構機的刀盤仍然處于轉動狀態,而且千斤頂推力一直持續在850 ～950t , 扭矩也居高不下(基本上在250tm 以上) ,166～180 環的推力、扭矩變化曲線如圖4 所示。


圖4 　166～180 環盾構機掘進推力和扭矩變化圖
　　開挖面及周圍土體在高推力和高扭矩作用下,受到了塑性破壞。尤其是砂層在刀盤的充分攪拌下,擾動過大。根據沖洪積砂層中的地基變位理論,此時極容易在砂土中形成拱:拱上部土體因為工作用基本上處于穩定狀態,而拱下部土體則會因為應力釋放、松弛而塌陷,進入壓力倉,滑動面基本與刀盤斜交,滑動體成一楔形。
之后,因為典型的上軟下硬特征,下部硬巖不斷的被磨動但是進入土倉的極少(土樣分析的結果也是如此),而上部砂土則在刀盤的不斷攪動下源源不斷的往艙內涌入,滑動面不斷的擴展, 砂土內的拱線上移,內部掏空范圍不斷擴大,(但是盾構機的掘進進尺幾乎沒有),最終拱上土體在自重作用塌陷,表現為地面的忽然塌方。當時盾構機掘進資料顯示,壓力倉上方土壓力波動較大,在0. 4～1. 7 之間大幅變化,可以證明確實存在砂土掏蝕情況。
顯然在這種情況下,盾構機若是繼續強行推進,則開挖面前方土體進一步受到擾動(被動土壓力和機身摩擦力),將會發生向盾構機掘進方向的位移,只會導致塌孔的面積的進一步擴大。后來的掘進情況充分的證明了這一點。
4 　事故處理措施
針對一周內連續出現的兩次幾乎類似的塌方事故,在初步分析問題的原因后,應該果斷采取以下措施,以制止地表沉降擴大化,確保盾構機安全通過沉陷區域。
(1) 首先攔截塌陷四周的地表水,防止地下水進一步滲入隧道內,降低隧道內的涌水量。及時對塌孔進行回填,尤其是漏水口處,回填密實,形成相對隔水層。
(2) 控制好推進速度和出土速度,維持開挖面土壓平衡,減少地表的沉降量。
(3) 加大注漿量,每一環管片背后的注漿量應≥8. 0m3 ,確保地面沉降范圍不再向前擴展。增加輔助添加劑量,改善渣土的和易性,在增加泡沫量達不到效果時,可以考慮改用膨潤土泥漿。
(4) 加強監控測量,特別是出土量和土倉壓力,注漿量等參數,并及時根據監控數據調整掘進參數。每天進行一次土樣分析,進行土質鑒定,確定砂層有無繼續下滲趨向。
(5) 在掘進速度及其緩慢,刀盤推力、扭矩持續增加的情況下,可以考慮進行換刀。至于開挖面地下水和上覆(3 -2) 砂層的處理,可以從地面上采用攪拌樁(水泥-水玻璃雙液漿) 進行加固,隔斷砂層及水力聯系。