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盾构掘进遭遇地层空洞怎么办?这是伦敦Lee深排隧道建设团队的经验 ... ...

2020-3-3 09:25
来自: 隧道网 收藏 分享 邀请

【52监测网讯】全欧最大规模的深排隧道项目——伦敦Tideway工程中的首条深排隧道Lee隧道已经投入使用。不久之前,工程团队披露了工程在建设中的遭遇——泥水盾构在掘进中遭遇了意料之外的地层填埋空洞(Drift-Filled ...

全欧最大规模的深排隧道项目——伦敦Tideway工程中的首条深排隧道Lee隧道已经投入使用。不久之前,工程团队披露了工程在建设中的遭遇——泥水盾构在掘进中遭遇了意料之外的地层填埋空洞(Drift-Filled Hollow,下称DFH空洞)。施工团队是如何克服挑战的?遭遇此类工况时又该如何应对?来听听建设者们的经验吧!

工程简介

Lee隧道

Lee深排隧道隶属伦敦Tideway工程,将伦敦的城市污水从Abbey Mills泵站泵送至Beckton污水厂处理后排放。隧道全长6.9km,深55~70m,内径7.2m,采用8.85m泥水平衡盾构掘进。隧道于2014年贯通,2015年投入使用。


地质勘探

该地区实施的历史地下工程在施工中曾遭遇多个地层空洞,但该区地层取芯勘探的历史数据却极少,因此施工方在隧道沿线新设了26个取芯钻孔,结果25个钻孔中取芯结果为白垩岩,1个为砂岩。

勘探前的基础地质模型

填埋空洞(Drift-filled Hollow)

地层中因沉积、冲积、溶蚀、冻胀等作用形成的空洞区域,被地表或近地表沉积物填埋后,出现与空洞外截然不同的地质特点。

■ 近地表特征包括河阶砾石和/或冲积土的局部厚度异常

■ 小则30m,大则500m,跨度极大

■ 已发现深度介于5m至90m,可以更深

■ 地表特征极不明显

■ 区域内为亚稳定深充填层(通常稳定,受扰动后极不稳定),其中的沉积物种类极其多变

给地下工程带来的挑战包括:

■ 均匀地层突然出现深度变化

■ 岩土性质、开挖面稳定性与地层渗透率急速变化

■ 地层强度极低

■ TBM引伸计读数激增

■ 掘进沉降

■ 自然沉降

地层勘探中还发现了两个断层带:长500m的格林威治断层带,存在39m垂直位移;长900m的Graben断层带,其中的Thanet砂层位于隧道轴线内。两个断层带的存在使隧道轴线在西端Abby Mills泵站处高度降低了10m。巧合的是,这对后续的Tideway系统的水力坡度起到了改善的积极作用。


勘探后重新建立的细致地质模型

隧道掘进

2011年末,泥水盾构“ Busy Lizzie”号下井。如同其他泥水盾构,其气泡舱压力设定大于地下水压,盾尾注浆压力与泥浆压力平衡,防止泥浆经盾尾渗漏。


掘进的前16个月(截至2013年7月10日),盾构推进、拼装了2198环管片,整体性能良好,但盾尾刷磨损速度极快,导致浆液渗入管片拼装区,需频繁更换盾尾刷。拼装至1161环时,现场团队曾考虑降低泥水压力以改善这一情况。后经讨论,现场团队改进了盾尾刷的设计并升级了润滑系统。

穿越空洞

后续1000环的推进拼装以150m/周的速度顺利进行。直到2013年7月11日,现场突然发现白垩岩的颜色发生了变化,出现了褐色的岩土——施工人员判断可能是盾构进入了Graben断层带。

随后发生了令人震惊的情况:盾构护盾上方形成了一个空洞,盾构泥水中开始出现整块的燧石(极其少见,说明地层软弱)。施工方立即再次进行注浆,并且降低了刀盘的扭矩和推力。


盾构穿越空洞

5天后,泥浆中出现了河阶沉积物(即地表物质)。盾构并未因此停机,而是将开挖面压力增加了0.7bar,继续掘进,最终穿越了该区域。

之后的掘进一切顺利,包括Graben层断裂带的穿越。据估计,临近DFH空洞区域最大长度约100m,盾构穿越的空洞本身长度仅10m。


该图显示了当TBM穿越空洞时,刀盘接触和扭矩的减少以及弃土重量的相应增加

取证勘察

掘进中沉降一般为2-3mm,但在穿越空洞时,沉降值迅速增加。由于空洞上方区域内存在医院、砖石结构的老旧下水道与燃气管线,因此施工方进行了钻孔勘探进行验证,并且建立了新的地层模型。


新的地层建模表现出了空洞

2013年8月,施工方打设了4个钻孔,其中3个直接穿越砖砌排水隧道,结果证明砖砌结构的隧道并未受到损坏;同样,可能由于冲积层的膨胀,下水道下方也未出现裂隙。下水道下方的地层为:冲积层深至14m,河阶砾石层深至21m,下方是扰动的白垩岩层、Thanet砂层与河阶沉积层。其中,白垩岩层较一般区域高出最多20m;Thanet砂岩层较一般区域低至少10m。


穿越下水道的钻孔

地质活动

盾构穿越空洞五个月后,地表沉降监测发现沉降趋势明显增加,与地下含水层水位下降有关。

后经过调查发现,这一现象是Crossrail工程建设中Limmo站的降水作业相关。施工团队与Crossrail岩土技术团队取得了联系并进行了数据交换,对地下水位和之后的沉降进行了密切监控和建模。该合作意义重大,它表明一个区域(恰好靠近另一个空洞)的降水作业能够影响2.9km之外的DFH空洞的沉降,空洞之间存在“联动”。


对于空洞区的具体地质建模

结论

根据对DFH空洞的地质研究,发现它的地质特性更加复杂,大型空洞对地层的影响较以往的研究结论更大;深入白垩岩的空洞之间可能会在相当长的距离内存在水文联动。

■ 工程中出现的这个DFH空洞是否可以预测得到?

很难,当时进行的岩土勘测中对于它的判定指标并不明显。

■ 当时的处理方法是否得当?

是的,Lee隧道位于空洞的最深处,也是渗透率最低的区域,盾构穿越空洞边缘,应对措施也较为合理。如果之前真的按照讨论初期降低了泥水压力,后果无法想象。

■ 现在是否出现了有效的手段预测这些空洞?

1979年至今,伦敦地下发现的的DFH空洞数已由26个增长至83个。想要判断空洞的存在,可以寻找一些迹象,例如不同寻常的极深冲积层,深处高度风化的白垩岩,甚至白垩岩中出现的褐色泥沙等。

敬请期待!

工程团队还指出,其实这种地层的空洞在全球范围内都有出现,但由于这一现象的表征不够明显,一般只会被当做意料之外的地层情况进行处理。随着业界对于它的进一步系统研究,相信在未来也对它有更加成熟的应对方案。


(文章来源隧道网,本文由隧道网上传并发布,此文系转载,本文仅用来学习及交流,版权归属原作者,侵权删)

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