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南京地铁二号线TA04标地质灾害掩埋盾构机事故

作者:  来源:  发布:2017/3/31  浏览: + 放大字体 | - 减小字体

摘 要:2007年11月20日,S-284盾构机掘进到达南京地铁二号线中和村站~元通站盾构区间元通站右线南端头接收井洞门时,洞内发生漏水漏砂事件,造成地面大面积塌陷,盾构机被埋于塌陷土体中。

一、事故情况简介

2007年11月20日,S-284盾构机掘进到达南京地铁二号线中和村站~元通站盾构区间元通站右线南端头接收井洞门时,洞内发生漏水漏砂事件,造成地面大面积塌陷,盾构机被埋于塌陷土体中。

二、工程概况及水文地质情况

1、工程情况

南京地铁二号线TA04标中和村站~元通站区间工程,设计里程为K2+983.05~K4+392.099,为单圆盾构隧道,右线长度为1431.81m,左线长度为1453.491m。采用一台海瑞克公司生产的土压平衡式盾构机(编号S-284)从区间右线始发,到达元通站后吊出转运至中和村站,从中和村站左线二次始发,到达元通后吊出、解体,完成区间盾构施工。

2、水文地质情况

中和村站~元通站盾构区间属长江低漫滩地貌,地势较为平坦,场地地层呈二元结构,上部主要以淤泥质粉质粘土为主,下部以粉土和粉细砂为主,赋存于粘性土中的地下水类型为孔隙潜水,赋存于砂性土中的地下水具一定的承压性。事故发生时盾构穿越地层主要为中密、局部稍密粉土(②-3c2-3),上部局部为流塑状淤泥质粉质粘土(②-2b4),端头井6m 采用高压旋喷桩配合三轴搅拌桩加固土体。

详见“中和村站~元通站区间元通站端头右线纵断面图”。

3、S-284盾构机情况简介

S-284盾构机为施工集团公司第一批采购的盾构机,由德国海瑞克公司于2005年2月开始在广州制造组装,2005年5月完成工厂验收,2005年10月从广州运输到天津地铁二号线第十合同段红星路站工地,2006年12月30日,S-284盾构机运输到达南京地铁二号线TA04标中和村站施工工地。2007年3月18日开始进行南京地铁二号线TA04标中和村站~元通站盾构区间右线始发掘进施工。2007年3月18日~11月19日,S-284盾构机进行了南京地铁二号线TA04标中和村站~元通站盾构区间右线的掘进施工,总计掘进1431米,在整个施工过程中,总体施工顺利,设备状态良好。

三、事故经过及应急处置

1、事故经过

2007年11月20日上午6:50,掘进班人员下井,进入洞内准备完成最后的推进;7:15,掘进班人员到达掌子面,对盾构机进行例行检查; 7:50,项目部指挥中心通知盾构司机可以开始掘进, 7:50~8:50,盾构机开始进行到达前的最后掘进(即1191环),技术参数如下:盾构姿态正常,垂直偏差:前视点为+40mm,后视点22mm,趋势为6;水平偏差:前视点为-15mm,后视点为-15mm,趋向为0;土压正常。土仓压力为0.0~0.5bar;推力为3370KN;掘进速度为5mm/min左右,共计掘进约320mm;出土量为14立方。

上午8:50,盾构机刀盘顶上元通站接收井口地连墙外侧,在洞门处人工开始破除钢筋,在盾构机里,操作人员转动刀盘,方便割除钢筋,下部保护层破碎。此阶段在洞门处,洞口有局部渗水,无明流水。9:00左右,刀盘下部2米的位置突然出现4个较大的漏水漏砂点,并且迅速发展、扩大,涌水涌砂量约为 410 m3/h。在洞门破除钢筋人员迅速撤离。9:13,在盾构机内听到洞内砰的响声,盾构操作人员停机检查,到盾构机前方查看未发现异常,PLC控制系统及SLS-T导向系统均未出现报警信息。9:30,盾尾急剧沉降,5~6分钟之内盾尾后基准点由+22变为-27,沉降49mm,铰接压力急剧增大,由160bar增大为275bar。9:38,盾构机操作人员看到盾尾处和连接桥处局部管片角部及螺栓部位产生明显裂缝,管片角部脱落,洞内作业人员迅速调集方木及木楔,对车架与管片紧邻部位进行加固,控制管片进一步变形,此时继续听到明显响声,响声逐渐变大,伴随管片连接螺栓的断裂声音,管片环向拉开最大10cm左右的缝,长1.5m左右,随之盾构机盾体到1﹟车架之间管片到处掉渣,水沙从缺口处喷涌,经过大约50分钟的紧张抢险,仍然无法控制局势;10:40,盾构机内的人员只好撤退到5﹟车架位置安全的地方。由于在盾尾处管片下沉和破碎,洞内出现大量涌水涌砂,涌水涌砂量约为500m3/h,在很短的时间内盾构机车架轨道被埋,走道板下淤积满沙子,此时项目部指挥中心通知洞内人员撤离。

在地面上,由于元通站右线接收端头井里的大量涌水和涌砂,导致元通站以南地面大面积塌陷,塌陷范围沿隧道纵向约150米,塌陷区宽度约20米,最大塌坑深约6米,盾构机埋置于塌陷土体中。

2、应急处置

事件发生后,在第一时间,南京地铁指挥部为确保地铁一号线和元通站的安全,要求项目部采取以下措施:

----采用钢筋混凝土封堵元通站右线南端头接收井口洞门和中和村站右线西端头始发井口洞门,避免已成型的中和村站~元通站盾构区间右线隧道破坏的进一步发展。

----同时为保证隧道内外水土平衡,在中和村站右线西端头始发井口洞门封闭后,向中和村站~元通站盾构区间右线隧道注水以保持隧道洞内外水土压力平衡,保证已成形的隧道不再继续损坏。

11月20日中午,工程项目部迅速成立抢险组织机构,开始进行抢险,根据南京地铁指挥部的要求,对元通站右线接收井口开始进行封堵。 11月29日完成了对元通站右线接收洞门和中和村站右线始发洞门的封堵并开始注水。

四、原因分析

1、对项目部前期盾构机接收准备工作情况的调查

① 对元通站接收端头加固的情况调查:

2007年5月3日~5月9日,TA04标项目部对盾构机到达洞门外地基采用φ850三轴深层搅拌结合旋喷桩进行加固,加固长度为6米,加固宽度及深度均为衬砌外侧各3米,加固范围水泥掺量为18%,空桩范围水泥掺量为7%,总计施工搅拌桩420根。

2007年5月20日~5月29日,在搅拌桩与围护结构之间的空隙用单管高压旋喷桩施工,提升速度为30cm/min,压力为20~30Mpa,喷浆量为60L/min,桩径为600mm,共完成70根。

2007 年9 月8日,TA04 标项目部委托南京市房建工程检测中心试验室对搅拌桩进行钻孔取样,共取2 个孔,6 组水泥土试块,每个孔在自地面向下14 米、18 米、22 米处分别取出1 组试块,1 组试块为6 段水泥土样品,经试验强度分别为1.04Mpa、1.08Mpa、1.10Mpa,强度代表值为1.04Mpa, 强度大于设计强度0.8Mpa。具体见检测报告。

1#、2#孔在距围护结构2.5m 处,钻孔取样布置详见“元通站南端头加固区钻芯取样平面图”、“元通站南侧加固区钻芯取样剖面图”。

TA04 标项目部对现场水泥土样品进行了观察,样品具有较好的连续性, 很少出现掺有泥砂现象,桩体搅拌均匀。

元通站南端头加固区钻芯取样平面图

元通站南侧加固区钻芯取样剖面图

② 对洞门凿除和洞门水平探孔情况调查

2007 年10 月15 日项目部开始组织凿除洞门,根据施工进度对照情况, 凿除洞门超前盾构机到达,项目部决定从10 月18 日停止凿除洞门,当时内层钢筋凿除完成。10 月18 日对右线端头加固体进行洞门水平探孔检测, 探孔编号分别为1 号、2 号及3 号,深度为2.13m、2.45m、3.08m(自地连墙内皮起算),均无渗水现象。11 月15 日再次开始凿除钢筋混凝土,凿除中间主体混凝土按照自上而下的顺序进行,11 月18 日对加固体进行第二次探孔检测,探孔编号分别为4 号、5 号,深度为2.07m、2.27m(自地连墙外皮起算),探孔结果均无渗漏水现象。11 月20 日凌晨凿除完成,具备盾构到达条件。

元通站南端右线水平探孔布置图

③ 对降水情况的调查:

由于盾构机到达段掘进时受到承压水的影响,为了合理减小承压水的水压,并尽量避免对地铁一号线的影响,TA04 标项目部对到达端头进行了深井短期强降水。由于盾构到达段端头部位土体已经加固过,并经过检测满足要求,为了避免抽潜水引起地面沉降,固潜水部分不予考虑,只是降低承压水水头。右线盾构到达总计施工降水井10 口,降水井井深40 米,钻孔孔径为φ650,井管孔径为φ300,最下面1 米采用实管,上面15 米采用滤水管, 其余部分均采用实管,下管完成后及时回填,井管上部14 米范围回填粘土,剩余范围回填粗砂作为过滤层,水泵均放在井底以上1~1.5m 的位置,其中Y1、Y2、Y3、Y4、Y6、Y7 均采用7.5kw 水泵,流量为50m3/h,Y5、Y8、Y9 及Y10 均采用15kw 水泵,流量为100m3/h。 降水井于2007 年9 月26 日开始施工,成孔施工机械设备选用GPS-10 型工程钻机及其配套设备,采用正循环回转钻进泥浆护壁的成孔工艺和下井壁管、滤水管、围填填砾、粘性土等成孔工艺。2007 年10 月7 日施工并洗井完成,11 月13 日开始降水,17 日水位基本稳定,Y7 观测井测的水位为19.79m,隧道底部埋深为19.32m,后将观测井同时开启,水位降深已满足设计和相关规范要求,降低至隧道底部0.5m以下。具体降水布置详见“中~元区间盾构到达(右线)降水井平面布置图”、中~元区间盾构到达(右线)降水井结构示意图”。

④ 对盾构机到达采取的措施和注浆情况的调查

项目部于2007 年11 月1 日~11 月19 日期间,对盾构机到达采取了如下措施:

----对到达段1151~1190 环之间的40 环管片利用钢带进行了纵向连接,连接点位为2 点、6 点、10 点及14 点,连接后用木楔楔紧,随着盾构向前推进,再重复楔紧,减小管片变形能力。

----安装完成盾构机接收托架。

----在元通站准备砂袋、水泵、水管、方木、风炮等应急物资和相关工具。

同时也加强了对管片背后的同步注浆及二次注浆管理,加大注浆量,及时填充盾尾空隙,同步注浆浆液的水泥掺量在原来基础上提高50%,提高浆液的强度,每方材料用量为174:349:990:70:405(水泥:粉煤灰: 黄砂:膨润土:水),11 月17 日开始对到达段管片背后进行二次注浆,二次注浆采用1:1 的水泥净浆,11 月20 日凌晨注浆结束,共注浆134.5m3。

⑤ 对前期元通站结构施工的情况调查

元通站结构为三层岛式结构,也是南京地铁一号线和二号线的换乘站。在南京地铁一号线施工期间,某车站基坑施工过程中就发生过类似漏水漏沙情况;在南京地铁二号线施工期间,另一车站基坑施工过程中也同样发生过漏水漏沙情况;在S-284盾构机接收的端头范围内曾发生过2次大的地面塌陷,随后回填到地面。

⑥专家考察分析

针对S-284盾构机被掩埋的情况,南京地铁业主在出险后专门组织相关专家进行考察分析。

2007年11月30日上午,在南京地铁二号线TA04标项目部会议室,南京地铁建设分公司许建军总工程师主持召开了南京地铁二号线TA04标中和村~元通站区间水文地质专家咨询会,参加会议的专家有南京水科院赵维炳教授、陈海军博士,河海大学陈亮博士,解放军理工大学关洪军教授,参加会议的还有中铁隧道设计院、中原监理公司及施工单位的相关人员,与会各位专家对河西软土及粉砂层地质条件下可能出现的问题及下一步施工需要注意的事项进行了讨论,最后形成会议纪要:

经过对S-284盾构机被掩埋事件的实际情况调查,结合南京地区相关的专家意见和结论,S-284盾构机发生被掩埋事件的原因总结如下:

① 元通站由于在南京地铁一号线和二号线施工过程中,在位于端头接收井的位置上发生过至少3次以上的地面塌陷,该地方土体被多次扰动;

② 南京河西地区是软土严重的地区,地质条件非常复杂,软土特别的深,下部有比较厚的粉细砂层,同时距离长江比较近,地下水丰富,与长江有一定的水力联系;

③ 南京河西地区范围内的土层沉积环境非常复杂,透镜体形式比较多,可能局部存在受压缩的气体,在S-284盾构机推进过程中,由于气体的突然释放形成地下水的通道,造成S-284盾构机后方的承压水沿着通道向洞口涌来,形成突发的涌水涌砂。(见下页图-1接收洞门涌水涌砂示意图)

④ 施工场地地貌单元属长江漫滩相,基岩埋深约为60米,基岩面以上均为第四纪松散层,同时地下水较为丰富,由于地下水的动力作用,在S-284盾构机到达元通站端头井部位局部地层可能产生空隙,形成水囊,受到外力作用后突然释放,形成水流的通路,同时远端的承压水顺着通路迅速向洞外涌出,形成了突发性的涌水涌砂。

⑤ 元通站的端头加固按照设计要求加固了6米长,盾构机长度为7.755米,盾尾尾部正好处于加固体与外界土体交界处,因此1190环处于盾尾处,1189环处于加固体与外界土体交界处,当1189环之前的多处管片下方由于地下水和粉细沙的大量流出,造成管片下方无支撑力,因此导致1189环与1190环管片之间的连接螺栓断裂,从而造成1189环管片拉裂断开下沉,水沙从缺口处大量涌入隧道,导致盾构机被掩埋。

综上所述,此次S-284盾构机被掩埋事件,是由于盾构机在元通站右线接收洞口推进过程中, 局部地层空隙的气体突然释放形成地下水的通道,造成盾构机后方的承压水沿着通道向洞涌口,形成大量涌水和涌砂,导致元通站以南地面大面积塌陷,将盾构机掩埋,属特殊自然地质灾害造成的事件。

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