董澤龍，張慶賀，周 禾

(1.上海第一市政工程有限公司，上海 200092;2.同濟(jì)大學(xué) 巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092;3.同濟(jì)大學(xué) 地下建筑與工程系，上海 200092)

目前，國內(nèi)廣州、深圳等地的地鐵施工過程中都會(huì)碰到復(fù)雜地層、軟弱不均地層。一條區(qū)間隧道的大部分經(jīng)過軟黏土，粉土等，只有幾十米甚至上百米穿過強(qiáng)度較高的巖層，單獨(dú)采用盾構(gòu)或TBM均遇到不適應(yīng)地層風(fēng)險(xiǎn)，礦山法難以通過大段軟土地層，此時(shí)采用盾構(gòu)通過礦山法隧道的復(fù)合工法能達(dá)到事半功倍效果。劉建美等［1］以廣州地鐵四號(hào)線大學(xué)城專線小新區(qū)間隧道為例，詳細(xì)介紹了盾構(gòu)通過礦山法施工隧道段時(shí)的回填、盾尾注漿和分階段壓注漿等工藝;楊書江等［2-3］從解決空推無法對(duì)已拼裝管片隧道施加足夠軸向壓力角度出發(fā)，提出了在盾構(gòu)通過礦山法施工隧道段拼裝管片時(shí)，采用焊接聯(lián)結(jié)鋼筋、支擋牛腿和復(fù)緊螺栓三步走的措施，保證隧道的防水效果。汪茂祥［4］等結(jié)合廣州地鐵5號(hào)線區(qū)楊盾構(gòu)區(qū)間盾構(gòu)隧道，介紹了盾構(gòu)通過礦山法施工隧道段的導(dǎo)臺(tái)施工、盾構(gòu)“磕頭”、管片錯(cuò)臺(tái)控制和增大盾構(gòu)總推力壓緊管片等施工關(guān)鍵技術(shù)。

盾構(gòu)隧道施工過程中襯砌管片上浮問題是客觀存在的，且一直是較難解決的問題之一。針對(duì)這一問題，張慶賀等從盾構(gòu)開挖面平衡狀態(tài)，推導(dǎo)了土壓平衡盾構(gòu)開挖工作面水土壓力與密封艙內(nèi)壓力動(dòng)態(tài)平衡式，得到了盾構(gòu)施工過程土體及隧道穩(wěn)定所需的最小覆土厚度［5-6］;肖明清等分析了軟土普通盾構(gòu)施工過程中管片上浮的影響因素，并提出了控制管片上浮對(duì)策和措施［7］。

1 盾構(gòu)通過礦山法隧道施工工藝簡(jiǎn)介

1.1 工藝簡(jiǎn)介

盾構(gòu)通過礦山法施工隧道段的通常做法是:①從地表打一豎井下至隧道設(shè)計(jì)巖層處，先采用礦山法將較堅(jiān)硬巖土層爆破挖除，施工斷面稍大于盾構(gòu)外徑的初期襯砌;②在礦山法隧道內(nèi)回填土或者細(xì)石子;③盾構(gòu)在預(yù)先做好的礦山法隧道里空推并完成管片拼裝(此階段基本無同步注漿);④補(bǔ)壓漿(見圖1)。

圖1 礦山法襯砌、回填層及盾構(gòu)管片平面

1.2 盾構(gòu)通過礦山法隧道管片上浮難題

與軟土地區(qū)的普通盾構(gòu)施工相比，在已經(jīng)施工完畢的礦山法隧道內(nèi)進(jìn)行盾構(gòu)空推施工，存在如下幾大技術(shù)難題:

1)管片上部缺少上覆土的作用，導(dǎo)致脫出盾尾后上浮較嚴(yán)重;

2)盾構(gòu)施工掌子面缺少土壓力作用，土壓平衡得不到實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)致管片環(huán)縫擠壓不密實(shí)，管片成環(huán)后整體防水性能較差。

2 盾構(gòu)通過礦山法隧道管片上浮機(jī)理分析

從查閱文獻(xiàn)結(jié)果來看，引起隧道上浮主要有以下三個(gè)方面的因素:①注漿漿液或泥漿、水等液體包裹管片從而產(chǎn)生了向上的浮力;②注漿產(chǎn)生的靜態(tài)壓力及動(dòng)態(tài)上浮力;③盾構(gòu)施工控制不當(dāng)，產(chǎn)生了“蛇行”現(xiàn)象。

對(duì)于普通盾構(gòu)隧道而言，當(dāng)因素①產(chǎn)生的浮力小于隧道上覆土重力［4］時(shí)，不足以引起隧道上浮。但是，對(duì)于盾構(gòu)通過礦山法隧道而言，隧道上覆土重力主要由礦山法襯砌來承擔(dān)，實(shí)際作用在盾構(gòu)管片的壓力很小。于是，對(duì)于盾構(gòu)通過礦山法隧道而言，因素①產(chǎn)生的浮力是導(dǎo)致管片上浮的一大主要因素。

盾構(gòu)通過礦山法施工隧道時(shí)，基本無同步注漿;補(bǔ)壓漿亦只是為了控制隧道上浮。因此注漿因素［5］將不在本文的分析范圍之內(nèi)。本文將從回填材料屬性、回填層厚度、回填層回填密實(shí)程度、隧道建筑間隙內(nèi)充水程度和覆土厚度等因素進(jìn)行分析。

3 盾構(gòu)通過礦山法隧道施工數(shù)值模擬

3.1 工程概況

深圳地鐵2號(hào)線東港路站—招商?hào)|路站區(qū)間隧道從東港路站出發(fā)，下穿新建澳城花園，地質(zhì)條件復(fù)雜，隧道下部將遇到高強(qiáng)度微風(fēng)化巖層。隧道斷面內(nèi)為最不利的第四系中更新統(tǒng)殘積層、拱頂上部為具有高滲透性(滲透系數(shù)達(dá)到15 m/d)的礫砂(含淤泥)層。

區(qū)間隧道整體設(shè)計(jì)為土壓平衡盾構(gòu)施工。采用預(yù)先礦山法暗挖，然后盾構(gòu)通過礦山法隧道的施工方法通過其間的高強(qiáng)微風(fēng)化巖層段。左右線礦山法段分別長(zhǎng)147.5 m和287.0 m，埋深約10.0 m。

礦山法隧道襯砌為 C25、S6噴射混凝土，內(nèi)徑6 600 mm，外徑7 300 mm，厚 350 mm;盾構(gòu)管片為 C50、S10預(yù)制管片，內(nèi)徑5 400 mm，外徑6 000 mm，厚300 mm。

3.2 計(jì)算模型

采用等效剛度(剛度折減系數(shù)取為0.9)的方法，將管片視為均質(zhì)彈性梁結(jié)構(gòu)。有限元計(jì)算模型如圖2所示。其中噴射混凝土和管片均采用梁?jiǎn)卧?beam3單元)，土體及回填層采用實(shí)體(plane42)單元，且服從 D-P屈服準(zhǔn)則。各材料的物理、力學(xué)特征參數(shù)見表1。

圖2 數(shù)值計(jì)算模型

表1 基本計(jì)算參數(shù)

3.3 數(shù)值模型計(jì)算步介紹

根據(jù)深圳地鐵2號(hào)線東港路站—招商?hào)|路站區(qū)間盾構(gòu)通過礦山法隧道施工過程，分五個(gè)計(jì)算步進(jìn)行數(shù)值模擬:第一計(jì)算步，計(jì)算自重應(yīng)力;第二計(jì)算步，開挖土體，并考慮開挖時(shí)的應(yīng)力釋放(釋放率取為50%);第三計(jì)算步，施作噴射混凝土;第四計(jì)算步，回填(實(shí)際工程中回填至礦山法隧道初襯一半深度);第五計(jì)算步，盾構(gòu)空推通過礦山法施工隧道段。

考慮到隧道拱頂上部為具有高滲透性的礫砂(含淤泥)層，第四計(jì)算步中，回填后，假設(shè)礦山法施工隧道內(nèi)充滿地下水。

3.4 計(jì)算結(jié)果及分析

第五計(jì)算步的位移場(chǎng)減去第四計(jì)算步的位移場(chǎng)［5］，得到盾構(gòu)空推通過礦山法施工隧道段時(shí)的地層位移變化情況，如圖3。盾構(gòu)空推通過礦山法施工隧道段時(shí)，管片上浮9 mm。

圖3 空推引起的地層位移變化(單位:m)

4 管片上浮影響因素分析

4.1 回填材料性質(zhì)

國內(nèi)已有的成功案例選擇回填材料大體分為二種，一種是回填土，另一種是回填中細(xì)石子。本文為了考察回填材料的物理力學(xué)性質(zhì)對(duì)管片上浮的影響，分別取表2所列的幾種材料進(jìn)行計(jì)算?；靥畈牧系男再|(zhì)對(duì)管片位移有較大影響:回填材料強(qiáng)度越高，管片上浮值越小，因此回填中細(xì)石子時(shí)管片上浮最小。

表2 回填材料參數(shù)

4.2 回填層厚度

從工程的具體實(shí)際來說，在地鐵隧道的建筑限界一定的情況下，回填層厚度應(yīng)盡可能地小。因?yàn)榛靥顚又苯佑绊懙降V山法的開挖量。從經(jīng)濟(jì)角度考慮，應(yīng)盡可能地減小回填層厚度。但從盾構(gòu)施工角度來說，回填層厚度亦不能太小，否則會(huì)影響盾構(gòu)機(jī)的正常工作。本文單純從探尋回填層厚度與管片上浮量之間關(guān)系出發(fā)，在合理范圍內(nèi)，選取了幾種不同的回填層厚度進(jìn)行計(jì)算。隨著回填層厚度的增加，管片上浮值有增加趨勢(shì)，但影響較小。

4.3 回填層回填密實(shí)程度

盾構(gòu)正常安全施工要求回填材料全部均填礦山法隧道內(nèi);但實(shí)際施工中，在礦山法隧道內(nèi)全部均填回填材料需要花費(fèi)巨大的人力和物力。選擇一個(gè)既能滿足盾構(gòu)施工要求亦能最低程度地減少工程量的填充密實(shí)程度，是盾構(gòu)空推通過礦山法施工隧道段的一個(gè)重要問題。回填層回填密實(shí)程度分別為回填1/2以及回填3/4。隨著回填深度的增加，管片上浮值有減小的趨勢(shì)，但減小不明顯。

4.4 建筑間隙內(nèi)充水程度

建筑間隙內(nèi)充水程度對(duì)管片上浮影響顯著，當(dāng)建筑間隙內(nèi)只有一半地下水時(shí)，管片上浮量為3.6 mm;而當(dāng)?shù)叵滤砍錆M建筑間隙時(shí)，管片上浮量為9.0 mm。

上述現(xiàn)象的原因在于:建筑間隙內(nèi)只有一半地下水與建筑間隙內(nèi)全部充滿地下水相比，前者受到的地下水的浮力只有后者的一半。因此，建筑間隙內(nèi)充水程度越高，管片上浮量越大。

4.5 覆土厚度

盾構(gòu)通過礦山法隧道時(shí)，盾構(gòu)管片是在一個(gè)已成形的礦山法隧道內(nèi)，其受到上覆土的作用遠(yuǎn)比普通盾構(gòu)下管片所受到上覆土的作用小。在其它條件不變的情況下分別取覆土厚度 h為10、15、20、25 m和30 m共5種工況進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，覆土厚度h對(duì)管片上浮的影響如圖4。從圖4可知，盾構(gòu)通過礦山法隧道時(shí)，上覆土厚度h對(duì)管片的上浮基本無影響。

圖4 覆土厚度與管片上浮關(guān)系

5 結(jié)論

以圖4中管片的上浮量為參照，對(duì)比定量分析各因素對(duì)管片上浮的影響大小。根據(jù)以上分析可以得出如下主要結(jié)論:

1)回填材料的性質(zhì)對(duì)管片的上浮影響顯著?；靥畈牧蠌椥阅Ａ吭酱?，管片上浮值越小。回填軟黏土?xí)r的管片上浮量是回填中細(xì)石子的1.63倍。因此，建議實(shí)際回填材料選彈性模量較大的中細(xì)石子或者砂土。

2)隨著回填層厚度的增加，管片上浮值有增加趨勢(shì)，影響幅度在20%以內(nèi)。

3)回填層回填密實(shí)程度對(duì)管片上浮的影響幅度亦在20%以內(nèi)。

4)隧道建筑間隙內(nèi)充水程度對(duì)管片的上浮影響較大。礦山法隧道內(nèi)充滿一半地下水時(shí)管片上浮量是全部充滿時(shí)的40%。因此，在工程實(shí)際中，控制礦山法隧道內(nèi)的地下水對(duì)控制管片上浮極其重要，建議采取礦山法嚴(yán)格控制隧道內(nèi)的地下水。

5)盾構(gòu)通過礦山法隧道時(shí)，隧道上覆土厚度對(duì)管片的上浮基本無影響。

［1］劉健美.“盾構(gòu)法+礦山法”施工在廣州地鐵四號(hào)線大學(xué)城專線段的應(yīng)用［J］.廣東土木與建筑，2005(6):14-15，25.

［2］楊書江.盾構(gòu)在硬巖及軟硬不均地層施工技術(shù)研究［D］.上海:上海交通大學(xué)，2006.

［3］張志偉，賈艷敏，趙艷娟.地鐵盾構(gòu)法施工事故預(yù)防及處理措施［J］.鐵道建筑，2010(11):50-53.

［4］汪茂祥.盾構(gòu)通過礦山法施工隧道段關(guān)鍵技術(shù)［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2008，45(1):67-70.

［5］張慶賀，王慎堂，嚴(yán)長(zhǎng)征，等.盾構(gòu)隧道穿越水底淺覆土施工技術(shù)對(duì)策［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004，23(5):857-861.

［6］魏綱，劉加灣.盾構(gòu)法隧道統(tǒng)一土體移動(dòng)模型參數(shù)取值研究［J］.鐵道建筑，2009(2):48-51.

［7］肖明清，孫文昊，韓向陽.盾構(gòu)隧道管片上浮問題研究［J］.巖土力學(xué)，2009，30(4):1041-1045.