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動態(tài)消息

華沙地鐵2號線區(qū)間隧道施工中的地層改良

1 工程描述

波蘭華沙大約有 200 萬人口，正在運(yùn)營的是地鐵1 號線，目前正在建設(shè)的是地鐵 2 號線，它包括 28 座車站，30 km 長的線路，其中 6.3 km 區(qū)間隧道采用 4 臺直徑 6.3 m 的土壓平衡盾構(gòu)開挖。隧道施工難點(diǎn)是：①穿過 Vistola 河；②在地鐵1號線下面穿過（隧道上下間距僅 3 m）；③在 Prague 區(qū)處于危險狀態(tài)的紀(jì)念性建筑物下（基礎(chǔ)深達(dá) 6～8 m ）通過。

Prague 區(qū)紀(jì)念性建筑物是二次世界大戰(zhàn)期間華沙大轟炸中留下的唯一未損壞的建筑物，其承載結(jié)構(gòu)多數(shù)為磚砌結(jié)構(gòu)，個別的為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。由于施工質(zhì)量和維護(hù)不善，材料年久劣化，裂縫發(fā)展，如今結(jié)構(gòu)處于危險狀態(tài)。

盾構(gòu)開挖的區(qū)間隧道穿過沖積土沉積物（基本上是砂和黏土）混雜地層，隧道頂部覆蓋厚度 10～14 m，地下水位在拱頂以上 4.5～8 m。

2　地層改良

為了降低隧道施工期間 Prague 區(qū)紀(jì)念性建筑物的風(fēng)險水平，決定采用水平方向鉆孔，通過鉆孔注漿，在隧道拱頂上方形成大約 3 m 厚的弧形拱圈，它不僅改善了地層的力學(xué)特性，而且可以消除盾構(gòu)開挖時泡沫泄漏的可能性（圖 1、圖 2、圖 3）。

圖1　隧道頂部的地層改良

圖2　鉆孔和安設(shè)鋼襯管示意圖

圖3　現(xiàn)場水平鉆孔施工

水平鉆孔的操作特別復(fù)雜，因為鉆孔長度達(dá)250 m，鉆孔縱軸線的最小曲率半徑 100～300 m。操作步驟如下。

（1）在地面上鋪設(shè)電纜，產(chǎn)生一個磁場，使鉆孔前進(jìn)方向得到控制。

（2）在鉆孔中安設(shè)直徑 140 mm 的鋼襯管，旨在防止鉆孔坍塌。

（3）插入帶有閥門的直徑 2 英寸的 PVC 注漿管 ( 每米 2 個閥門 )。

（4）注入水泥混合料形成注漿保護(hù)層，同時抽出鋼襯管，用保護(hù)層取代鋼襯管。

（5）在控制注漿壓力和數(shù)量的條件下，重復(fù)注入水泥混合料和化學(xué)材料。

通過注入微細(xì)水泥漿液，促進(jìn)水泥混合料的滲透。每個閥的混合料注入量約為 110～120 L，拒止壓力為 8 ～12 bar。

采用一個特殊的非對稱的鉆頭，與地面呈一個角度，受外部磁場定位系統(tǒng)引導(dǎo)，使鉆孔前進(jìn)方向得到控制，產(chǎn)生的誤差僅幾厘米，在可接受的范圍內(nèi)。

為了評估注漿效果，對注漿地層的質(zhì)量進(jìn)行測定。試驗表明，經(jīng)改良的土壤的楊氏模量（Eimpr）比未改良的土壤的楊氏模量（Enat）高 2.5 倍，即 Eimpr= 2.5Enat。

3　評估地層改良效果的理論分析

隧道開挖將改變其周圍地層的應(yīng)力—應(yīng)變狀態(tài)，地層將產(chǎn)生沿隧道橫向、縱向的垂直沉降（圖4）。

圖4　地平面和基礎(chǔ)平面的沉降槽

試驗觀測表明，地層沉降曲線可以用高斯正態(tài)分布概率函數(shù)來表達(dá)。2

W ( x ) 是坐標(biāo) x 處的沉降量，公式（1）中有 2 個變量：Wmax為沿隧道中心線的最大沉降量；i0為反彎點(diǎn)到隧道中心線的水平距離。

i0的計算，當(dāng)隧道拱頂上的覆蓋層厚度超過 1 倍隧道直徑時，它與隧道中心線坐標(biāo) z0有如下關(guān)系：

公式（2）中系數(shù) K 是地層性質(zhì)函數(shù)，在有關(guān)文獻(xiàn)中可以找到：對砂或黏土來說，K = 0.3 或 0.5。

Vs為隧道單位長度地面沉降槽的體積，m3/ m。

地面沉降槽的體積與隧道施工中的地層損失量有密切關(guān)系。地層損失量用超過隧道理論開挖量的體積除以隧道理論開挖量的百分比來表示。地層改良后，地層損失量會減小。

一旦求得沉降槽和沉降值就可以評估建筑物可能產(chǎn)生的損壞，并且考慮下列 2 個基本因素：結(jié)構(gòu)的總體剛度；建筑物材料的抗裂性能。按材料的抗裂性分成若干損壞等級（從 0 到 5），0 級的損壞可忽略不計，5 級是嚴(yán)重?fù)p壞。建筑物能接受的損壞等級是 2 級，改良地層減小地面沉降值的最終目標(biāo)是使建筑物的損壞等級不超過 2 級。

為了評估改良地層的效果，采用 FLAC 有限差分法程序進(jìn)行數(shù)值分析，目的是求得因地層改良而減小的地層損失量，根據(jù)減小的地層損失量再次用經(jīng)驗方法進(jìn)行風(fēng)險評估。

采用二維 FLAC 程序?qū)λ淼篱_挖的不同階段進(jìn)行模擬，用逐步減少一定百分比的等效力來代替地層開挖，反映隧道的開挖效應(yīng)。改良后的地層楊氏模量比原土的楊氏模量增加 2.5 倍。

數(shù)值計算的第 1 步是對自由場沒有改良地層的情況減少一定百分比的等效力，得到的理論沉降曲線，與取值 Vp= 0.60% 的沉降曲線一致。然后對地層改良后的情況進(jìn)行開挖模擬，地層損失量有明顯減小，大約減少30%。最后，可以采用這一新的地層損失量，對建筑物進(jìn)行風(fēng)險分析，結(jié)果表明，建筑物的損壞等級均在 2 級以下。采用 FLAC 計算程序?qū)Φ貙痈牧记昂蟮乃淼郎戏降乇沓两颠M(jìn)行數(shù)值分析，將計算結(jié)果對比示于圖 5。

4　采用土壓平衡盾構(gòu)安全穩(wěn)妥地開挖隧道

采用土壓平衡盾構(gòu)開挖隧道，可以通過調(diào)整盾構(gòu)參數(shù)來控制地層的沉降。盾構(gòu)的主要參數(shù)在設(shè)計階段確定，并在施工階段作必要的調(diào)整，這些參數(shù)與盾構(gòu)前方小室中的穩(wěn)定壓力及混凝土砌塊背后回填注漿壓力有關(guān)。為此，設(shè)計了 1 個地層變形監(jiān)測系統(tǒng)，在盾構(gòu)推進(jìn)時讀取隧道上方地面和建筑物上的水平測點(diǎn)數(shù)據(jù)。

圖5　采用 FLAC 對地層改良前后的隧道上方地表沉降數(shù)值分析結(jié)果對比

表1　地層損失量（Vp）、地面最大沉降量（Wmax）預(yù)測值和實測值對比

監(jiān)測數(shù)據(jù)用來進(jìn)行連續(xù)的數(shù)值反分析，用以檢查盾構(gòu)參數(shù)，采取必要的實時修正，以滿足盾構(gòu)安全推進(jìn)的需要。表 1 列出了設(shè)計階段（地層未經(jīng)處理的階段）、處理階段的預(yù)測值以及施工時的監(jiān)控實測值。從表 1 可以看出，施工時實測的地層損失量、地面最大沉降值比此前預(yù)測的理論值小。這一結(jié)果是正確的，因為在隧道施工前的數(shù)值分析對象是自由場，不考慮地層與結(jié)構(gòu)的相互作用。這一結(jié)果還說明，通過注漿改善了隧道周圍地層的力學(xué)特性，對地層進(jìn)行結(jié)構(gòu)性干預(yù)達(dá)到了預(yù)期的效果。

實測的地層損失量、地面最大沉降值小于設(shè)計時的預(yù)測值，也是正確進(jìn)行盾構(gòu)開挖作業(yè)的結(jié)果。這種施工水平，足以保證盾構(gòu)在結(jié)構(gòu)脆弱的紀(jì)念性建筑物下面安全通過。

[1] Giuseppe Lunardi, Fabrizio Carriero, Andrea Canzoneri, et al. Warsaw metro’s improvements[J]. Tunnels and Tunnelling International，2014(11)：31-35.

邵根大 編譯

責(zé)任編輯 冒一平

2015-12-14