程學(xué)武

(北京鐵路局地下直徑線工程建設(shè)指揮部，北京 100005)

隨著城市軌道交通的快速發(fā)展，在城市中心區(qū)建設(shè)超大直徑、超淺埋的盾構(gòu)隧道，不可避免地會(huì)穿越城市河流，保證既有河流的安全成為施工的重中之重。為此，在穿越之前了解河底覆土層的位移變化，對于采取合理加固措施、保證施工安全具有重要意義。

已有學(xué)者對國內(nèi)建成及在建的幾個(gè)大直徑泥水盾構(gòu)隧道進(jìn)行了研究。馬可栓等[1]以武漢越江盾構(gòu)隧道穿越武九鐵路工程為例，研究了泥水壓力、盾構(gòu)掘進(jìn)方向、盾構(gòu)掘進(jìn)速度、同步注漿等技術(shù)措施對地面沉降的影響；黃昌富等[2-3]以天津地下直徑線下穿海河為例，對施工參數(shù)以及加固措施進(jìn)行了分析，重點(diǎn)討論了泥水盾構(gòu)的選型、盾構(gòu)始發(fā)、曲線接收等問題；楊有詩[4]以南京長江隧道右線穿越長江大堤為例，對超大直徑泥水盾構(gòu)下穿長江大堤的施工技術(shù)和施工控制措施進(jìn)行了總結(jié)；袁大軍等[5]以南京長江隧道始發(fā)試驗(yàn)段為例，對超大直徑泥水盾構(gòu)在下穿施工各階段對土體的擾動(dòng)機(jī)制、影響范圍以及影響程度進(jìn)行了分析；郭信君等[6]以南京長江隧道為例，研究了大直徑泥水盾構(gòu)在水壓高達(dá)0.65 MPa的高滲透性砂礫地層中的施工，系統(tǒng)地總結(jié)了帶壓開倉等關(guān)鍵技術(shù)；何國軍[7]以上海軍工路越江隧道工程為例，從切口壓力、泥水指標(biāo)控制、同步注漿等方面探討了超大直徑泥水盾構(gòu)施工地表沉降的控制技術(shù)。李承輝等[8]研究了泥水盾構(gòu)下穿黃河的參數(shù)控制，以及高水壓粗粒徑砂卵石地層中盾構(gòu)機(jī)的選型。寧寅等[9]建立了已有隧道的三維非線性數(shù)值模型，分析了泥水盾構(gòu)施工對周圍土體及已有隧道的影響,得到了已有隧道的位移和應(yīng)力的變化規(guī)律。謝文斌等[10]對隧道下穿江南防洪大堤期間及后續(xù)階段大堤的沉降進(jìn)行了長期觀測，從沉降發(fā)展歷程、施工各階段沉降量所占比例、大堤的沉降槽特征等3個(gè)方面進(jìn)行了分析。

本文針對盾構(gòu)隧道下穿海河過程中上覆土層的沉降進(jìn)行數(shù)值分析，并與監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，探究加固措施對于上覆土層沉降的影響。

1 工程概況

天津地下直徑線全長約5.005 km，其中隧道長3.312 km。作為天津市第一條地下鐵路隧道工程，天津地下直徑線采用泥水加壓平衡盾構(gòu)(膨潤土-氣墊式泥水盾構(gòu))施工，盾構(gòu)外徑11.97 m，隧道外徑11.6 m，內(nèi)徑10.6 m。

盾構(gòu)隧道斜交下穿海河段的里程范圍為DK3+415—DK3+580，全長165 m，位于獅子林橋的下游，線路縱坡為面向天津站23‰的上坡，隧道頂高程為-20.487～-16.692 m，洞頂最小覆土厚度約8.4 m(其中淤泥層厚約5.0 m)。盾構(gòu)隧道與海河關(guān)系如圖1所示。

圖1 盾構(gòu)隧道下穿海河剖面示意(單位：m)

天津地下直徑線盾構(gòu)隧道在獅子林橋下游約35 m 處斜穿海河，隧道最小覆土厚度8.4 m，不足1倍洞徑，河底以下5 m左右為淤泥質(zhì)土，淤泥質(zhì)土具有高靈敏度、低強(qiáng)度，極易發(fā)生擾動(dòng)，且擾動(dòng)后土體變形時(shí)間長。

2 盾構(gòu)隧道下穿海河過程數(shù)據(jù)模擬

2.1 模型的建立及參數(shù)的取值

采用MIDAS有限元分析軟件進(jìn)行數(shù)值模擬。建立的模型如圖2所示，y軸為隧道軸線方向，z軸為深度方向，x軸為寬度方向，模型尺寸為162 m(y軸)×70 m(z軸)×80 m(x軸)。各層參數(shù)的取值見表1。

圖2 數(shù)值分析模型

類型重度/(kN/m3)彈性模量/MPa泊松比黏聚力/kPa內(nèi)摩擦角/(°)粉土19.1120.2619.219.4粉質(zhì)黏土19.5200.3231.518.6黏土19.8200.3344.816.5襯砌管片25.035 0000.17注漿等代層18.02 5700.40盾殼78.5206 0000.30

選取覆土層最淺位置(8.4 m)為監(jiān)測斷面，記為DM1。研究加固前后盾構(gòu)隧道穿越過程中DM1沉降變化規(guī)律。

2.2 模擬結(jié)果與分析

2.2.1 河底加固前

DM1處隧道上覆土層沉降云圖見圖3 ?？梢钥闯觯汗绊斕幊两底畲螅渲禐?0.34 mm。拱底處出現(xiàn)隆起，隆起量為22.92 mm。這是因?yàn)槎軜?gòu)掘進(jìn)造成拱頂上方地層損失，導(dǎo)致了拱底沉降。開挖土體卸荷后造成了地層間的應(yīng)力重分布，導(dǎo)致拱底土體回彈，產(chǎn)生了隆起。

圖3 DM1處隧道上覆土層沉降云圖(單位：m)

圖4 DM1處隧道上覆土層豎向位移沿橫向分布曲線

DM1處隧道上覆土層豎向位移沿橫向分布曲線見圖4?？梢钥闯觯孩偎淼郎细餐翆迂Q向位移沿橫向近似呈正態(tài)分布，沉降最大值出現(xiàn)在隧道中心線，位移曲線局部曲率的變化與斷面和盾構(gòu)的相對位置有關(guān)；②當(dāng)盾構(gòu)刀盤距斷面18 m時(shí)產(chǎn)生了地表隆起，隆起最大值約3 mm；當(dāng)盾構(gòu)刀盤到達(dá)斷面時(shí)，斷面最大沉降達(dá)到17 mm；當(dāng)盾尾脫出時(shí)斷面最大沉降為27 mm；③沉降橫向影響范圍約30 m，沉降最終穩(wěn)定在40 mm。

DM1處隧道上覆土層豎向位移沿縱向分布曲線見圖5。可以看出：由于盾構(gòu)的頂推作用，從第11步開始上覆土層會(huì)發(fā)生一定程度的隆起；從第15步(盾構(gòu)刀盤到達(dá)斷面時(shí))開始上覆土層明顯沉降。當(dāng)開挖到第39步(盾尾脫出時(shí))土體進(jìn)入后期固結(jié)沉降階段，沉降速率明顯減小。

圖5 DM1處隧道上覆土層豎向位移沿縱向分布曲線

2.2.2 河底加固后

1)加固方案

對海河河底上覆土層采用φ50PE袖閥管注漿加固，管上開φ6 mm孔，外套單向閥。管長10～15 m。根據(jù)淤泥層注漿擴(kuò)散范圍，注漿管平面布置間距1.2 m。分2次注漿，第1次注漿采用水泥-水玻璃雙液漿，第2次注漿采用超細(xì)水泥漿。雙液漿體積比1∶1，超細(xì)水泥漿水灰比1∶1，引孔深度17.5 m。采用等代層的方式對注漿進(jìn)行數(shù)值分析，并與加固前上覆土層沉降規(guī)律進(jìn)行對比。

2)河底加固前后沉降規(guī)律對比

河底加固前后DM1處隧道上覆土層沉降沿橫向分布曲線對比見圖6?？梢钥闯觯杭庸毯笏淼莱两笛貦M向分布曲線與加固前基本一致，兩者均近似呈正態(tài)分布，隧道中心線處沉降最大；加固前隧道中心線處最大沉降達(dá)到40 mm，加固后最大沉降控制在20 mm以內(nèi)，加固效果明顯。

圖6 河底加固前后DM1處隧道上覆土層沉降沿橫向分布曲線對比

河底加固前后DM1處隧道上覆土層豎向位移沿縱向分布曲線對比見7?？梢钥闯觯杭庸糖昂笊细餐翆迂Q向位移沿縱向的整體分布規(guī)律一致，均可分為盾構(gòu)接近、盾構(gòu)下穿和盾構(gòu)離開3個(gè)階段；沉降最大值加固前約40 mm，加固后為20 mm，加固效果明顯。

圖7 河底加固前后DM1處隧道上覆土層豎向位移沿縱向分布曲線對比

3 現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

盾構(gòu)隧道穿越海河過程中在距河底距離最近的斷面(DM1)進(jìn)行了監(jiān)測，垂直于隧道中心線方向按2 m間距在河底布設(shè)11個(gè)測點(diǎn)。在盾構(gòu)隧道穿越海河河底完畢后，沉降穩(wěn)定后讀取監(jiān)測數(shù)據(jù)，繪制DM1處隧道上覆土層沉降沿橫向分布實(shí)測曲線，見圖8。

圖8 DM1處隧道上覆土層沉降沿橫向分布實(shí)測曲線

由圖8可以看出：沿橫向?qū)崪y沉降曲線呈正態(tài)分布，與數(shù)值模擬分析結(jié)果一致。加固后隧道上覆土層沉降實(shí)測最大值為10 mm，小于數(shù)值模擬最大值20 mm。這是因?yàn)閿?shù)值模擬注漿加固過程中采用的是等代層的方法，存在一定的局限性，不能真實(shí)地反映注漿加固的效果。因此需要實(shí)際監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行修正。

4 結(jié)論

1)盾構(gòu)隧道下穿海河過程中，隧道上覆土層的沉降沿橫向近似呈正態(tài)分布，盾構(gòu)施工橫向影響范圍為30 m。隧道上覆土層的沉降沿縱向的分布曲線可分為盾構(gòu)接近、盾構(gòu)下穿和盾構(gòu)離開3個(gè)施工階段。

2)河底加固可以有效控制上覆土層的沉降，數(shù)值模擬加固前最大沉降為40 mm，加固后最大沉降為20 mm，即采取注漿加固措施可以減小50%的上覆土層沉降。經(jīng)工程實(shí)施該注漿加固措施可行，加固后實(shí)測最大沉降為10 mm。