董 禮

(中鐵二十局集團(tuán)有限公司 陜西西安 710016）

1 引言

隨著我國城市化進(jìn)程的加速推進(jìn)，以盾構(gòu)為代表的機(jī)械化施工在地鐵、綜合管廊等隧道工程中應(yīng)用越來越多，在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，不可避免地要下穿纜線、管道及建筑物等，為了確保地下管線和地面建筑安全，需要對地層做預(yù)加固處理，并優(yōu)化盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)，控制沉降。

目前，國內(nèi)外對盾構(gòu)掘進(jìn)過程影響研究主要集中在兩個(gè)方面:一方面是掘進(jìn)過程中對周圍管線、道路及建筑物的變形破壞影響及控制，在盾構(gòu)施工前對區(qū)域地層進(jìn)行預(yù)加固處理，以保證其安全，并在加固方法上進(jìn)行了大量研究[1-4]；另一方面是掘進(jìn)過程中對盾構(gòu)周圍土體變形機(jī)制研究，主要包括正常掘進(jìn)直線段、特殊地質(zhì)條件掘進(jìn)段、曲線掘進(jìn)段、小半徑曲率掘進(jìn)段等。姜忻良等人[5-8]通過對盾構(gòu)掘進(jìn)過程的監(jiān)控量測，研究了土體沉降和水平變形的規(guī)律；徐永福等[9]對直線段隧道盾構(gòu)掘進(jìn)過程中周邊土體的土壓力進(jìn)行監(jiān)測，根據(jù)土體應(yīng)力狀態(tài)變化分析了土體的擾動程度。蔣洪勝和侯學(xué)淵[10]通過對直線段隧道盾構(gòu)掘進(jìn)穿越地下污水管道過程中周邊土體位移進(jìn)行監(jiān)測，分析了盾構(gòu)穿越交疊隧道過程中對周邊土體的擾動規(guī)律。對小曲率半徑轉(zhuǎn)彎盾構(gòu)隧道的研究，徐輝等人[11-12]從盾構(gòu)機(jī)機(jī)械特性角度介紹如何實(shí)現(xiàn)和控制小曲率半徑轉(zhuǎn)彎。從以上研究中不難發(fā)現(xiàn)，目前研究方向主要集中在盾構(gòu)直線段、曲線段及小曲線半徑掘進(jìn)過程對擾動的位移、孔隙水壓力及加固后的建筑物變形監(jiān)測，注漿加固后建筑物變形歸根到底還是由于掘進(jìn)過程中對土體擾動引起的，同時(shí)對于預(yù)注漿加固后的建筑群，盾構(gòu)機(jī)在小曲率半徑掘進(jìn)過程中對土層的擾動情況存在空白，因此對該問題進(jìn)行研究是十分必要的，對于類似工程盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)速度及土倉壓力調(diào)整具有指導(dǎo)意義。

本文以石家莊地鐵三號線水上公園站-柏林莊站區(qū)間350 m半徑小曲率轉(zhuǎn)彎下穿預(yù)注漿加固建筑物為例，通過監(jiān)測盾構(gòu)機(jī)轉(zhuǎn)彎過程中土體的分層豎向變形及水平位移數(shù)據(jù)，研究其規(guī)律及特點(diǎn)，同時(shí)對比直線段及曲線段特征規(guī)律，提出該條件下土體變形特征，為該工況下掘進(jìn)施工提供技術(shù)支撐。

2 工程概況

2.1 區(qū)間概況

石家莊地鐵三號線水上公園-柏林莊站區(qū)間位于聯(lián)盟西路下，呈東西走向，后右轉(zhuǎn)彎至中華北大街路下，呈南北走向，采用盾構(gòu)法施工。區(qū)間隧道起點(diǎn)里程為左/右DK1+852.6～DK3+253.3，區(qū)間右線全長1 400.7 m，左線全長1 426.4 m(含長鏈25.7 m）。線路縱斷面呈V字形坡，線路最大縱坡為25‰上坡，最小曲率半徑為250 m，管片外徑為5 m，隧道頂板埋深為10.3～17.3 m。區(qū)間穿越地層約80%為砂層(細(xì)砂，中粗砂，含卵中粗砂），工程地質(zhì)較差。隧道上方建筑物密布，多為磚混結(jié)構(gòu)，條形或自然基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)和安全評估要求建筑物變形控制標(biāo)準(zhǔn)為:地表沉降速率≤1 mm/d，累計(jì)沉降≤20 mm，建筑物局部傾斜≤0.002?？紤]確保盾構(gòu)準(zhǔn)確掘進(jìn)，實(shí)現(xiàn)沉降控制確保建構(gòu)筑物安全，采取地表注漿加固后穿越，監(jiān)測斷面位于高柱小區(qū)65號樓上行線，如圖1所示。

圖1 線路平面示意

2.2 建筑物地表注漿加固

注漿加固采用袖閥管注漿工法，袖閥管注漿工法是在內(nèi)壓力的作用下，將包裹在PVC外的橡膠圈脹開和套殼料擠碎。當(dāng)壓力逐漸增大到一定程度，被加壓的漿液就會沿著地層結(jié)構(gòu)產(chǎn)生充填、滲透、壓密、劈裂流動，此時(shí)由于供漿量小于進(jìn)入量，壓力會自動恢復(fù)到平衡狀態(tài)，續(xù)后的漿液在壓力作用下，使得劈裂裂縫不斷向外延伸，漿液在土體中形成固結(jié)體，從而達(dá)到增加地層強(qiáng)度，降低地層滲透性的目的。

本工程加固區(qū)主要為黃土狀粉質(zhì)黏土和粉細(xì)砂，硬塑，弱透水及中等透水，具體參數(shù)見表1。

表1 高柱小區(qū)地下土層力學(xué)指標(biāo)

主要通過滲透和劈裂方式加固土體。由于漿液在黃土中流動困難，因此漿液膠凝時(shí)間、注漿壓力取大值，注漿速度取小值。擴(kuò)散半徑:擴(kuò)散半徑指漿液能符合設(shè)計(jì)要求的擴(kuò)散距離，跟注漿壓力、地層及漿液滲透系數(shù)、注漿時(shí)間、水灰比、漿液材料粒徑等相關(guān)，施工中按經(jīng)驗(yàn)值選取。一般粉細(xì)砂層0.5～0.8 m，本工程通過試驗(yàn)確定擴(kuò)散半徑選0.5 m。排孔布置，注漿孔位以1.414 m×1 m，梅花形布置，如圖2所示。

圖2 注漿排孔布置（單位：cm）

膠凝時(shí)間:根據(jù)設(shè)計(jì)說明，采用42.5普通硅酸鹽水泥單液漿，水灰比0.45∶1～0.55∶1，根據(jù)注入性，初凝時(shí)間取6～8 h。注漿速度:根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，黃土狀粉質(zhì)黏土層注漿速度取20～40 L/min，砂層取40～60 L/min。本段的注漿孔總計(jì)為108個(gè)，注漿孔深為17.9 m，注漿量705.3 m3，剖面如圖3所示。

圖3 高柱小區(qū)64號樓注漿加固剖面

3 監(jiān)測方案及分析

3.1 測點(diǎn)方案

本次監(jiān)測主要監(jiān)測各層土體豎向位移、外側(cè)水平位移及內(nèi)側(cè)水平位移，布設(shè)如圖4所示，豎向位移采用單點(diǎn)位移計(jì)進(jìn)行布設(shè)，豎向每個(gè)3 m布設(shè)一個(gè)，水平間距為2 m，測量精度為0.01 mm，內(nèi)、外水平位移采用測斜儀，測量精度為0.1 m，分別設(shè)在盾構(gòu)兩側(cè)外1 m處。

3.2 盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)參數(shù)

本工程選用中鐵建重工ZT6250土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，采用輻板式刀盤，刀盤開口率和刀盤強(qiáng)度通過試驗(yàn)調(diào)整了均衡參數(shù)，刀盤刀具配置、耐磨設(shè)計(jì)等按照滿足一次通過1.4 km密實(shí)砂層及小曲率半徑不換刀的要求設(shè)計(jì)。通過小半徑曲線時(shí)，中間及尾部鉸接形式為被動鉸接，鉸接油缸規(guī)格180/80 mm，鉸接最大收縮力為1 000 t，鉸接最大轉(zhuǎn)向角度1.3°，在使用1 500 mm管片時(shí)盾構(gòu)最小轉(zhuǎn)彎半徑250 m。為了防止在刀盤內(nèi)形成土拱，針對砂層自立性差及改良相對困難的特點(diǎn)，配置了膨潤土系統(tǒng)，膨潤土系統(tǒng)配置兩臺擠壓泵，最大注入流量10 m3/h，土倉壓力為5 MN，推進(jìn)速度為4.0 m/h。

圖4 監(jiān)測平面布置（單位：m）

3.3 預(yù)注漿段掘進(jìn)監(jiān)測分析

3.3.1 土體豎向分層位移

盾構(gòu)掘進(jìn)過程中主要分為5個(gè)階段，即刀盤預(yù)到達(dá)階段、通過階段、管片閉合階段、注漿加固階段及二次補(bǔ)注漿階段。預(yù)到達(dá)階段:刀盤壓力較小時(shí)，土體會產(chǎn)生沉降，壓力較大時(shí)會產(chǎn)生上拱。通過階段靠盾殼支撐土體較為穩(wěn)定。管片閉合階段，由于管片與土體存在空隙，多數(shù)會存在沉降。注漿加固及二次補(bǔ)注漿階段填充管片與土體間空隙，加固土體。

盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，隧道縱斷面土體變形如圖5所示，縱軸正值代表沉降，負(fù)值代表上拱，橫軸代表刀盤與監(jiān)測斷面位置關(guān)系，負(fù)值代表未到達(dá)監(jiān)測斷面，正值代表經(jīng)過監(jiān)測斷面。

圖5 盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程中各層土體分層變形值

第一階段豎向變形不明顯，上下波動在1～2 mm，主要原因是掘進(jìn)還未對土體造成實(shí)際擾動，該階段位于盾構(gòu)監(jiān)測斷面之前，引起沉降是由地下水位沉降和開挖面過量取土引起的；第二階段盾構(gòu)快要通過該斷面，由于土壓控制不足，土體變形引起沉降或隆起；第三階段由土體沉降轉(zhuǎn)變?yōu)樯瞎?，較小且沉降逐漸收斂，這與未加固土體產(chǎn)生較大沉降相比，原因主要是土體一側(cè)進(jìn)行了注漿加固時(shí)水泥漿液在土體中通過滲透進(jìn)入了未加固土體；第四階段上拱持續(xù)發(fā)生且不收斂，達(dá)到20 mm；第五階段主要有上拱轉(zhuǎn)變?yōu)槌两底冃?，開始趨于穩(wěn)定且收斂。

3.3.2 土體水平位移監(jiān)測

盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程經(jīng)過監(jiān)測斷面時(shí)土體水平位移如圖6、圖7所示，其中圖6位移為建筑物地基加固側(cè)(外側(cè)）水平位移，距隧道軸線距離為4 m，圖7為隧道內(nèi)側(cè)水平位移，距隧道軸線距離為4 m，位移向管道外側(cè)為正，向內(nèi)側(cè)為負(fù)。

圖6 盾構(gòu)外側(cè)土體水平位移

圖7 盾構(gòu)內(nèi)側(cè)土體水平位移

(1）盾構(gòu)外側(cè)土體水平位移

由圖6可知，土體水平位移普遍存在上拱現(xiàn)象，盾構(gòu)過程對上部土體擾動現(xiàn)象明顯大于側(cè)向，由于部分土體進(jìn)行了預(yù)加固注漿，土體變形較為平緩，這與小曲率半徑掘進(jìn)土體擾動情況有所不同，監(jiān)測斷面土體變形主要分為5個(gè)階段:第一階段，盾構(gòu)機(jī)尚未到達(dá)，隧道上部機(jī)側(cè)向變形較小，無明顯擠土現(xiàn)象；第二階段，變形逐漸變大，管片側(cè)向較為明顯，最大變形2.4 mm，變形不穩(wěn)定且不收斂；第三階段，變形持續(xù)變大，最大變形3.9 mm，中后期變形開始收斂，變形收斂過程由盾構(gòu)機(jī)側(cè)面向上部逐漸發(fā)展；第四、五階段，變形略有回縮，但是變形量很小，因該階段主要進(jìn)行管道拼裝，對土體無明顯擾動。隧道轉(zhuǎn)彎時(shí)外側(cè)管片下側(cè)土體出現(xiàn)較小的位移，管片土體由近到遠(yuǎn)上拱量依次減小，水平位移情況出現(xiàn)與之前研究直線段及曲線段土體擾動情況不同，主要是由于注漿原因引起的變化，管片側(cè)向土體強(qiáng)度大于上部土體強(qiáng)度，故產(chǎn)生了一定的上拱變形。

(2）盾構(gòu)內(nèi)側(cè)土體水平位移

由圖7可知，與外側(cè)土體擾動情況不同，隧道上部土體明顯小于側(cè)向土體，各層土體擾動向外位移，位移較為均勻，盾構(gòu)機(jī)通過監(jiān)測段面各階段情況如下:第一階段，變形量較??；第二階段，位移向外持續(xù)發(fā)生，盾構(gòu)機(jī)側(cè)向土體變形最大為2.5 mm，上部土體變形明顯大于下部土體；第三階段，中后期變形開始收斂，最大值為2.7 mm，第四、五階段，變形略有震蕩，主要是由于安裝管片、注漿及二次補(bǔ)注漿引起。

4 結(jié)論

本文通過對盾構(gòu)機(jī)以小曲率半徑穿越注漿加固建筑物的土體進(jìn)行監(jiān)測，得到如下結(jié)論:

(1）隧道上方土體受外側(cè)建筑預(yù)加固及小曲率轉(zhuǎn)彎雙重影響，豎向變形在直線段及曲線段存在明顯差異，以往盾構(gòu)多是以控制沉降為主，而該工況下存在上拱，最大上拱量為40 mm，建議在該工況下減小刀盤土壓，降低速度。

(2）盾構(gòu)外側(cè)土體水平位移主要發(fā)生在盾構(gòu)上部土體，受預(yù)加固地基影響，下部無明顯變形，因此上部及下部位移不協(xié)調(diào)，上部最大位移3.9 m，下部最大位移1.5 m，這與以往是截然不同的。盾構(gòu)內(nèi)側(cè)土體水平位移主要發(fā)生在管片周圍，出現(xiàn)兩頭小中間大的趨勢，最大位移量為2.7 mm。

(3）盾構(gòu)掘進(jìn)對地下管線及地面建筑的影響，其本質(zhì)是土層受到擾動的結(jié)果，本次研究可以得出在小曲率半徑穿越預(yù)加固建筑物時(shí)，水平位移不大，豎向向上位移較大，而且很容易引起地面上拱，因此施工中要引起注意。