鞏立青

(中鐵三局集團(tuán)天津建設(shè)工程有限公司，天津 300350)

0 引言

盾構(gòu)法由于具有施工速度快、安全、質(zhì)量好、對(duì)周圍環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越多地在城市地鐵隧道施工中得到應(yīng)用。 在不同的地質(zhì)環(huán)境中，盾構(gòu)施工的風(fēng)險(xiǎn)性各有不同，盾構(gòu)施工參數(shù)需要根據(jù)不同的環(huán)境進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。 在盾構(gòu)施工周邊環(huán)境中，高危建筑、深大河流和地下管線的變形沉降控制變得更加重要。 肖明等[1]用三維數(shù)值分析方法探討了盾構(gòu)隧道下穿昆明機(jī)場(chǎng)飛行跑道引起的沉陷問(wèn)題，該場(chǎng)地盾構(gòu)穿越地層為粘土和粉土，埋深12 ～21m。 張?jiān)频萚2]用經(jīng)驗(yàn)公式法分析了盾構(gòu)隧道引起的地表變形分布規(guī)律，在概述引起地表變形原因的基礎(chǔ)上，將盾尾空隙大小、注漿充填程度、隧道壁面土體受擾動(dòng)程度及范圍等因素概化為—均質(zhì)、等厚的等代層，以此分析地表變形對(duì)等代層參數(shù)的敏感性。 張若霖等[3]結(jié)合上海電工橋綜合交通樞紐工程中，隧道下穿機(jī)場(chǎng)跑道引起地表沉降控制的實(shí)際需求，探討了隧道埋深、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、接縫防水、變形控制等關(guān)鍵問(wèn)題。段劍峰等[4]針對(duì)上海軌道交通10 號(hào)線盾構(gòu)穿越虹橋機(jī)場(chǎng)跑道問(wèn)題用數(shù)值分析法探討了軟土地層盾構(gòu)施工過(guò)程引起的地表沉降，提出了減少地層擾動(dòng)影響的措施。 由于地層土壤、隧道埋深、盾構(gòu)直徑等因素的改變會(huì)對(duì)地表沉降產(chǎn)生很大影響，為更好地控制地表沉降提供豐富的施工案例，本文以天津地鐵4 號(hào)線民航大學(xué)站-新興村站盾構(gòu)區(qū)間為背景，針對(duì)下穿航油管線和高速公路為重點(diǎn)，通過(guò)試驗(yàn)段施工、管片施工控制、盾構(gòu)機(jī)參數(shù)控制、注漿等工藝，摸索了地層沉降控制經(jīng)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了盾構(gòu)機(jī)順利通過(guò)航油管和高速公路等建構(gòu)物。

1 基本信息

1.1 工程概況

民航大學(xué)站-新興村站(簡(jiǎn)稱民-新)盾構(gòu)左線區(qū)間長(zhǎng)1783.5m，右線區(qū)間長(zhǎng)1708.9m。 區(qū)間盾構(gòu)施工線路位置如圖1 所示。 民-新區(qū)間先后側(cè)穿藍(lán)海苑泵站、民航大學(xué)雨污水泵站、民航大學(xué)天橋以及下穿航油管、津?yàn)I高速公路收費(fèi)站(圖2，圖3)、地下管廊、津?yàn)I高速公路、熱水管及一般市政地下管線等。

1.2 隧道襯砌設(shè)計(jì)

區(qū)間隧道襯砌由外徑6.2m、內(nèi)徑5.5m、厚度0.35m，環(huán)寬1.5m 和1.2m 的預(yù)制鋼筋混凝土管片裝配而成，管片混凝土強(qiáng)度等級(jí)C50、抗?jié)B等級(jí)P10。 襯砌接縫防水采用彈性橡膠密封墊。 管片塊型包括封頂塊F，鄰接塊L 和標(biāo)準(zhǔn)塊B。 為適應(yīng)圓曲線段、緩和曲線段以及施工糾偏等需要，采用標(biāo)準(zhǔn)環(huán)管片，對(duì)不同的緩和曲線、圓曲線段均以經(jīng)計(jì)算優(yōu)選的最佳襯砌布置方案擬合(一般擬合誤差≤10mm，局部≤20mm)。 環(huán)縱縫均采用M36高強(qiáng)彎螺栓連接，螺栓的機(jī)械性能等級(jí)為5.8 級(jí)。

圖1 新興村站-民航大學(xué)站區(qū)間平面示意圖Fig.1 Plan of Xinxing village station to Civil Aviation University Station

圖2 盾構(gòu)與下穿高速公路平面關(guān)系Fig.2 Plane diagram of the relationship between shield and underpass expressway

圖3 盾構(gòu)下穿高速公路橫斷面關(guān)系圖Fig.3 Cross section diagram of shield and underpass expressway

1.3 工程地質(zhì)條件

隧道工程場(chǎng)址位于天津市東麗區(qū)，屬海河沖洪積平原，地勢(shì)平坦，第四紀(jì)覆蓋層平均厚度在100m 以上，屬于典型的軟土場(chǎng)地。 隧道穿越的土層結(jié)構(gòu)描述如下。

雜填土:松散，層厚2.0m；

粉質(zhì)粘土:褐色，可塑，稍濕，高壓縮性，層厚3.0m；

淤泥質(zhì)粘土:深褐色，可塑，濕潤(rùn)，高壓縮性，層厚2.0m；

砂質(zhì)粉土:褐黃色，可塑，稍濕，中壓縮性，層厚4.0m；

粉砂和粉質(zhì)粘土:褐黃色，可塑，稍濕，中壓縮性，層厚5.0m。

根據(jù)地基土的巖性分層、相鄰車站現(xiàn)場(chǎng)抽水實(shí)驗(yàn)結(jié)果，場(chǎng)地可劃分為2 個(gè)含水層。

(1)潛水含水層

勘察期間測(cè)得場(chǎng)地地下潛水水位如下。 初見(jiàn)水位埋深1.2 ～3.0m，相當(dāng)于標(biāo)高0.95 ～1.21m。靜止水位埋深0.8 ～2.6m，相當(dāng)于標(biāo)高1.10 ～1.87m。 本場(chǎng)區(qū)潛水水位一般年變幅在0.50～1.00m。

(2)承壓含水層

該層為第Ⅱ陸相河床-河漫灘相沖擊層，其中砂質(zhì)粉土層(含粉沙透鏡體)透水性好，為承壓含水層。 以其下透水性較差的粉質(zhì)黏土層作為承壓含水層隔水底板。 該承壓水水頭埋深4.00m，相對(duì)于大沽標(biāo)高-1.50m。

本場(chǎng)地環(huán)境類型按Ⅱ類考慮，在有干濕交替作用時(shí)，本場(chǎng)地承壓水對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)具弱腐蝕性，腐蝕介質(zhì)為硫酸根離子。 按地層滲透性判別:承壓水對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)具微腐蝕性；在長(zhǎng)期浸水條件下，承壓水對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋具微腐蝕性。 本場(chǎng)地承壓水對(duì)鋼結(jié)構(gòu)具有中等腐蝕性。

2 施工過(guò)程盾構(gòu)參數(shù)控制

初始下穿航油管段盾構(gòu)覆土為7.53m，正常固結(jié)土層壓力為15.0kPa。 參考盾構(gòu)始發(fā)后正常推進(jìn)參數(shù)設(shè)置經(jīng)驗(yàn)[5]，土壓力初始設(shè)定為6.3(倍)×15.0kPa ＝95kPa ＝0.95bar，推進(jìn)速度設(shè)定為40mm/min。 土量控制為理論值的98%，刀盤轉(zhuǎn)速設(shè)定為1.0r/min，同步注漿量控制為4.5m3，注漿壓力0.3MPa；初始下穿津?yàn)I高速段盾構(gòu)覆土為11.1m，土壓力初始設(shè)定為1.09bar，推進(jìn)速度設(shè)定為40mm/min，出土量設(shè)定為理論值的98%，刀盤轉(zhuǎn)速設(shè)定為1.0r/min，同步注漿量控制為5.0 立方米，注漿壓力0.3MPa。

3 關(guān)鍵地段施工過(guò)程地表變形監(jiān)控

3.1 下穿航油管監(jiān)測(cè)情況

下穿航油管段依照?qǐng)D1 所示地鐵線路走向圖，在線路中線地表投影線上均勻地布設(shè)了7 處地表變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)。 監(jiān)測(cè)點(diǎn)自穿越前至穿越后一段時(shí)間的地表沉降隨日期變化如圖4 所示。 穿越前，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)受刀盤土壓影響均有小幅度隆起；穿越之后，襯砌管片脫出盾尾，隨著盾尾同步注漿填充，地表出現(xiàn)沉降趨勢(shì)，但總體沉降不明顯；同步注漿漿液凝固后，開(kāi)始出現(xiàn)較大速率的沉降，此時(shí)現(xiàn)場(chǎng)二次注雙液漿進(jìn)行再次填充，隨著少量多次注漿后，沉降趨勢(shì)逐漸平穩(wěn)，最大沉降值小于10mm。

圖4 下穿航油管段地表變形監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig.4 Surface deformation monitoring results of underpass navigation oil pipe

3.2 下穿高速公路監(jiān)測(cè)情況

下穿高速公路段根據(jù)施工前專家論證會(huì)通過(guò)的專項(xiàng)方案，在線路中線地表投影線上均勻布設(shè)5 處地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)，采用粘貼反射片及油漆做出明顯標(biāo)示。 根據(jù)道路實(shí)際情況，對(duì)測(cè)點(diǎn)間距進(jìn)行了適當(dāng)調(diào)整，盡量使測(cè)點(diǎn)位于分道線或中分帶等區(qū)域，避免車輛碾壓損壞。 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)自穿越前至穿越后沉降隨日期變化如圖5 所示。 開(kāi)始有4mm 以內(nèi)的隆升，之后出現(xiàn)10mm以內(nèi)的沉降。

圖5 下穿高速公路段地表變形監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig.5 Surface deformation monitoring results of underpass expressway

3.3 地表變形監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

穿越前，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)受刀盤土壓影響均有小幅度隆起；穿越后，襯砌管片脫出盾尾，盾尾同步注漿強(qiáng)度無(wú)法快速上升，圍巖出現(xiàn)松弛，地表初現(xiàn)沉降趨勢(shì)，但總體沉降不明顯。 同步注漿漿液凝固后，圍巖出現(xiàn)被加固與原狀的分層，層間由于重力作用而擠密，地表開(kāi)始出現(xiàn)較大速率的沉降，此時(shí)現(xiàn)場(chǎng)二次注雙液漿進(jìn)行再次填充。 隨著長(zhǎng)期跟進(jìn)少量多次注漿后，沉降趨勢(shì)逐漸趨于平穩(wěn)。 最大隆升量不大于4mm，最大沉降量不大于10mm。

4 主要施工控制措施

(1)控制盾構(gòu)姿態(tài)，減少對(duì)航油管和高速公路的沉降影響。

在盾構(gòu)機(jī)進(jìn)入影響區(qū)之前，盡量將盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)調(diào)整至最佳，嚴(yán)禁超量糾偏，蛇行擺動(dòng)[8]。盾構(gòu)機(jī)前后端和設(shè)計(jì)軸線偏差控制在30mm 以內(nèi)，避免盾構(gòu)機(jī)頻繁或大幅度調(diào)整姿態(tài)。 在高速公路下糾偏坡度控制在±1‰之內(nèi)，一次糾偏量不超過(guò)4mm，確保盾構(gòu)機(jī)的平穩(wěn)推進(jìn)。

在穿越期間加強(qiáng)盾構(gòu)姿態(tài)的測(cè)量，勤測(cè)勤糾，杜絕過(guò)大糾偏，同時(shí)關(guān)閉超挖刀。 穿越時(shí)嚴(yán)格控制盾構(gòu)正面土壓力。

(2)對(duì)開(kāi)挖面土體進(jìn)行改良，降低對(duì)土層的擾動(dòng)。

開(kāi)挖面擾動(dòng)過(guò)大，可能會(huì)對(duì)路基及路面結(jié)構(gòu)造成過(guò)大沉降量，或出現(xiàn)裂縫等風(fēng)險(xiǎn)。 為減小對(duì)開(kāi)挖面的土體擾動(dòng)，對(duì)開(kāi)挖面土體進(jìn)行改良，在盾構(gòu)的刀盤正面壓注泡沫或膨潤(rùn)土來(lái)改善開(kāi)挖面土體的和易性，從而降低刀盤扭矩，減小地層擾動(dòng)保證盾構(gòu)穿越時(shí)有均衡的推進(jìn)速度。

同時(shí)改良土倉(cāng)內(nèi)的土體，有助于螺旋機(jī)順利出土。 加泡沫或膨潤(rùn)土?xí)r嚴(yán)格控制注入量和壓力，避免土體在過(guò)多的泡沫或膨潤(rùn)土量和較高的壓力下形成定向貫通的介質(zhì)裂縫，造成滲水通道，嚴(yán)重影響到隧道的安全狀況和土層穩(wěn)定性。

(3)減少超、欠挖，防止地面的沉降或隆起。

盾構(gòu)穿越過(guò)程中，由于覆土厚度隨著掘進(jìn)里程不斷變化，故而需要及時(shí)的調(diào)整施工參數(shù)，并嚴(yán)格控制各項(xiàng)掘進(jìn)參數(shù)(同時(shí)觀測(cè)各項(xiàng)掘進(jìn)參數(shù)是否有異常變化)。 推進(jìn)速度控制在30～40mm/min(保持勻速、快速)；土倉(cāng)壓力變化值范圍不超過(guò)0.2bar；刀盤扭矩不超過(guò)2000kN·m；出土量不超過(guò)設(shè)計(jì)值98%，可適量欠挖。

(4)做好二次注漿，確保被擾動(dòng)地層沉降的長(zhǎng)期穩(wěn)定。

及時(shí)跟進(jìn)二次注漿(一般為盾尾后5 ～8 節(jié)管片)，二次注漿采用雙液漿，多次少量方式，注漿壓力控制在0.3～0.4MPa。 如發(fā)現(xiàn)地層含水量加大，每隔5 ～7 節(jié)增加環(huán)箍注漿以封堵后方地下水。

5 結(jié)論

下穿航油管及高速公路的盾構(gòu)施工實(shí)踐表明，在富水軟弱地層，穿越對(duì)沉降變形要求較高的地段時(shí)，需要對(duì)盾構(gòu)機(jī)的各項(xiàng)控制措施嚴(yán)格把控，精準(zhǔn)控制推進(jìn)各項(xiàng)參數(shù)，并及時(shí)根據(jù)沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果，進(jìn)行合理微調(diào)，完全可以實(shí)現(xiàn)沉降控制目標(biāo)，降低施工風(fēng)險(xiǎn)。 另外，穿越施工時(shí)，靈活合理運(yùn)用二次注漿，可有效降低軟弱地層被擾動(dòng)后的長(zhǎng)期變化。