柴東然

北京市首發(fā)高速公路建設(shè)管理有限責(zé)任公司 100166

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目概況

北京東六環(huán)（京哈高速～潞苑北大街）改造工程全線分為直接加寬段和入地改造段。路線全長(zhǎng)約16km，其中路基加寬段長(zhǎng)約6.8km，隧道段長(zhǎng)約9.2km（其中明挖段長(zhǎng)約1.8km，盾構(gòu)段長(zhǎng)約7.4km）。全線設(shè)置互通立交4 座，加寬橋梁9座，橋隧比59.92%，見圖1。

圖1 工程總體平面圖Fig.1 Project general plan

盾構(gòu)隧道分為東西線由北向南掘進(jìn)，自京榆舊線北側(cè)始發(fā)井，穿越4769m后到達(dá)中間井，經(jīng)二次始發(fā)穿越2567m 后到達(dá)萬(wàn)盛南街南側(cè)接收井，依次下穿“歡樂(lè)宋”商業(yè)綜合體、京榆舊線、高速公路、運(yùn)潮減河、通胡路、高鐵線路、地鐵等風(fēng)險(xiǎn)源，見圖2。

圖2 隧道縱斷面Fig.2 Tunnel longitudinal section

1.2 工程概述

盾構(gòu)隧道設(shè)計(jì)型式為分離式雙洞，單洞設(shè)置三車道，設(shè)計(jì)時(shí)速80km／h。隧道分為三層：頂層為排煙層、中間層為行車通道、下層為管線及疏散救援通道，見圖3。盾構(gòu)隧道管片外徑15.4m，內(nèi)徑14.1m，厚度0.65m，管片環(huán)寬2m，采用C60 混凝土，抗?jié)B等級(jí)為P12。單襯砌環(huán)由10 塊管片拼裝而成，按“7 ＋2 ＋1”形式分塊，錯(cuò)縫拼裝。單環(huán)管片采用86 根M36 斜螺栓連接，其中環(huán)向螺栓30 根，縱向螺栓56 根。

圖3 隧道結(jié)構(gòu)型式示意Fig.3 Schematic diagram of tuber sheet structure form

1.3 “歡樂(lè)宋”商業(yè)綜合體概況

“歡樂(lè)宋”商業(yè)綜合體為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，無(wú)地下室，建筑總高度9.5m。天然地基、鋼筋混凝土十字條形基礎(chǔ)，基礎(chǔ)外輪廓尺寸約114m（沿線路方向）×111m。以西線為例，距離始發(fā)井僅193m，盾構(gòu)始發(fā)后剛完成試掘進(jìn)段施工就要穿越，無(wú)法滿足單獨(dú)進(jìn)行“歡樂(lè)宋”試驗(yàn)段，為保證順利平穩(wěn)穿越，“歡樂(lè)宋”試驗(yàn)段要結(jié)合試掘進(jìn)段共同進(jìn)行，如圖4 所示。

圖4 商業(yè)綜合體及試驗(yàn)段平面示意Fig.4 Commercial complex and test section plan

1.4 工程地質(zhì)

盾構(gòu)隧道始發(fā)由大里程向小里程方向掘進(jìn)，試驗(yàn)段穿越地質(zhì)主要為粉細(xì)砂、粉土、粉質(zhì)黏土層，見圖5 和表1。

表1 土層特征Tab.1 Soil layer characteristics

圖5 試驗(yàn)段地質(zhì)縱剖面Fig.5 Geological longitudinal section of the test section

2 下穿“歡樂(lè)宋”試驗(yàn)段情況

2.1 試驗(yàn)段選取

為保證盾構(gòu)穿越“歡樂(lè)宋”風(fēng)險(xiǎn)源掘進(jìn)參數(shù)更合理準(zhǔn)確，盾構(gòu)機(jī)始發(fā)出加固區(qū)后，選取地層更類似的非加固區(qū)段（距始發(fā)井22m ～192m）作為試驗(yàn)段，長(zhǎng)度170m，依次穿越出場(chǎng)區(qū)后穿越“歡樂(lè)宋”停車場(chǎng)，停車場(chǎng)下方為處理過(guò)的熱源井群，在到達(dá)“歡樂(lè)宋”分界里程后結(jié)束試驗(yàn)段，場(chǎng)地布置情況見圖6。

圖6 試驗(yàn)段地上情況Fig.6 Avove-ground situation of the test section

2.2 試驗(yàn)段目的

盾構(gòu)掘進(jìn)控制沉降因素有多種，主要包括切口壓力、泥漿指標(biāo)、克泥效注入、同步注漿、二次注漿、徑向注漿等，為充分驗(yàn)證下穿“歡樂(lè)宋”掘進(jìn)參數(shù)及沉降控制措施的合理性、準(zhǔn)確性，結(jié)合盾構(gòu)掘進(jìn)的第一階段（盾構(gòu)到達(dá)前），第二階段（刀盤到達(dá)前），第三階段（盾構(gòu)通過(guò)時(shí)），第四階段（盾構(gòu)通過(guò)后）以及第五階段。對(duì)各階段沉降控制要素進(jìn)行驗(yàn)證，取得盾構(gòu)下穿“歡樂(lè)宋”最合理掘進(jìn)參數(shù)及沉降控制措施。

2.3 試驗(yàn)段設(shè)置

根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康模Y(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工環(huán)境，下穿“歡樂(lè)宋”的試驗(yàn)段需設(shè)置150m，模擬盾構(gòu)機(jī)下穿“歡樂(lè)宋”掘進(jìn)施工，試驗(yàn)段里程為L(zhǎng)ZK13 ＋806 ～LZK13 ＋636，共劃分為3 個(gè)試驗(yàn)單元，試驗(yàn)段1 單元（LZK13 ＋806 ～LZK13 ＋746，11 環(huán)～40 環(huán)）驗(yàn)證克泥效注入配合同步注漿的沉降控制措施是否滿足下穿“歡樂(lè)宋”的沉降要求；試驗(yàn)段2 單元（LZK13 ＋746 ～LZK13 ＋706，41 環(huán)～60環(huán)）驗(yàn)證克泥效注入配合同步注漿及深孔注漿的沉降控制措施是否滿足下穿“歡樂(lè)宋”的沉降要求；試驗(yàn)段3 單元（LZK13 ＋706 ～LZK13 ＋656，61 環(huán)～85 環(huán)）驗(yàn)證克泥效注入配合同步注漿及二次注漿的沉降控制措施是否滿足下穿“歡樂(lè)宋”的沉降要求。通過(guò)3 個(gè)試驗(yàn)單元的沉降控制結(jié)果來(lái)分析確定下穿“歡樂(lè)宋”最合理的控制措施。具體掘進(jìn)參數(shù)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)分段情況如表2 所示。

表2 試驗(yàn)段分段參數(shù)Tab.2 Segment parameters of test section

試驗(yàn)段1 單元（LZK13 ＋806 ～LZK13 ＋746）主要調(diào)整泥漿比重、泥漿粘度、切口壓力、掘進(jìn)速度、刀盤轉(zhuǎn)速等掘進(jìn)參數(shù)來(lái)適應(yīng)地層，同時(shí)采用克泥效、同步注漿配合控制沉降。擬采取掘進(jìn)參數(shù)及沉降控制措施如表3 所示。

試驗(yàn)段2 單元（LZK13 ＋756 ～LZK13 ＋706）根據(jù)地層變化及時(shí)調(diào)整泥漿比重、泥漿粘度、切口壓力、掘進(jìn)速度、刀盤轉(zhuǎn)速等掘進(jìn)參數(shù)，同時(shí)在克泥效、同步注漿及時(shí)有效注入的基礎(chǔ)上增加深孔注漿輔助控制沉降。擬采取掘進(jìn)參數(shù)及沉降控制措施如表3 所示。

試驗(yàn)段3 單元（LZK13 ＋706 ～LZK13 ＋656）根據(jù)地層變化及時(shí)調(diào)整泥漿比重、泥漿粘度、切口壓力、掘進(jìn)速度、刀盤轉(zhuǎn)速等掘進(jìn)參數(shù)匹配，同時(shí)在克泥效、同步注漿及時(shí)有效注入基礎(chǔ)上增加二次注漿輔助控制沉降。擬采取掘進(jìn)參數(shù)及沉降控制措施如表3 所示。

表3 單元沉降控制驗(yàn)證Tab.3 Verification of unit settlement control

3 “歡樂(lè)宋”試驗(yàn)段監(jiān)測(cè)

3.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)

試驗(yàn)段監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)時(shí)，在影響區(qū)域內(nèi)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位按照監(jiān)測(cè)斷面進(jìn)行布設(shè)，地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)共計(jì)36 個(gè)斷面，其中9 個(gè)大斷面（每個(gè)斷面9 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)），27個(gè)小斷面（每個(gè)斷面3 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)），共計(jì)161 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，大斷面間距為20m，小斷面間距為5m。

其線路中線布設(shè)1 個(gè)中心監(jiān)測(cè)點(diǎn)，然后向左右兩側(cè)各延伸6m、10m、18m、28m 處分別布設(shè)1 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)；小斷面為3 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其線路中線布設(shè)1 個(gè)中心監(jiān)測(cè)點(diǎn)，然后向左右兩側(cè)各延伸6m分別布設(shè)1 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。見圖7。

圖7 試驗(yàn)段地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)Fig.7 Surface settlement monitoring points in the test section

3.2 監(jiān)測(cè)頻率

考慮始發(fā)過(guò)程中的不穩(wěn)定性，為保證施工安全，應(yīng)加密監(jiān)測(cè)，同時(shí)考慮到下穿“歡樂(lè)宋”試驗(yàn)段，要結(jié)合盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)里程進(jìn)行針對(duì)性監(jiān)測(cè)，能夠反應(yīng)各沉降階段特征，監(jiān)測(cè)頻率不少于6 次／天。若監(jiān)測(cè)過(guò)程中，出現(xiàn)數(shù)據(jù)異常突變，應(yīng)繼續(xù)增加監(jiān)測(cè)頻率，及時(shí)了解數(shù)據(jù)變化并將數(shù)據(jù)進(jìn)行反饋。

4 試驗(yàn)段措施及沉降分析

盾構(gòu)施工根據(jù)不同階段沉降控制需求在盾殼外部設(shè)置克泥效注入點(diǎn)同步注入克泥效，根據(jù)以往施工經(jīng)驗(yàn)克泥效能很好地控制掘進(jìn)過(guò)程中因盾構(gòu)機(jī)自身的錐度導(dǎo)致的地表沉降，理論建筑空隙4m3／環(huán)。掘進(jìn)過(guò)程中同步注漿系統(tǒng)采用雙液注漿方式，通過(guò)8 個(gè)注漿口注入土體，防止地面沉陷及對(duì)襯砌管片起到握裹、固定作用，施工過(guò)程中采取注漿壓力與注漿量雙控的原則注入，理論建筑空隙28.07m3／環(huán)。另外依據(jù)不同階段沉降控制需求，在管片脫出盾尾5 環(huán)之后開始進(jìn)行深孔徑向注漿（管片背后5m 范圍），防止富水砂層在受到盾構(gòu)掘進(jìn)穿越擾動(dòng)后土體的收斂造成地面沉陷，理論注漿量137m3／環(huán)。

4.1 試驗(yàn)段措施

盾構(gòu)下穿“歡樂(lè)宋”試驗(yàn)段分為3 個(gè)單元，1單元（11 環(huán)～40 環(huán)）除常規(guī)掘進(jìn)參數(shù)控制外，主要增加中盾注克泥效控制沉降，2 單元（41 環(huán)～60 環(huán)）在1 單元的基礎(chǔ)上增加深孔注漿措施，3單元（61 環(huán)～85 環(huán)）在1 單元的基礎(chǔ)上增加二次注漿措施。

4.2 試驗(yàn)段沉降分析

根據(jù)試驗(yàn)段盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中及時(shí)采集地表沉降數(shù)據(jù)，見圖8。根據(jù)沉降數(shù)據(jù)分析調(diào)整不同階段采取的措施，主要驗(yàn)證3 個(gè)試驗(yàn)階段措施的可行性，研究掘進(jìn)參數(shù)及保護(hù)措施與沉降的基本關(guān)系。

圖8 注漿參數(shù)與沉降的關(guān)系Fig.8 Relationship of grouting parameters versus settlement

根據(jù)沉降數(shù)據(jù)表中的數(shù)據(jù)分析，試驗(yàn)段1 單元（11 環(huán)～40 環(huán)）采取中盾注克泥效措施，地表累計(jì)沉降一般控制在8.5mm 左右，試驗(yàn)段2 單元（41 環(huán)～60 環(huán)）采取中盾注克泥效措施和管片壁后徑向深孔注漿措施，地表累計(jì)沉降一般能控制在3mm左右，試驗(yàn)段3 單元（61 環(huán)～85 環(huán)）采取中盾注克泥效措施及二次深孔注漿措施，地表累計(jì)沉降一般能控制在7mm左右。

同步注漿量按照監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)進(jìn)行調(diào)整，通過(guò)前100 環(huán)試驗(yàn)段數(shù)據(jù)及以上圖表分析可以看出，10 環(huán)～20 環(huán)同步注漿量為33m3（充盈系數(shù)為1.15）、克泥效注入量為4.8m3，地表最終沉降能控制在13mm左右，持續(xù)增加同步注漿量至39m3（充盈系數(shù)為1.4）地表最終沉降能控制在11mm左右，持續(xù)增加同步注漿量，注漿壓力開始持續(xù)增加，不適宜再增加；此時(shí)沉降并不能滿足控制指標(biāo)，克泥效注入量偏小，應(yīng)繼續(xù)增加注入量，以達(dá)到繼續(xù)降低沉降的目的。

克泥效同步由盾構(gòu)機(jī)的徑向孔向盾構(gòu)機(jī)的盾體外注入，及時(shí)填充開挖直徑和盾體之間的空隙，根據(jù)10 環(huán)～30 環(huán)的數(shù)據(jù)分析，克泥效注入量由4m3（填充系數(shù)1）逐步增加至5.2m3（填充系數(shù)1.3），地表沉降控制由13mm降至9mm，沉降發(fā)展趨勢(shì)減緩，另外驗(yàn)證注入量增加至5.6m3（填充系數(shù)1.4）時(shí)，地表沉降控制效果相較于5.2m3并沒(méi)有較大改善，會(huì)造成浪費(fèi)，不適宜再增加；此時(shí)沉降依然達(dá)不到沉降控制指標(biāo)，應(yīng)增加管片背后深孔注漿控制后續(xù)沉降。

由于隧道埋深較淺，土層較軟，地表對(duì)沉降靈敏度較高，前30 環(huán)因需要對(duì)各項(xiàng)掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，尋找最優(yōu)指標(biāo)，所以會(huì)出現(xiàn)個(gè)別監(jiān)測(cè)點(diǎn)日監(jiān)測(cè)指標(biāo)異常情況，比如圖9 中10 環(huán)～38 環(huán)沉降曲線出現(xiàn)明顯波動(dòng)，可根據(jù)整體趨勢(shì)進(jìn)行合理修正。30 環(huán)后試驗(yàn)參數(shù)逐步摸索到位，根據(jù)40 環(huán)～80 環(huán)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反饋，當(dāng)同步注漿基本保持在34m3左右，每環(huán)注入克泥效5.2m3時(shí)，沉降控制值不再出現(xiàn)較大波動(dòng)。

圖9 深孔注漿對(duì)沉降趨勢(shì)的影響Fig.9 Effect of deep hole grouting on settlement trend

在試驗(yàn)段41 環(huán)～60 環(huán)進(jìn)行上半圓180°管片外輪廓5m范圍內(nèi)的深孔注漿試驗(yàn)，考慮到盾構(gòu)機(jī)1 號(hào)臺(tái)車頂部高壓柜的影響，頂部3 ～6 個(gè)注漿孔在管片需要脫出盾尾10 環(huán)左右開始深孔注漿，其余在管片脫出盾尾5 環(huán)開始進(jìn)行深孔注漿，深孔注漿同樣采取壓力和流量雙控的原則注入。通過(guò)對(duì)41 環(huán)～60 環(huán)對(duì)應(yīng)地表沉降監(jiān)測(cè)斷面（DB12 ～DB21）加密觀測(cè)通過(guò)數(shù)值曲線分析，深孔注漿能很好的控制管片脫出盾尾后隧道上方土體收斂引起的沉降，相較于不進(jìn)行深孔注漿的8.5mm級(jí)沉降有了相當(dāng)明顯的控制，沉降最大斷面23 環(huán)、24 環(huán)的沉降值為2.87mm。

掘進(jìn)過(guò)程中根據(jù)各沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)的累計(jì)沉降值分析掘進(jìn)措施是否有效，另外根據(jù)各沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)連續(xù)的沉降值分析盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中不同階段的沉降趨勢(shì)（圖10），通過(guò)數(shù)據(jù)分析，試驗(yàn)段2 單元（41 環(huán)～60 環(huán)）沉降趨勢(shì)是最緩的。

圖10 注漿參數(shù)與沉降趨勢(shì)的關(guān)系Fig.10 Relation ship of grouting parameters versus settlement

通過(guò)每隔20m的大斷面沉降數(shù)值分析，橫斷面沉降基本以隧道軸線為中心，沉降數(shù)據(jù)逐漸減小，17 斷面和21 斷面的累計(jì)沉降值能控制在2mm以內(nèi)，此斷面恰處于41 環(huán)～60 環(huán)深孔注漿區(qū)域范圍。見表4 及圖11。

表4 橫斷面沉降統(tǒng)計(jì)（單位：mm）Tab.4 Cross section settlement statistics（unit：mm）

圖11 橫斷面沉降示意Fig.11 Cross-sectional settlement diagram

5 結(jié)論

盾構(gòu)施工過(guò)程引起沉降大致分為盾構(gòu)到達(dá)前、到達(dá)時(shí)、通過(guò)時(shí)、通過(guò)后及后期固結(jié)穩(wěn)定5 個(gè)階段，除常規(guī)的掘進(jìn)參數(shù)控制，及時(shí)跟進(jìn)同步注漿等措施外。對(duì)于第三階段（盾構(gòu)通過(guò)時(shí)），變形原因?yàn)榈侗P直徑到盾尾直徑的錐度所遺留的空間導(dǎo)致地層與盾體間存在間隙，會(huì)造成地層收斂，引起土層松動(dòng)，采取的控制措施為在盾體中部注入永不固結(jié)但可承壓的“克泥效”材料，同步填充盾體錐度造成空隙。對(duì)于第五階段，變形原因?yàn)榈貙臃磻?yīng)延遲、泥水壓力和注漿壓力逐步消散、被擾動(dòng)的軟弱土層緩慢固結(jié)、歸于穩(wěn)定密實(shí)的過(guò)程，采取的控制措施為管片脫出盾尾5 環(huán)后及時(shí)實(shí)施洞內(nèi)徑向深孔注漿加固，以穩(wěn)定地層為主增加中盾注克泥效及管片壁后深孔注漿措施，能夠快速穩(wěn)定地層，有效控制地層沉降。