土壓平衡式盾構下穿河流施工技術研究

王 偉，辛振省，彭加強

(1.浙江建設職業技術學院，杭州 311231;2.中鐵三局集團有限公司，太原 030001;3.中國水電顧問集團華東勘測設計研究院，杭州 300014)

1 概述

針對盾構下穿江河施工的案例并不缺乏，但均為泥水盾構下穿江河施工，土壓平衡盾構由于自身特點，一般不用于下穿河流施工，但是綜合地層等因素，不可能由于局部小型河流而改變盾構的原定的型式;再者，大型河流的下穿造價巨大，本工程不可能采用和參考，本標段選擇了土壓平衡盾構施工，而本工程下穿河流采用土壓盾構施工。

本工程地鐵標段需下穿市內河流(圖1)，該處盾構隧道最小埋深約5.6 m，盾構開挖直徑為6.2 m，屬于超淺埋盾構隧道施工。河水深3～5 m，水位高程394.8 m，河水流速不大，流量較大，在下游側有一水閘截水，盾構范圍內的主河道的水閘關閉后造成河道水位上升，故在施工前需將此閘開啟泄洪，將主河道水位降低。河道是人工開挖的河道，河床及邊坡采用混凝土砂漿塊石砌成，漿砌石下部水底約有0.5 m厚的淤泥層。

圖1 盾構需穿越的城市河流

經過補充勘察，此段地質情況自上而下依次為:人工填土層、淤泥質粉質黏土、粉土、粉細沙、中細沙，地層呈斜向參差分布。

2 數值計算分析

2.1 模型建立及參數選取

根據圣維南原理，在距離開挖擾動區一定遠處的擾動應力為零，此邊界上的位移也為零，所以取模型足夠大，以保證邊界位移基本為零，減小計算的誤差。故取模型長度200 m，寬度60.8 m，模型高度為46 m，建成隧道的直徑為5.2 m，由于管片部分和壓漿的需要，需要盾構開挖直徑為6.2 m，模型尺寸及地層分布如圖2所示，計算土體參數及管片參數如表1、表2所示。

圖2 模型尺寸及地層分布(單位:m)

表1 工程巖土力學參數

表2 管片參數

2.2 數值計算結果及相關分析

由于開挖對河床產生影響，河床和兩河岸都將發生不對稱偏移，位移在開挖一端較大，而在對岸較小。待第二臺盾構隧道穿過河底后，其位移基本達到對稱。開挖段由于2條隧道開挖的影響，盾構隧道在中途暫停處位移量較大，雖然兩河岸處總位移量具有較強的不對稱性，但是豎向位移量差別并不大，說明在盾構推進的過程中，地層水平向位移有較大的不對稱性。開挖明顯會使兩邊河岸處土體發生較大滑移下沉，在河床兩邊會發生反拱現象，此時的位移量都很小，均在10 mm以內。在兩隧道接頭處位移會有所增加，其綜合位移值也不會超過15 mm。豎向位移都在10 mm以內，但在河岸處達到15 mm。

隨著盾構的推進，特別是推進至河底的過程中，由于上覆土厚度變化較為劇烈，在施工的過程中很難及時調整土壓力以適應土層的變化，所以在推進的過程中，如果沒有相應的措施，此處的河底破壞較為嚴重，而且這種破壞會迅速的擴展到兩岸，從模擬結果分析，這種破壞會延伸至盾構前方30 m左右，并且位移并不收斂。

由于開挖的影響和河底滲流的發生，將對河床底部產生平面剪切破壞和法向剪切破壞，由于河床下部土質較差，大部分是淤泥質土，而且含水量大，所以在河床下部，掌子面前方會發生一定區域的破壞。在開挖隧道的周圍，由于開挖擾動的影響，也會發生不同程度剪切破壞，但是由于盾構的支撐作用和管片安裝及時，隧道周邊剪切破壞區很小。從圖3可看到，對河床的破壞在橫向是很有限的，影響范圍在距離隧道20 m以內。以外的區域河床在兩岸邊附近發生局部輕度的剪切破壞，但是河床的破壞會對整個工程產生重大不利影響，盾構下穿過程中，上覆土厚度急劇變化造成土壓力變化劇烈，河岸處破壞嚴重，所以上述情況為施工注意的重點，有必要實行特殊施工方法，以減小河床及河岸的位移和破壞區域。

圖3 盾構下穿河流過程中力學場分布

3 下穿河流施工措施

3.1 圍堰施工

施工前首先進行對護城河加固區段圍擋施工，圍擋分東西兩側，東側的圍擋面積為392 m2，其周長為84 m;西側的圍擋面積為371 m2，其周長為82 m。

在兩側做好砂袋圍堰，并抽干施工區域內的河水后，對河床底沉積的淤泥進行清理。

圍堰取雙層草(麻)袋，中間設黏土心墻，草(麻)袋圍堰的主要填料為黏性土。草(麻)袋圍堰填筑前應清理堰底處的樹根、草皮、石塊等雜物。填筑時先施工上游的圍堰后施工下游圍堰，并且先施工外圈圍堰，后施工內圈圍堰。

外圈碼成后，先行抽水，掏挖去內圈圍堰位置處的透水層土體，堆碼內圈圍堰土袋。施工期間圍堰內挖積水坑，隨時將水抽干，內外堰之間填筑1 m寬的黏土心墻，防止河床漏水。堰頂寬2 m，堰底寬9.5 m，內側邊坡坡率取1∶0.3，外側邊坡坡率取1∶0.75。草(麻)袋盛裝松散黏性土，裝填量為袋容量的1/2～2/3，袋口用細麻線或鐵絲縫合，施工時將土袋平放，上下左右互相錯縫堆碼整齊，水中土袋用帶鉤的木桿鉤送就位。

圍堰應盡量做到防水嚴密，減少滲漏。水流流速較大時，外圍草(麻)袋可用小卵石或粗砂裝袋，以免流失，必要時也可拋片石防護、或用竹籠或柳條筐盛裝砂石在堰外防護。

3.2 砂袋反壓

由于盾構通過河流岸邊時，上覆土厚度突然變薄，上覆土壓力變小，導致切口壓力的突變，盾構土倉壓力很難適時調整，造成土壓力不能保持平衡而失穩，直接導致河岸及其上建筑物的破壞，所以必須在河底進行填土反壓，如圖4所示，以降低土壓力變化的幅度，易于及時調整土倉壓力，保證施工的安全。基于環境保護和清理方便的考慮，本工程采用河底填筑塑料砂袋的施工方法。

圖4 河底填筑砂袋反壓

3.3 對河岸及河底的注漿加固

(1)根據計算分析結果對河流兩岸邊坡進行注漿加固，以增強河岸土體抵抗地層擾動的能力。

(2)在河床底盾構通過區采用旋噴加固，形成抗浮板，加固深度為從河床底到盾構底以下2 m。

(3)橋涵底板以下部分采用垂直袖閥管注漿加固，在橋涵基礎部位采用袖閥管斜插注漿，達到改善河底及橋涵下土體的目的，且橋基下第一道袖閥管注漿要充足，保證橋基下土體達到強度要求。

本區段采用雙重管法施工，旋噴樁直徑為φ600 mm，間距為500 mm，噴注漿的材料用強度等級為42.5級的普通硅酸鹽水泥，注漿參數及注漿設備見表3。

表3 雙重管注漿法施工機具的選用及技術參數

3.4 盾構掘進參數控制

(1)在盾構通過河岸施工過程中，由于上覆土厚度突變，引起掌子面壓力的突變，在施工過程中及時調整土壓盾構切口壓力，確保土壓平衡，在土壓平衡狀態下勻速通過，通過河岸前土倉壓力為0.23 MPa，推進速度降低至10 mm/s，進入河岸時，盾構土倉壓力在1 min內調至0.1～0.05 MPa，盾構進入反壓區后再次把土倉壓力調回到0.15

～0.2 MPa，盾構推至對岸時，加大土倉壓力至0.2～0.25 MPa，整個過程的推進速度均控制在 5～10 mm/s。

(2)及時注漿減少地層損失，嚴格控制同步注漿量和注漿壓力，注入量一般為150% ～200%的理論盾尾空隙量，注漿壓力一般略大于隧道底部的土壓力。

(3)采用二次注漿輔助施工法，二次注漿壓力以0.4 MPa為控制壓力，接近此壓力，立即停止注漿。

(4)對同步注漿及二次注漿的漿液質量、注漿量、注漿壓力、速度嚴格控制，防止注漿引起土體隆起，在施工中對地上地下進行跟蹤監測，路面沉降報警值為+10 mm和－30 mm，并根據反饋數據及時調整施工參數，達到動態施工。

(5)在到達河流岸邊前選擇一開挖面自穩性較好的地段對盾構機進行全面檢修，減少在下穿河流段停機檢修的風險。

4 監測結果分析

為了及時反映地面河流及附近附屬構筑物的沉降情況，進而適時調整推進參數達到動態施工，沿盾構推進方向在河底及對稱兩側布置監測點(河底為0點)，監測每個監測點的位移量及位移速度(圖5)，從施工情況和監測結果分析，整個施工過程，河岸與河底的位移量較大，位移速度變化較為劇烈，但是通過預先的加固處理及盾構推進參數的優化，最大位移量均控制在20 mm以內，整個施工過程未對河流及岸邊構筑物造成破壞，充分說明先前的分析是正確的，加固方案是成功的。

5 結語

圖5 監測結果曲線

土壓平衡式盾構在配合適當的輔助加固措施的情況下完全可以下穿城市景觀河流;其間主要的施工輔助加固措施有河岸的加固、河底填土反壓及適當注漿加固、盾構推進參數及注漿參數的適時調整;在此過程中，要加強地面的監控量測，及時分析地層位移規律，根據位移規律及時調整盾構推進的各項參數及同步注漿參數，達到動態施工的效果。本研究拓寬了土壓平衡式盾構的適用范圍，解決了盾構按照地質條件選型與按照地面河流選型的矛盾。

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