深埋超大直徑盾構長期停頓地基加固施工技術

袁風波

(上海隧道工程股份有限公司，上海 200082)

0 引言

當前國內軟土地層超大直徑(＞14 m)隧道工程建設方興未艾。超大直徑盾構在掘進施工過程中，因機械設備故障、動拆遷滯后、工期控制不當或設計線路調整等造成盾構須在設計線路上停頓的情況時有發生，往往這種停頓將持續1～6個月，甚至更久，而由此帶來的盾構及已建成形隧道的穩定與安全問題備受建設各方關注。同時，不可避免因盾構長期停頓對地面沉降和周邊環境造成影響。對這一問題的研究，目前國內外還比較少見。

為規避盾構長期停頓風險，控制盾構姿態、隧道穩定及地面沉降，須采取一定的技術措施，如盾構殼體外側注漿、已建隧道與盾構剛性連接、盾構刀盤艙充填及地基加固處理等。考慮到后續盾構掘進施工，地基加固處理無疑是一種最合適的辦法。目前，國內在深基坑開挖、盾構進出洞施工等方面采用了多種地基加固處理方法，如注漿、水泥土攪拌樁、高壓旋噴樁、素混凝土柱法、凍結法及其他多種工法的混合加固方法等［1－5］，這些方法大多用于深度在30 m以內的地基加固處理中，但對于深度超過50 m的超深地層地基加固處理則難以滿足要求［6－7］。同時，隨著城市地下空間開發的快速發展，限于城市土地和空間資源，地下空間開發深度將更大，開挖與支護將更深，這必然要求地基加固處理技術應適應更大深度施工要求。結合上海市某超大直徑越江隧道工程在超深地層(埋深50 m以下)進行地基加固，通過設計、優化加固區域，采用雙高壓旋噴(RJP)注漿工法。

1 工程概況

上海某超大直徑越江隧道工程采用泥水平衡盾構穿越黃浦江，圓隧道段總長約3.6 km。隧道外徑14.5 m，內徑13.3 m，采用楔型環通用管片，管片厚度為600 mm，環寬2 m。2008年3月，擬暫停盾構掘進施工，以便于隧道軸線等相關調整工作的進行。而盾構長期停頓后可能存在以下風險:盾構姿態變化異常、隧道位移變化異常、盾尾漏泥水、刀盤正面土體坍塌及地面沉降過大。為了保證盾構停頓過程中的安全、穩定、可靠，對擬停靠位置的土體進行地基加固，盾構掘進至加固區內停頓。

根據地質詳勘報告，盾構停頓區場地屬軟弱場地土，場地類別為Ⅳ類，抗震設防烈度為7°區。場地地基土在65 m深度范圍內均為第四系松散沉積物，主要由飽和黏性土及粉性土組成。地層由上至下分別為①1層填土、②1層褐黃色粉質黏土、③層灰色淤泥質黏土、④層灰色淤泥質黏土、⑤2－1灰色粉質黏土、⑤2－2灰色砂質粉土、⑤3灰色粉質黏土及⑧1灰色粉質黏土。

該工程線路沿線地下水主要為分布淺部土層中的潛水以及分布于⑤2、⑦和⑨層中的承壓水。淺部潛水水位埋深為0.50～1.50 m。微承壓水分布在第⑤2－2層，埋深一般在3～8 m，⑦層承壓水頭埋深一般在3～13 m。盾構停頓區土層分布情況見圖1，其中⑦層土缺失;其土層特性見表1。

圖1 盾構刀盤中心面地層情況(單位:m)Fig.1 Geological conditions(m)

表1 盾構停頓區土層特性表Table 1 Parameters of soil in shield pausing zone

2 地基加固措施

考慮盾構停頓時間較長，當前的盾構掘進施工狀態處于正常狀態，監測顯示成環隧道穩定性較好，地基加固方案重點考慮盾構停頓期間的穩定性和盾構恢復推進施工時能順利穿越加固區，并綜合考慮加固深度和加固施工的可行性、加固體強度和施工的經濟性等因素。

當前，地基加固施工多采用直接注漿法、三軸攪拌樁、旋噴樁注漿和凍結法等。由于加固深度達52.1 m，且須滿足盾構恢復掘進施工需要，通過比選，采用雙高壓(RJP)旋噴注漿工法進行加固。施工所采用的是泥水平衡盾構，為避免旋噴注漿工法的高壓水和水泥漿滲透至刀盤面，擬在盾構前方100 m設定加固區。

3 加固方案設計與優化

根據本次選定的盾構暫停區域埋深、地質水文和土體特性等條件，為確保盾構停頓后的安全，地基加固后應能滿足盾構和隧道的穩定要求。結合上海超大直徑盾構進出洞加固體設計與施工經驗，同時考慮到盾構本體的主要質量分布在盾體前2/3長度范圍內，重心偏前，并盡量減少盾尾與后續成環管片所處地質環境的差異性，對加固區范圍、強度等提出以下相關要求［8－10］:

1)盾構停頓期間要確保盾構開挖面的穩定;

2)盾構就位停頓后，盾構刀盤前方的加固體應該有不小于3 m的厚度，同時該處的加固體應具有較好的水密性;

3)盾構上方加固體厚度不小于1.0 m，盾構左右兩側加固體厚約2.5 m，盾構底部加固體厚度應不小于 3.0 m;

4)所有加固體的強度應該控制在1.0～1.2 MPa。

本次旋噴樁加固區域布置在平面上為長20.0 m、寬11.2 m的長方形區域，由于盾構前端旋噴加固有止水要求，考慮到加固深度較深且樁斜因素不可避免，必須加大旋噴樁樁間的搭接長度，才能提高旋噴樁的止水效果。旋噴樁直徑分為1 800 mm和1 500 mm 2種。為了既能保證工程安全，又能盡量減少工程量、節約成本，對盾構切削區域進行優化，不進行地基加固。1 800 mm樁徑(樁間搭接600 mm)加固區主要作為盾構外側隔水層和持力層，1 500 mm樁徑(樁間搭接300 mm)加固區主要是改良土體承載力，旋噴樁在加固區域內均勻布置，樁間距及排間距均為1 200 mm。同一根旋噴樁采用2種不同的樁徑(通過調整噴射壓力和提升速度實現)。具體布樁方案見圖2—4。

圖2 地基加固縱剖面圖(單位:mm)Fig.2 Longitudinal profile of ground reinforcement(mm)

4 加固施工技術

根據本工程設計樁徑、地質條件等情況，施工參數見表2和表3。

施工主要控制參數:1)樁孔位偏差＜5 cm;2)樁垂直度偏差＜0.5%;3)注漿壓力達設計值;4)嚴格計量每根樁的水泥用量。

5 地基加固效果

通過鉆孔取芯，經過檢測，芯樣在齡期24—62 d的抗壓強度達1.2～1.3 MPa。同時，盾構機進入加固區后停頓158 d，期間，為保持盾構泥水艙液位處于零位，因泥水外滲所補充膨潤土漿液(補液材料為高性能泥漿，具有堵漏、增黏效果)約153 m3。盾構姿態變化為:盾構頭部下沉7 mm，盾構尾部上浮2 mm，姿態穩定。盾構姿態變化見表4。

在盾構停頓期間，未采取襯砌壁后補壓漿措施，地面最大沉降量為17.5 mm，滿足設計要求。

盾構自加固區恢復掘進施工時，盾構總推力和刀盤扭矩出現明顯增大。與停頓前相比，總推力最大增幅達20.9%，刀盤扭矩最大增幅達100%，但仍在盾構機正常掘進施工可控范圍內。

盾構恢復掘進總推力曲線見圖5，盾構恢復掘進刀盤扭矩曲線見圖6。

圖3 地基加固橫剖面圖(單位:mm)Fig.3 Cross-section of ground reinforcement(mm)

圖4 旋噴注漿平面布樁圖(單位:mm)Fig.4 Plan layout of jet grouting piles(mm)

表2 φ1 800mm樁施工工藝參數Table 2 Construction parameters of 1 800 mm piles

表3 φ1 500 mm樁施工工藝參數Table 3 Construction parameters of 1 500 mm piles

表4 盾構機姿態變化表Table 4 Errors of posture of shield machine

6 結論與討論

為滿足上海某深埋超大直徑盾構長期停頓期間的穩定需要，采用雙高壓(RJP)旋噴注漿加固施工技術，通過設計與優化地基加固區域，控制施工參數，達到了工程預期目標，得出以下結論:

1)代表當前國際先進技術的雙高壓(RJP)旋噴技術具有樁徑大、加固深度大、施工質量可靠等特點，能滿足超深地層的地基加固處理要求。

2)通過雙高壓(RJP)旋噴注漿加固施工技術，有效保證盾構及已建隧道在長期停頓期間的穩定，并較好地控制了地面沉降。

3)盾構自加固區恢復掘進施工時，盾構總推力和刀盤扭矩有較大幅度增長，應避免因加固土體強度過高而影響盾構的掘進。

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