地層加固對(duì)風(fēng)險(xiǎn)地段地鐵盾構(gòu)隧道施工的影響

閆朝濤

(北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司，100082，北京∥高級(jí)工程師)

隨著城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)的形成和城市現(xiàn)代化的發(fā)展，地鐵施工穿越鄰近構(gòu)(建)筑物的現(xiàn)象越來越普遍，伴隨的施工風(fēng)險(xiǎn)也越來越高，而盾構(gòu)法作為一種先進(jìn)的施工方法也已廣泛地應(yīng)用于地鐵區(qū)間隧道的施工中。在施工風(fēng)險(xiǎn)越來越大、盾構(gòu)技術(shù)越來越成熟的當(dāng)今，很多人過分看重或夸大了風(fēng)險(xiǎn)的存在，而忽視了盾構(gòu)工法本身的風(fēng)險(xiǎn)控制能力，一味地強(qiáng)調(diào)增加輔助加固措施。殊不知，這樣不僅造成工程成本的增加、實(shí)施難度的加大，甚至可能對(duì)風(fēng)險(xiǎn)控制不利。本文結(jié)合具體工程的實(shí)施情況及監(jiān)測(cè)結(jié)果，談?wù)劦貙蛹庸檀胧┛赡軒淼牟涣加绊憽?/p>

1 工程概況

北京地鐵某6 m直徑盾構(gòu)區(qū)間穿越的橋梁為一座10 m+17 m+10 m三跨預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁結(jié)構(gòu)，下部橋基為樁基礎(chǔ)，樁基上接承臺(tái)。其中，橋臺(tái)樁基的樁直徑為1000 mm，樁長16 m，為單排四樁承臺(tái);橋墩樁基直徑為1000 mm，樁長22 m，為雙排四樁承臺(tái)。橋梁呈南北向布置，基本與東西向敷設(shè)的盾構(gòu)區(qū)間呈十字交叉關(guān)系。盾構(gòu)區(qū)間在橋區(qū)的埋深，左右線分別為9 m和14 m。兩線線間距約24 m，其中左線從1#、2#兩橋墩之間穿過，右線從0#橋臺(tái)南側(cè)(外側(cè))穿過，其橋梁與盾構(gòu)區(qū)間相對(duì)位置關(guān)系見圖1。

橋區(qū)由上而下的地層依次為①1雜填土、①素填土、③粉土、④粉質(zhì)黏土、⑤1細(xì)中砂、⑥粉質(zhì)黏土、⑦2粉細(xì)砂。其中，橋墩樁基底部位于⑦2粉細(xì)砂中，橋臺(tái)樁基底部位于⑤1細(xì)中砂中，盾構(gòu)區(qū)間穿越地層為④粉質(zhì)黏土、⑤1細(xì)中砂(見圖1)。

主要地層參數(shù)如下:

1)①1雜填土——容重 16.5 kN/m3，松散 ～中密;

2)①素填土——容重16 kN/m3，松散～中密;

3)③粉土——容重 20.3 kN/m3，中密，凝聚力c=16 kPa，摩擦角 φ =23°;

4)④粉質(zhì)黏土——容重 19.7 kN/m3，軟塑，局部硬塑，c=19 kPa，φ =13°;

5)⑤1細(xì)中砂——容重21.0 kN/m3，中密 ～ 密實(shí)，c=0，φ =30°。

本場(chǎng)地有三層地下水，分別為上層滯水、潛水和層間水。上層滯水位于③粉土中，潛水位于⑤1細(xì)中砂中，層間水位于⑦2粉細(xì)砂中。

圖1 橋梁與區(qū)間隧道位置關(guān)系圖

根據(jù)橋區(qū)的地質(zhì)水文條件、橋梁資料、區(qū)間與橋梁的位置關(guān)系等，確定施工風(fēng)險(xiǎn)最可能出現(xiàn)在盾構(gòu)右線穿越橋區(qū)時(shí)，因此提出了如下幾種措施以保證橋梁的安全:

1)在盾構(gòu)法施工區(qū)間合理調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)，控制盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)，以低速均勻通過橋區(qū)。

2)加固0#橋臺(tái)樁基底部的周圍土體，以減少橋基沉降變形(加固情況見圖2)。加固后的土體要求具有良好的均勻性、整體性，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為1.0 MPa。

3)設(shè)置支座千斤頂，控制橋面梁體變形。

圖2 0#橋臺(tái)樁基底部土體加固圖

2 施工情況

0#臺(tái)樁基底部土體加固采用袖閥管雙液漿定向定量加固技術(shù)。鉆孔采用全液壓RPD－130C鉆機(jī)斜向鉆進(jìn)，共計(jì)150個(gè)孔，用時(shí)約20天。

左右線盾構(gòu)區(qū)間施工分別由2家單位完成，其中左線采用面板式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)，右線采用輻條式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)。盾構(gòu)刀盤轉(zhuǎn)速控制在0.9～1.2 r/min，掘進(jìn)速度控制在 20 ～30 mm/min;同步注漿選用水泥砂漿，注漿壓力控制在0.16～0.2 MPa，二次注漿選用水泥水玻璃雙液漿，注漿壓力不大于0.4 MPa。盾構(gòu)推進(jìn)方向由東向西進(jìn)行，左線盾構(gòu)先行通過橋區(qū)，右線盾構(gòu)后行通過橋區(qū)。兩線采用了不同的掘進(jìn)模式施工，橋梁出現(xiàn)了不同的變形狀態(tài)，但地層變位及橋梁的變形均處在控制的指標(biāo)范圍內(nèi)。

3 監(jiān)測(cè)

3.1 理論計(jì)算的地層變形量

根據(jù)北京地區(qū)修正的PECK公式計(jì)算結(jié)果，盾構(gòu)掘進(jìn)造成地面最大沉降量為8 mm;按FLAC軟件三維數(shù)值計(jì)算結(jié)果，盾構(gòu)區(qū)間左右線推進(jìn)產(chǎn)生的最大地層沉降量為9 mm，最大差異沉降量為2.4 mm。

3.2 橋梁變形控制指標(biāo)的確定

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果并結(jié)合相關(guān)單位提供的橋梁評(píng)估報(bào)告，最終確定橋梁變形按如下指標(biāo)控制:橋梁墩臺(tái)隆陷量為±10 mm;相鄰墩臺(tái)的差異沉降為5 mm，墩臺(tái)傾斜率為2/1000。

3.3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

為了監(jiān)控地層加固過程中和左右線盾構(gòu)分別通過橋區(qū)過程中的橋梁變形情況，分別在橋梁各墩臺(tái)、橋梁兩側(cè)50 m范圍內(nèi)的地面上布置了變形觀測(cè)點(diǎn)。對(duì)橋梁墩臺(tái)上的測(cè)點(diǎn)在土體加固、盾構(gòu)通過前后進(jìn)行重點(diǎn)觀測(cè)，對(duì)橋梁兩側(cè)地面上的測(cè)點(diǎn)在盾構(gòu)到達(dá)前和通過后進(jìn)行重點(diǎn)觀測(cè)，目的是獲得左右線盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)地層變形的影響，判斷盾構(gòu)的行進(jìn)姿態(tài)。

4 監(jiān)測(cè)結(jié)果

根據(jù)第三方監(jiān)測(cè)單位提供的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析比較了土體加固、左右線盾構(gòu)通過橋區(qū)三種工況下的地面及橋梁變形曲線圖，發(fā)現(xiàn)如下現(xiàn)象:

1)0#臺(tái)樁基底部土體加固使0#臺(tái)、1#墩產(chǎn)生較大變形，墩臺(tái)均出現(xiàn)4～5 mm的下降，變形曲線呈現(xiàn)加固開始時(shí)變形較大，而后逐漸變小的特點(diǎn)(見圖3、圖4)。這說明土體加固在其施工期間對(duì)橋樁影響是不同的:成孔時(shí)土體松馳橋樁受擾出現(xiàn)沉降，而注漿過程土體填充并受壓后帶動(dòng)橋樁向上位移，并隨著漿液的凝固，使土體與樁體保持在一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)。

圖3 0#橋臺(tái)累計(jì)沉降變形曲線

圖4 1#橋墩累計(jì)沉降變形曲線

2)左線盾構(gòu)在通過橋區(qū)過程中橋梁兩側(cè)地面一直處于隆起狀態(tài)(見圖5)。通過橋區(qū)時(shí)，左線區(qū)間兩側(cè)1#橋墩、2#橋墩均表現(xiàn)為隆起變形，最大隆起量5.7 mm，發(fā)生在左線二次注漿過程中。整個(gè)過程盾構(gòu)姿態(tài)處在飽壓掘進(jìn)狀態(tài)，土倉壓力大。圖6、圖7分別為1#橋墩、2#橋墩在左線盾構(gòu)通過時(shí)的隆起變形曲線圖。

圖5 2#墩東側(cè)20 m處地面累計(jì)隆起變形曲線

圖6 1#橋墩累計(jì)隆起變形曲線

圖7 2#橋墩累計(jì)隆起變形曲線

3)右線盾構(gòu)在通過橋區(qū)過程中橋梁兩側(cè)地面一直處于下沉狀態(tài)(見圖8)。通過橋區(qū)時(shí)，右線區(qū)間緊鄰的0#橋臺(tái)表現(xiàn)為沉降變形，最大沉降量為4.4 mm，發(fā)生在右線管片脫出過程中。整個(gè)過程盾構(gòu)姿態(tài)處在欠壓掘進(jìn)狀態(tài)，土倉壓力偏小。圖9為0#橋臺(tái)在右線盾構(gòu)通過過程中的沉降變形曲線圖。

圖8 0#橋臺(tái)東側(cè)30m處地面累計(jì)沉降變形曲線

圖9 0#橋臺(tái)累計(jì)沉降變形曲線

5 結(jié)語

理論計(jì)算的地層變形與盾構(gòu)施工實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果并不相符，究其主要原因如下:

1)理論計(jì)算假設(shè)條件偏于理想，地層的實(shí)際狀態(tài)如不均勻性、各向異性、不連續(xù)性及地下水影響等均無法在計(jì)算模型中得到真實(shí)模擬;

2)實(shí)際施工中水土流失、掘進(jìn)參數(shù)選用、時(shí)空效應(yīng)、盾構(gòu)施工操作人員的技術(shù)水平和熟練程度等都會(huì)直接影響地層最終變形的結(jié)果，這些因素在理論計(jì)算中也無法得到體現(xiàn)。

本工程的地層加固作為盾構(gòu)區(qū)間施工的一項(xiàng)輔助措施，其對(duì)橋梁的影響不亞于區(qū)間盾構(gòu)推進(jìn)對(duì)橋梁的影響。這意味著土體加固可能是一個(gè)潛在的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，其危害程度同樣值得引起重視和研究。而類似的輔助措施可能會(huì)對(duì)保護(hù)對(duì)象產(chǎn)生不同的加強(qiáng)或消弱作用，破壞原有的平衡狀態(tài)，有時(shí)反而不利于施工風(fēng)險(xiǎn)的減少。

我國于1966年開始施工的第一條盾構(gòu)隧道——上海打浦路過江隧道，距今有近50年的時(shí)間，在這幾十年的時(shí)間里，我國的盾構(gòu)施工技術(shù)及管理水平有了長足的發(fā)展，積累了豐富的施工經(jīng)驗(yàn)，盾構(gòu)施工的風(fēng)險(xiǎn)控制技術(shù)也愈加成熟。因此，盾構(gòu)隧道的風(fēng)險(xiǎn)控制主要應(yīng)考慮通過盾構(gòu)自身的技術(shù)加以解決，而非盲目選用加固措施。

［1］張鳳祥，朱合華，傅德明.盾構(gòu)隧道［M］.北京:人民教育出版社，2004.

［2］何川.水下隧道［M］.成都:西南交通大學(xué)出版社，2011.

［3］陳饋.盾構(gòu)施工技術(shù)［M］.北京:人民教育出版社，2009.