華沙地鐵2號線區間隧道施工中的地層改良

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華沙地鐵2號線區間隧道施工中的地層改良

1 工程描述

波蘭華沙大約有 200 萬人口，正在運營的是地鐵1 號線，目前正在建設的是地鐵 2 號線，它包括 28 座車站，30 km 長的線路，其中 6.3 km 區間隧道采用 4 臺直徑 6.3 m 的土壓平衡盾構開挖。隧道施工難點是：①穿過 Vistola 河；②在地鐵1號線下面穿過（隧道上下間距僅 3 m）；③在 Prague 區處于危險狀態的紀念性建筑物下（基礎深達 6～8 m ）通過。

Prague 區紀念性建筑物是二次世界大戰期間華沙大轟炸中留下的唯一未損壞的建筑物，其承載結構多數為磚砌結構，個別的為鋼筋混凝土結構。由于施工質量和維護不善，材料年久劣化，裂縫發展，如今結構處于危險狀態。

盾構開挖的區間隧道穿過沖積土沉積物（基本上是砂和黏土）混雜地層，隧道頂部覆蓋厚度 10～14 m，地下水位在拱頂以上 4.5～8 m。

2　地層改良

為了降低隧道施工期間 Prague 區紀念性建筑物的風險水平，決定采用水平方向鉆孔，通過鉆孔注漿，在隧道拱頂上方形成大約 3 m 厚的弧形拱圈，它不僅改善了地層的力學特性，而且可以消除盾構開挖時泡沫泄漏的可能性（圖 1、圖 2、圖 3）。

圖1　隧道頂部的地層改良

圖2　鉆孔和安設鋼襯管示意圖

圖3　現場水平鉆孔施工

水平鉆孔的操作特別復雜，因為鉆孔長度達250 m，鉆孔縱軸線的最小曲率半徑 100～300 m。操作步驟如下。

（1）在地面上鋪設電纜，產生一個磁場，使鉆孔前進方向得到控制。

（2）在鉆孔中安設直徑 140 mm 的鋼襯管，旨在防止鉆孔坍塌。

（3）插入帶有閥門的直徑 2 英寸的 PVC 注漿管 ( 每米 2 個閥門 )。

（4）注入水泥混合料形成注漿保護層，同時抽出鋼襯管，用保護層取代鋼襯管。

（5）在控制注漿壓力和數量的條件下，重復注入水泥混合料和化學材料。

通過注入微細水泥漿液，促進水泥混合料的滲透。每個閥的混合料注入量約為 110～120 L，拒止壓力為 8 ～12 bar。

采用一個特殊的非對稱的鉆頭，與地面呈一個角度，受外部磁場定位系統引導，使鉆孔前進方向得到控制，產生的誤差僅幾厘米，在可接受的范圍內。

為了評估注漿效果，對注漿地層的質量進行測定。試驗表明，經改良的土壤的楊氏模量（Eimpr）比未改良的土壤的楊氏模量（Enat）高 2.5 倍，即 Eimpr= 2.5Enat。

3　評估地層改良效果的理論分析

隧道開挖將改變其周圍地層的應力—應變狀態，地層將產生沿隧道橫向、縱向的垂直沉降（圖4）。

圖4　地平面和基礎平面的沉降槽

試驗觀測表明，地層沉降曲線可以用高斯正態分布概率函數來表達。2

W ( x ) 是坐標 x 處的沉降量，公式（1）中有 2 個變量：Wmax為沿隧道中心線的最大沉降量；i0為反彎點到隧道中心線的水平距離。

i0的計算，當隧道拱頂上的覆蓋層厚度超過 1 倍隧道直徑時，它與隧道中心線坐標 z0有如下關系：

公式（2）中系數 K 是地層性質函數，在有關文獻中可以找到：對砂或黏土來說，K = 0.3 或 0.5。

Vs為隧道單位長度地面沉降槽的體積，m3/ m。

地面沉降槽的體積與隧道施工中的地層損失量有密切關系。地層損失量用超過隧道理論開挖量的體積除以隧道理論開挖量的百分比來表示。地層改良后，地層損失量會減小。

一旦求得沉降槽和沉降值就可以評估建筑物可能產生的損壞，并且考慮下列 2 個基本因素：結構的總體剛度；建筑物材料的抗裂性能。按材料的抗裂性分成若干損壞等級（從 0 到 5），0 級的損壞可忽略不計，5 級是嚴重損壞。建筑物能接受的損壞等級是 2 級，改良地層減小地面沉降值的最終目標是使建筑物的損壞等級不超過 2 級。

為了評估改良地層的效果，采用 FLAC 有限差分法程序進行數值分析，目的是求得因地層改良而減小的地層損失量，根據減小的地層損失量再次用經驗方法進行風險評估。

采用二維 FLAC 程序對隧道開挖的不同階段進行模擬，用逐步減少一定百分比的等效力來代替地層開挖，反映隧道的開挖效應。改良后的地層楊氏模量比原土的楊氏模量增加 2.5 倍。

數值計算的第 1 步是對自由場沒有改良地層的情況減少一定百分比的等效力，得到的理論沉降曲線，與取值 Vp= 0.60% 的沉降曲線一致。然后對地層改良后的情況進行開挖模擬，地層損失量有明顯減小，大約減少30%。最后，可以采用這一新的地層損失量，對建筑物進行風險分析，結果表明，建筑物的損壞等級均在 2 級以下。采用 FLAC 計算程序對地層改良前后的隧道上方地表沉降進行數值分析，將計算結果對比示于圖 5。

4　采用土壓平衡盾構安全穩妥地開挖隧道

采用土壓平衡盾構開挖隧道，可以通過調整盾構參數來控制地層的沉降。盾構的主要參數在設計階段確定，并在施工階段作必要的調整，這些參數與盾構前方小室中的穩定壓力及混凝土砌塊背后回填注漿壓力有關。為此，設計了 1 個地層變形監測系統，在盾構推進時讀取隧道上方地面和建筑物上的水平測點數據。

圖5　采用 FLAC 對地層改良前后的隧道上方地表沉降數值分析結果對比

表1　地層損失量（Vp）、地面最大沉降量（Wmax）預測值和實測值對比

監測數據用來進行連續的數值反分析，用以檢查盾構參數，采取必要的實時修正，以滿足盾構安全推進的需要。表 1 列出了設計階段（地層未經處理的階段）、處理階段的預測值以及施工時的監控實測值。從表 1 可以看出，施工時實測的地層損失量、地面最大沉降值比此前預測的理論值小。這一結果是正確的，因為在隧道施工前的數值分析對象是自由場，不考慮地層與結構的相互作用。這一結果還說明，通過注漿改善了隧道周圍地層的力學特性，對地層進行結構性干預達到了預期的效果。

實測的地層損失量、地面最大沉降值小于設計時的預測值，也是正確進行盾構開挖作業的結果。這種施工水平，足以保證盾構在結構脆弱的紀念性建筑物下面安全通過。

[1] Giuseppe Lunardi, Fabrizio Carriero, Andrea Canzoneri, et al. Warsaw metro’s improvements[J]. Tunnels and Tunnelling International，2014(11)：31-35.

邵根大 編譯

責任編輯 冒一平

2015-12-14