土壓平衡盾構(gòu)下穿超淺埋復(fù)雜河道地層施工技術(shù)

劉 偉

(中鐵十七局集團第六工程有限公司，福建福州 350014)

[定稿日期]2018-01-08

城市地鐵作為一種安全、快捷高效環(huán)保的交通形式，迅速成為解決交通擁堵問題的首要選擇[1]。在城市地鐵修建工程中，針對盾構(gòu)下穿江河施工的案例并不缺乏，但多采用泥水盾構(gòu)進行施工，土壓平衡盾構(gòu)由于自身特點，在下穿河道的應(yīng)用案例較少。我國雖然在土壓平衡盾構(gòu)下穿河道的研究及施工經(jīng)驗有了一定積累，但針對土壓平衡盾構(gòu)快速通過超淺埋且存在斷層破碎帶的河道的施工案例尚未有相關(guān)的文獻報道[2-6]。

本文以長沙市大河西先導(dǎo)區(qū)雷梅片區(qū)地下配套交通一期工程所屬的文化藝術(shù)中心站～梅溪湖東站區(qū)間施工為依托，吸取長沙地鐵二號線穿越龍王港河堤引發(fā)異常沉降的經(jīng)驗教訓[6]，對土壓平衡盾構(gòu)穿越超淺埋且存在斷層破碎帶的河道的施工控制技術(shù)進行了研究。經(jīng)現(xiàn)場實踐表明，該系類施工技術(shù)取得了良好的效果，研究成果可供類似工程參考應(yīng)用。

1 工程概況

長沙市大河西先導(dǎo)區(qū)雷梅片區(qū)地下配套交通一期工程所屬的文化藝術(shù)中心站～梅溪湖東站區(qū)間左線全長874.512 m，共計583環(huán)；右線全長891.18 m，共計594環(huán)。其中左線在307～364環(huán)、右線在310～367環(huán)區(qū)域下穿既有龍王港河道，兩盾構(gòu)區(qū)間凈間距10.3 m，管片幅寬1.5 m，下穿河道段最淺埋深為4.19 m(盾構(gòu)機直徑為6.25 m)，上覆河道內(nèi)水流深度1.5 m，上覆圍巖主要為強風化板巖，在河道下方，存在斷層破碎帶，強風化花崗巖節(jié)理發(fā)育。盾構(gòu)穿越河道段示意見圖1。

圖1 盾構(gòu)穿越河道段示意

由于河道段隧道埋深度小于一倍洞徑，且地層破碎，土壓平衡盾構(gòu)穿越工程中存在極大的施工風險。若采取的施工措施控制不當，極易產(chǎn)生河床坍塌或涌水現(xiàn)象，甚至出現(xiàn)盾構(gòu)機被水淹沒而報廢的重大經(jīng)濟損失。

2 施工控制措施

結(jié)合類似工程的經(jīng)驗教訓[6]，決定采取以下施工控制措施：(1)施工前對河床進行加固；(2)合理選取注漿壓力，縮短漿液的初凝時間;(3)盾構(gòu)下穿河道工程中選取合適的掘進參數(shù);(4)跟進現(xiàn)場施工監(jiān)測，根據(jù)施工數(shù)據(jù)及時調(diào)整施工。

2.1 河床加固

由于工程地段屬于超淺埋、斷層破碎帶，為了保證盾構(gòu)安全順利通過龍王港河道地段，必須在盾構(gòu)施工前對該區(qū)段進行加固處理。借鑒其他類似工程，穿河道地段時一般采用袖閥管注漿、抗浮板以及旋噴樁等加固方式對河床進行加固。

結(jié)合本工程的特點，在盾構(gòu)施工前對河道區(qū)段進行了袖閥管注漿加固。加固范圍超出河道兩端各5 m，深入盾構(gòu)隧道底部，嵌入中風化板巖0.5 m以上，加固區(qū)示意如圖2所示。

圖2 加固區(qū)域剖面示意

2.2 同步注漿參數(shù)的確定

盾構(gòu)隧道盾尾注漿漿液的優(yōu)劣與隧道施工質(zhì)量及地表沉降緊密相關(guān)。同步注漿漿液的凝結(jié)時間是漿液性能的重要參數(shù)之一[7]。漿液的凝結(jié)時間越長，漿液越容易向土體內(nèi)流失，容易被地下水稀釋，而且難以形成早期強度，不利于管片抗浮及地面沉降的控制。漿液凝結(jié)時間太短則會影響填充效果。

現(xiàn)有的研究成果表明，水泥是調(diào)整漿液凝結(jié)時間的主要因素，砂和水是次要因素[8]。在保證漿液稠度、泌水率和7 d抗壓強度等指標的基礎(chǔ)上，可以通過適當增加水泥或砂摻量，或減少用水量縮短凝結(jié)時間。

現(xiàn)場同步注漿漿液初凝時間主要通過增加水泥用量的方式進行調(diào)整縮短。為了得到水泥漿液的合理配合比，采用室內(nèi)實驗的方式，對不同配合比的漿液初凝時間、7 d抗壓強度進行測試。試驗參照JGJ70-90《建筑砂漿基本性能試驗方法》進行，試驗工況設(shè)計及相應(yīng)的試驗結(jié)果見表1所示。

表1 不同配比下漿液性能 kg/m3

根據(jù)圖3可知，隨著水泥的參量的增加，漿液的初凝時間逐漸降低的同時7 d抗壓強度得到了較大的提高。考慮到漿液的其它性能，經(jīng)更多的室內(nèi)試驗及現(xiàn)場試驗驗證，最后確定了如表2所示的盾構(gòu)穿越該河道的同步注漿配比。此時，漿液的初凝時間在5 h以內(nèi)，7 d抗壓強度達到了2.6 MPa以上。

圖3 不同配比下漿液性能變化曲線

材料用量材料名稱水泥水砂粉煤灰膨潤土配合比12．975．192．930．38每m3用量/kg14543075242555

此外，為保證注漿效果，在總結(jié)隧道穿越龍王港河前的經(jīng)驗基礎(chǔ)上，選取注漿壓力為0.25～0.3 MPa, 每環(huán)管片理論同步注漿量不少于理論注漿量的1.5倍，即6 m3。

2.3 合理掘進參數(shù)現(xiàn)場試驗

大量理論研究和工程實踐表明，盾構(gòu)施工引起的地表沉降，在一定條件下是盾構(gòu)開挖面土體移動的結(jié)果，而開挖面土體的移動與盾構(gòu)土倉壓力息息相關(guān)。根據(jù)韓日美等人的研究成果，在滿足盾構(gòu)前方土體不被破壞的前提下, 增加土倉壓力是減小地層沉降的有效手段[9]。

為了得出土壓平衡式盾構(gòu)下穿該河道的合理掘進參數(shù)(主要為土倉壓力)，施工人員在左線300～309環(huán)區(qū)域范圍內(nèi)開展了現(xiàn)場試驗研究，通過分析不同盾構(gòu)掘進參數(shù)下地表沉降變化規(guī)律，給出土壓平衡盾構(gòu)下穿該河道的合理掘進參數(shù)，現(xiàn)場沉降監(jiān)測點的布置見圖4所示，監(jiān)測頻率為2次/環(huán)。試驗段盾構(gòu)隧道采用的同步注漿漿液配比如表2所示。

圖4 現(xiàn)場試驗段地表沉降點布置示意

首先根據(jù)楊永強[10]給出理論計算方法得到土壓平衡盾構(gòu)的初始土倉壓力為0.6 bar，以0.6 bar的土倉壓力掘進西線隧道的第300～302環(huán)。隧道掘進過程中，各監(jiān)測點的沉降見表3所示。

表3 地表沉降檢測數(shù)據(jù)(300～302環(huán))

根據(jù)隧道掘進300～302環(huán)隧道時地表各監(jiān)測點的沉降值可知，當土壓倉壓力0.6 bar時，地點沉降值偏大，需對加大土壓倉壓力以控制地表沉降。以0.8 bar的土壓倉壓力掘進隧道的第303～305環(huán)，此時地表各監(jiān)測點的沉降值見表4所示。

表4 地表沉降檢測數(shù)據(jù)(303～305環(huán))

根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，當以0.8 bar的土倉壓力掘進時，相應(yīng)地表沉降得到了極大的改善，根據(jù)此參數(shù)繼續(xù)進行盾構(gòu)隧道第306～309的掘進，以驗證掘進參數(shù)的可靠性。地表沉降檢測數(shù)據(jù)見表5，監(jiān)測點沉降變化曲線見圖5。

表5 地表沉降檢測數(shù)據(jù)(306～309環(huán))

圖5 各監(jiān)測點沉降變化曲線

根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，采取土倉壓力為0.8 bar，能有效控制地表沉降。根據(jù)試驗段隧道其余固定的掘進參數(shù)，擬定隧道在穿越龍王港河道的施工參數(shù)見表6。

表6 盾構(gòu)參數(shù)

此外，在盾構(gòu)推進過程中嚴格控制隧道軸線。使盾構(gòu)盡量沿著設(shè)計軸線推進，每環(huán)均勻糾偏，減少對土體的擾動。確保每環(huán)管片之間緊密連接，在管片脫離盾尾后重新擰緊所有縱向螺栓。

3 監(jiān)測結(jié)果分析

考慮到該河道水位較淺且水流速度緩慢，在隧道左線中心線上方的河床上每隔5環(huán)管片打一木樁，通過監(jiān)測木樁的沉降以及時反映地面河流的沉降情況，進而適時調(diào)整推進參數(shù)達到動態(tài)施工。隧道穿越河道后，隧道左線的沉降見圖6所示。

圖6 沉降變化曲線

區(qū)間左線、右線先后分別順利穿越龍王港河，隧道內(nèi)滲漏、管片錯臺控制良好，地面監(jiān)測數(shù)據(jù)穩(wěn)定，地表下沉量普遍小于8 mm，河面未有異常情況，說明土壓平衡盾構(gòu)掘進對河底和地表的擾動較小，施工成果顯著。

4 結(jié)論

根據(jù)土壓平衡盾構(gòu)隧道穿越超淺埋且土層破碎河道的施工難題, 分別從施工前的河床加固、施工過程的中施工參數(shù)分析及同步注漿參數(shù)確定等角度出發(fā)，提出了土壓平衡盾構(gòu)穿越超淺埋復(fù)雜地層的施工控制措施。經(jīng)現(xiàn)場實踐表明，該措施對河底和地表的擾動較小，施工效果顯著，具有一定的工程推廣及參考價值。

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