軟土地質(zhì)超淺埋盾構(gòu)施工隧道變形控制技術(shù)

(中鐵十六局集團(tuán)有限公司，北京 100018)

1 引言

盾構(gòu)法隧道施工具有自動(dòng)化程度高、節(jié)省人力、施工速度快、一次成洞、不受氣候影響、開(kāi)挖時(shí)可控制地面沉降、減少對(duì)地面建筑物的影響和在水下開(kāi)挖時(shí)不影響地面交通等特點(diǎn)，在隧洞洞線較長(zhǎng)、埋深較大的情況下，盾構(gòu)法施工更為經(jīng)濟(jì)合理。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和城市化進(jìn)程的日益加快，盾構(gòu)法施工獲得了廣泛推廣、應(yīng)用，與此同時(shí)，盾構(gòu)隧道在下穿江河、湖泊的建設(shè)過(guò)程中也存在諸多尚未解決的問(wèn)題，需要進(jìn)一步展開(kāi)研究。

超淺覆土隧道在下穿湖泊施工中，使用傳統(tǒng)土壓平衡盾構(gòu)法普遍存在覆土層軟弱不穩(wěn)定、管片上浮、覆土隆起等弊病，同時(shí)國(guó)內(nèi)外尚缺乏針對(duì)土壓平衡盾構(gòu)下穿超淺覆土湖泊及筑島加固技術(shù)的相關(guān)研究。針對(duì)水下淺覆土盾構(gòu)隧道施工覆土隆起、穿越軟土地層加固等方面，國(guó)內(nèi)有大量的針對(duì)性研究，并形成諸多成果。如：張慶賀等[1]提出超淺覆土情況下水底隧道盾構(gòu)施工應(yīng)采取的工程對(duì)策；顏治國(guó)等[2]提出盾構(gòu)掌子面土倉(cāng)壓力的安全范圍、并在施工中采取河道內(nèi)堆載與合理控制土倉(cāng)壓力的措施，有效控制了地層變形。溫法慶等[3]提出通過(guò)加強(qiáng)盾構(gòu)掘進(jìn)施工參數(shù)的控制與設(shè)備保障，并輔助靜壓注漿加固和橋體臨時(shí)支撐相結(jié)合的方法，可有效控制在富水砂礫地層條件下，土壓平衡盾構(gòu)下穿淺埋深古石拱橋的橋體變形；楊澤平[4]分析了地鐵盾構(gòu)下穿湖區(qū)施工的重難點(diǎn)，提出了隧道的防滲漏與防噴涌措施。

目前針對(duì)盾構(gòu)下穿江河施工的諸多案例，大多采用泥水盾構(gòu)，然而綜合地層等因素，有時(shí)不可能由于局部水域而改變盾構(gòu)的原定型式。因此，有必要對(duì)土壓平衡盾構(gòu)下穿湖泊等水域的掘進(jìn)施工加固技術(shù)進(jìn)行研究。當(dāng)采用土壓盾構(gòu)穿越超淺淤泥質(zhì)覆土的湖底施工時(shí)風(fēng)險(xiǎn)很高，所以如何確保盾構(gòu)安全下穿湖泊、合理控制掌子面土壓力、有效控制管片上浮、對(duì)地層進(jìn)行合理加固顯得至關(guān)重要。

2 工程背景

廈門(mén)市某地鐵隧道區(qū)間線路長(zhǎng)約527m，其中約390m 下穿內(nèi)湖（圖1），隧道頂板埋深5.8～10.0m。區(qū)間屬濱海堆積區(qū)，覆蓋層主要為第四紀(jì)全新統(tǒng)長(zhǎng)樂(lè)組海積層（Qm）、海陸交互沉積層（Qmc），隧道洞身主要為淤泥、淤泥質(zhì)土、粉質(zhì)黏土、砂土及殘積砂質(zhì)黏性土。本區(qū)間采用土壓平衡盾構(gòu)法施工。該區(qū)間穿越內(nèi)湖段地質(zhì)極為軟弱，為控制覆土隆起和管片上浮，控制土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)施工隧道變形技術(shù)是該工程的重難點(diǎn)。

圖1 廈門(mén)某地鐵隧道區(qū)間工程平面圖

3 主要控制措施

通過(guò)在海滄內(nèi)湖湖底淤泥增加長(zhǎng)段筑島、旋噴樁加固等輔助施工措施來(lái)有效解決盾構(gòu)掘進(jìn)掌子面的保壓?jiǎn)栴}，避免因施工因素引起的湖底被擊穿后的冒頂風(fēng)險(xiǎn)，以及砂層擾動(dòng)引起的涌砂、透水等事故，增加盾構(gòu)掘進(jìn)的安全系數(shù)。

筑島寬度為37.7m，筑島平臺(tái)周圍采用吹填沙袋圍堰，中間采用普通土回填，回填的普通土體滿足攪拌加固及對(duì)湖水環(huán)境影響小的要求。筑島平臺(tái)分兩段實(shí)施，具體分段長(zhǎng)度結(jié)合施工需要并滿足海滄內(nèi)湖湖水正常流動(dòng)的要求，施工第二段平臺(tái)時(shí)，將第一段平臺(tái)120m 范圍清除至日常最低湖水面以下0.2m；旋噴樁采用?850@600三軸攪拌成樁，樁身嵌入持力層。

4 筑島加固淤泥地層技術(shù)

4.1 吹填沙袋筑島施工技術(shù)（表1）

表1 吹填砂袋施工工藝表

4.2 回填筑島施工技術(shù)

1）回填采用前進(jìn)式回填。回填料為粘性土，填筑至設(shè)計(jì)高程時(shí)，在圍堰保護(hù)下進(jìn)行施工。

2）為保證各工序的銜接，采用分段流水作業(yè)，填筑料交錯(cuò)上升。圍堰土石料可用挖掘機(jī)、自卸汽車運(yùn)輸直接進(jìn)入圍堰后卸料，土石料分層回填，壓路機(jī)碾壓密實(shí)，保證邊緣部位壓實(shí)質(zhì)量，邊坡拍實(shí)整平，并用小型振沖打夯機(jī)打密實(shí)，通常堰體填筑分層高度（與防滲體施工分層高度結(jié)合）不大于30cm。

3）圍堰內(nèi)基坑排水包括圍堰施工基坑一次性排水及圍堰形成后的基坑經(jīng)常性排水。堰體水下填筑形成后，利用排水泵排除基坑內(nèi)積水。

5 三軸攪拌樁淤泥層加固技術(shù)

5.1 施工工藝流程（圖2）

圖2 三軸攪拌樁施工工藝流程圖

5.2 施工關(guān)鍵技術(shù)控制（表2）

表2 施工關(guān)鍵技術(shù)控制表

6 數(shù)值計(jì)算分析

6.1 模型建立

通過(guò)FLAC3D 建立三維數(shù)值計(jì)算模型，隧道埋深取為6m，橫向土層選取113m 區(qū)域，下部土體高度取為37m，縱向取為528m，依據(jù)邊界條件、工程實(shí)際地勘資料并結(jié)合相關(guān)參考文獻(xiàn)中相關(guān)參數(shù)進(jìn)行選取，建模如圖3 所示。

圖3 隧道三維模型與橫斷面圖

6.2 計(jì)算分析

采用修正劍橋模型進(jìn)行分析，計(jì)算參數(shù)如表3、表4 所示。

7 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

7.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置情況，分別在y=90，150，210，270，330，390 共4 個(gè)斷面設(shè)置湖底沉降、拱頂沉降、周邊收斂、底部隆起監(jiān)測(cè)點(diǎn)（圖4）；在2 條隧道中線正上方各布置1 條縱向湖底沉降測(cè)線。

表3 土層計(jì)算參數(shù)表

表4 支護(hù)計(jì)算參數(shù)表

圖4 隧道變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

7.2 不同筑島條件掘進(jìn)對(duì)湖底沉降的影響研究

分別對(duì)比研究①不筑島，②筑島1m，③筑島2m，④筑島3m 四種工況下盾構(gòu)以6m/d 的速度掘進(jìn)時(shí)對(duì)湖底沉降產(chǎn)生的影響。四種工況下y=210 斷面處沉降時(shí)程曲線如圖5 所示，橫向沉降槽曲線如圖6 所示。

由圖5、圖6 可得以下結(jié)論。

1）不筑島條件下，盾構(gòu)掘進(jìn)會(huì)使湖底隆起，最大隆起值在1mm 左右；筑島條件下，盾構(gòu)掘進(jìn)會(huì)使湖底產(chǎn)生沉降，最大沉降值均在3mm 以內(nèi)。筑島高度對(duì)湖底最終沉降值的影響較小。左線掘進(jìn)對(duì)沉降影響時(shí)間長(zhǎng)，在掌子面通過(guò)30d 左右達(dá)到穩(wěn)定，右線掘進(jìn)對(duì)沉降影響時(shí)間相對(duì)較短，在掌子面通過(guò)10d 左右達(dá)到穩(wěn)定。

圖5 不同工況下湖底沉降歷時(shí)曲線

2）左線貫通后，湖底變形主要發(fā)生在左線隧道上方，最大沉降值：不筑島＜筑島3m ＜筑島1m ＜筑島2m；右線貫通后，最大沉降值：不筑島＜筑島1m ＜筑島2m ＜筑島3m，不筑島時(shí)沉降槽呈M 型分布，筑島1m 和筑島2m 時(shí)沉降槽呈U 型分布，筑島3m 時(shí)沉降槽呈W 型分布。

7.3 不同筑島條件掘進(jìn)對(duì)隧道變形的影響研究

分別對(duì)比研究①不筑島，②筑島1m，③筑島2m，④筑島3m 四種工況下盾構(gòu)以6m/d 的速度掘進(jìn)時(shí)對(duì)拱頂沉降、周邊收斂、底部隆起產(chǎn)生的影響。四種工況下y=210 斷面處隧道變形時(shí)程曲線如圖7 所示。

圖6 不同工況下沉降槽曲線

圖7 不同工況下y=210處隧道變形時(shí)程曲線

對(duì)比分析不同工況下盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)隧道變形的影響可以得出：不筑島工況下拱頂和底部均向上變形，變形值在1mm 左右，筑島工況下拱頂和拱部均向下變形，變形值均在2mm 左右，四種工況下洞身均向內(nèi)收斂，收斂值：不筑島＜筑島1m＜筑島2m＜筑島3m，且收斂值較小，最大不超過(guò)0.5mm。

根據(jù)以上分析，因筑島工況的不同，湖底沉降和隧道變形略有不同，但差別很小，為防止覆土層太淺出現(xiàn)冒頂涌水等事故，且兼顧將筑島作為加固平臺(tái)，故將筑島高度確定為3m。

7.4 淤泥層加固對(duì)湖底沉降的控制效果研究

有限差分模型與監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置情況同前文所述。分別對(duì)比研究筑島3m 條件下淤泥層不采取措施和淤泥層攪拌樁預(yù)加固兩種工況下，盾構(gòu)以6m/d 的速度掘進(jìn)時(shí)對(duì)湖底沉降產(chǎn)生的影響。兩種工況下y=210 斷面處湖底沉降時(shí)程曲線如圖8所示，橫向沉降槽曲線如圖9 所示。

圖8 不同工況下湖底沉降時(shí)程曲線

圖9 不同工況下沉降槽曲線

由圖8、圖9 可得，兩種工況下湖底沉降時(shí)程曲線基本一致，加固前沉降槽形狀為W 型，加固后沉降槽形狀為U 型，淤泥層加固可以減小中線左右各25m 范圍內(nèi)的湖底沉降，并將最大沉降值控制在2mm 以內(nèi)，其中，對(duì)加固區(qū)域上方湖底沉降控制作用最顯著，可以減少50%左右的沉降值。

7.5 淤泥層加固對(duì)隧道變形的控制效果研究

分別對(duì)比研究筑島3m 條件下淤泥層不采取措施和淤泥層攪拌樁預(yù)加固兩種工況下，盾構(gòu)以6m/d 的速度掘進(jìn)時(shí)對(duì)拱頂沉降、周邊收斂、底部隆起產(chǎn)生的影響。四種工況下y=90 斷面處隧道變形時(shí)程曲線如圖10 所示。

圖10 不同工況下隧道變形時(shí)程曲線

由圖10 可得，兩種工況下，隧道變形時(shí)程曲線相似，右線隧道開(kāi)挖對(duì)左線隧道變形影響不大。通過(guò)加固淤泥層，可以減少25%～40%的拱頂沉降，減少15%的周邊收斂，減少40%～60%的底部隆起。

根據(jù)以上分析，對(duì)隧道周邊的淤泥層進(jìn)行加固可以有效控制湖底沉降和隧道變形。

7.6 筑島清除對(duì)新建隧道的影響研究

筑島清除后左、右線隧道拱頂、拱底、兩側(cè)變形分別如圖11 所示。

圖11 隧道變形曲線

由圖11 可知，清除筑島后左右線隧道變形規(guī)律一致，隧道拱頂向上隆起17mm 左右，拱底向上隆起16mm 左右，小于拱頂沉降和坑底隆起的控制值20mm。左右線隧道兩側(cè)變形值均在0.5mm以內(nèi)，遠(yuǎn)小于凈空收斂的控制值10mm。可見(jiàn)施工完成后清除筑島是安全可行的。

8 結(jié)論

通過(guò)資料調(diào)研、數(shù)值計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，分別對(duì)水下土壓盾構(gòu)施工方案、淤泥地層筑島加固技術(shù)進(jìn)行了研究，得出以下結(jié)論。

1）在不筑島條件下，盾構(gòu)掘進(jìn)會(huì)使湖底隆起；在筑島條件下，盾構(gòu)掘進(jìn)會(huì)使湖底產(chǎn)生沉降。筑島高度對(duì)湖底最終沉降值的影響較小。不筑島工況下拱頂和底部均向上變形；筑島工況下拱頂和拱部均向下變形。根據(jù)筑島工況的不同，湖底沉降和隧道變形略有不同，但差別很小。

2）吹填沙袋、回填筑島作為加固平臺(tái)，采用三軸攪拌樁加固淤泥層對(duì)加固區(qū)域上方湖底沉降控制作用最顯著，可以減少50%左右的沉降。同時(shí)隧道內(nèi)可以減少25%～40%的拱頂沉降，減少15%的周邊收斂，減少40%～60%的底部隆起。

3）清除筑島后左右線隧道變形規(guī)律一致，均在控制值20mm 以內(nèi)。左右線隧道兩側(cè)變形值均在0.5mm 以內(nèi)，遠(yuǎn)小于凈空收斂控制值10mm。