富水軟土地層大直徑盾構下穿密集管井群沉降控制研究

楊傳坡

(中鐵十四局集團有限公司，山東濟南 250101)

近年來高速鐵路的快速發展給人民生活中的出行體驗帶來了極大改善。由于城區高鐵線路的規劃受地上建筑物的影響，多采用地下隧道設計，其中安全、高效的盾構法成為高鐵隧道修建的主要方法之一。城市中地下管線和各種深埋構筑物情況復雜，盾構隧道下穿各類管線、管井不可避免，是施工過程中的重要風險源，在此過程中的沉降控制十分關鍵[1]。對于相關問題諸多學者進行了研究，如鄭世興[2]研究了盾構工程穿越大流量通行橋梁基礎異形托換的施工工藝；朱葉艇[3]等通過模型試驗來研究盾構隧道開挖與管線豎向變形之間的關系。魏綱[4]等運用統一土體移動模型解，得到盾構隧道施工引起地下管線豎向位移的計算方法；張治國[5]等研究了類矩形盾構隧道施工引起鄰近地下管線的變形規律。

熱源井作為一種清潔的供暖方式，已逐步在北方城市中得到應用[6]，同時也對盾構下穿城區提出了新的挑戰。本文以京沈客專望京盾構隧道下穿紅磚藝術館熱源管井群為背景，對富水軟土地層盾構下穿密集管井群處理技術進行總結。

1 工程概況

1.1 工程概況

新建北京至沈陽鐵路客運專線北京段站前工程JSJJSG-12標段位于朝陽區境內，起訖里程為DK22+710.7～DK28+032.6，正線長5.32 km，其中里程DK22+710.7～DK25+890段為盾構隧道，該盾構工程采用兩臺直徑為10.87 m的泥水平衡盾構機，兩臺盾構機同向在2#、3#豎井之間的隧道區間掘進，從沈陽到北京方向進行掘進。

經現場實地勘查測量，隧道左、右線在DK23+849～DK24+024處約175 m范圍內穿越紅磚藝術館區域，其中里程DK23+900-DK23+930范圍存在地下熱源井群。熱源井共151眼，直徑0.2 m，井深120 m，井口距離現有地面2～3 m，換熱管為PE材質塑料管，影響盾構施工管井共四排，東西走向，共65眼，需單獨處理該批管井。

紅磚藝術館熱源井分布及與隧道位置關系橫剖面圖見圖1、圖2。

圖1 紅磚藝術館熱源井分布

圖2 熱源井與隧道位置關系橫剖面示意

1.2 工程水文地質條件

本段盾構隧道沿線范圍內地層主要為人工填土層(Qml)、第四紀全新世沖洪積層(Q4al+pl)、紀晚更新世沖洪積層(Q3al+pl)。人工堆積層主要分布于沿線城區、村莊、道路、溝渠及河流堤壩，厚度變化較大，一般2～5 m，局部可達7 m以上。

2 下穿紅磚藝術館密集管井群沉降控制措施

針對紅磚藝術館密集熱源井群擬分三步處理，一是拆除紅磚藝術館景觀墻及多功能廳，提供后序進場條件，保留紅磚藝術館主館并進行基礎加固處理，二是對熱源井進行開挖并注漿封堵處理，三是加強洞內措施，掘進過程使用特殊泥漿并加強二次注漿及深孔注漿。為了及時處理沉降報警、地面冒漿等現象，此施工全程采取動態監測方案。

2.1 紅磚藝術館熱源井地表構筑物加固處理

紅磚藝術館景觀墻及多功能廳拆除后，為保證后續熱源井開挖過程中藝術館墻體的穩定，須對其進行加固處理。

高壓旋噴樁和WSS作為目前最常用的加固措施[7]，其中高壓旋噴樁具有設備復雜，占地大，污染嚴重，工期長等特點。而WSS工法作為一種新型的地基加固技術，它具有快速止水和土體加固的作用。對比高壓旋噴工法及WSS工法的優缺點后，根據現場作業空間及施工經驗，決定選取WSS工法對主場館下部土體使用分段后退式注漿法進行加固。注漿漿液采用1∶1水泥-水玻璃雙液漿，采用兩臺注漿機同時對稱注漿以防注漿過程中出現偏壓現象。

2.2 紅磚藝術館熱源井群處理

熱源井群位于紅磚藝術館既有地面以下2～3 m，東西方向共4排，每排15眼，前兩排位于拆遷區域，可直接挖出進行封堵并注漿處理；后兩排位于主場館墻體兩側，不具備大面積開挖條件，擬采取隔二挖一措施，每排先處理1號、4號、7號、10號、13號熱源井，待第一批次處理完成后進行第2批次2號、5號、8號、11號、14號熱源井的處理，之后處理3號、6號、9號、12號、15號熱源井的處理，三批次處理完畢后，再整體注漿加固處理。

采用人工挖孔方法來處理墻體周圍兩排熱源井，孔徑為1～1.2 m，挖孔過程中采用鋼管護壁。為了防止周圍土體塌方，護壁周圍填充水泥漿。當在場館墻體附近區域進行挖孔時，為減小施工對場館的影響，盡量采用鋼筋混凝土進行護壁。挖出井管后，在工作井內對熱源井進行灌漿處理；熱源井直徑110 mm，每根管井內有4根φ20PE塑料管，形成兩組冷熱水循環閉合回路，須將4根PE管截斷，從一端注入微膨脹水泥漿，直至注滿為止；之后需要向熱源井內打入φ25 mm袖閥管并在熱源井周邊50 cm范圍內預留3個φ50 mm注漿孔；各注漿管安裝完畢后，對熱源井進行現澆C40早強細石微膨脹混凝土進行封口處理，封口厚度不低于22 cm，須保證井管口封堵密實，待混凝土達到強度后再對管井進行注漿處理。

熱源井注漿加固共分三步：第一步是管井內PE管注漿處理，在熱源井封口前施工；第二步是熱源井預留袖閥管保壓注漿處理，待封口混凝土達到強度要求后，注入水泥-水玻璃雙液漿，濃度控制在24波美度以內，控制漿液凝結時間在3～5 min，確保熱源井管注漿密實；第三步是熱源井四周1 m范圍內采用WSS工法注漿法進行加固，用預留的3處φ50 mm注漿孔作業，水泥漿液采用超細水泥配制。三步注漿均須專人盯控，確保密實，防止盾構掘進過程中冒漿、失壓造成地面不均勻沉降等現象。

熱源井處理采取隔二挖一的措施，待一處三步注漿完畢并檢驗合格后，進行工作井回填工作，回填過程中進行強夯處理，確保回填密實，回填完畢可進行下一循環開挖處理工作。熱源井中心袖閥管及周圍注漿管可接引至地面，留作后序補償注漿使用，也可根據實際情況從新布設補償注漿孔。

熱源井三步注漿處理如圖3所示。

2.3 盾構穿越紅磚藝術館熱源井群洞內措施

2.3.1 盾構掘進參數控制

2.3.1.1 切口壓力控制

理論切口水壓上限值計算方法如下：

Pfu=P1+P2+P3=

γwh+K0[(γ-γw)h+γ(H-h)]+20

(1)

式中:Pfu為隧道頂部切口水壓上限值(kPa)；P1、P2、P3分別指地下水壓力、靜止土壓力、變動士壓力(kPa)；K0為靜止土壓力系數,K0=1-sinφ，φ為內摩擦角；h、H分別指地下水位以下至隧道頂部的埋深、地面至隧道頂部埋深(m)；γ為土的容重(N/m3)；γw為水的容重(kN/m3)。

其中理論切口水壓下限值計算方法如下：

Pfl=P1+P2+P3=

γwh+Ka[(γ-γw)h+γ(H-h)]-2cuKa+20

(2)

式中:Pfl,P2分別指隧道頂部切口水壓下限值、主動土壓力；P1，P3分別指地下水壓力、變動土壓力(kPa)；Ka為主動土壓力系數，Ka=tan2(45-φ)；cu為土的粘聚力(kPa)。

實際取值:

P=(Pfu+Pfl)/2-0.02 MPa

(3)

根據現場實際及計算，穿越紅磚藝術館區域管井群時，盾構機切口壓力應為0.23 MPa，為了保證土體穩定，施工中應當將切口壓力波動值控制在±0.01 MPa范圍內。

2.3.1.2 刀盤轉速調整

刀具貫入度是繼掘進速度確定后影響刀盤轉速的主要參數，其中刀具貫入度與掘進速度之間的關系為：

Pe=V/N

(4)

式中:Pe為刀具貫入度(mm/r)；N為刀盤轉速(r/min)；V為掘進速度(mm/min)。

在掘進過程中，若刀具貫入度過小，由于刀具易產生刮擦導致無法順利切削土體；若刀具貫入度過大，又將導致刀具線速度過快、產生更高的溫度,從而引起刀具額外的磨損[8]。因此，刀具貫入度應當控制在25 mm/r左右，刀盤轉速應控制在1.4～1.5 r/min，且應當根據實際掘進情況進行相應調整。

2.3.1.3 掘進速度控制

盾構掘進速度是施工過程極為重要的管理值之一，它決定了單位時間開挖的渣土量、單位時間管片脫出盾尾的長度以及開挖面到結構完成面的過渡時間[9]。一方面，若加快掘進速度，有利于提高施工效率，降低土層收斂變形時間，從而有效控制地面沉降的產生；另一方面，如果掘進速度過快，又容易造成注漿不及時、漿液填充度不夠，反而會造成地面沉降量增加。因此，穿越住宅建筑物段盾構掘進速度擬定為35～40 mm/min。

2.3.1.4 刀盤扭矩控制

根據前期1 500 m掘進參數及地質情況分析，穿越紅磚區時刀盤扭矩應控制在6～9 MN·m，可能局部出現扭矩增大現象，掘進過程中應提高重視，及時處理。

電解液分為液體電解液、固態電解質以及凝膠聚合物電解質。其中，液、固體電解質的鈉電池已成為未來儲能的重要發展方向[13-15]；而凝膠聚合物電解質因其不能大規模生產，還有待研究[16-17]。

2.3.1.5 盾構機姿態控制

在紅磚區內為了保持盾構平穩推進，掘進過程中每環測量3次盾尾間隙，根據測量情況及時調整盾構機姿態，平面位置控制在設計軸線±30 mm之內、盾尾間隙大于30 mm。

綜上所述，隧道下穿紅磚藝術館區域管井群時盾構參數如表1所示。

表1 下穿紅磚藝術館區域管井群時盾構參數

2.3.2 盾構掘進工程措施

(1)同步注漿措施。為了避免擊穿盾體外，應當加強控制壁后注漿及注漿壓力。其中注漿壓力應控制在0.5 MPa以下，注漿量控制在28 m3(約為空隙的150 %)。

(2)二次注漿。為了有效降低盾構機同步注漿砂漿收縮，填補建筑空隙不足引起的地表沉降，在盾構機掘進過程中，在脫出盾尾5～10環的位置注入水泥水玻璃雙液漿，壓力控制在0.4～0.6 MPa；注入量每環1.5～1.8 m3，水泥水玻璃雙液漿配合比如下：

水泥∶水=1∶1

水玻璃∶水=1∶1

水泥漿∶水玻璃溶液=1∶1

(3)二次深孔注漿措施。及時進行二次深孔加強注漿、管片注漿孔由9個/環增加為25 個/環(圖4)。

圖4 二次深孔加固示意

二次深孔注漿約在盾構通過10環位置進行，通過隔環開孔、每環開三個孔的方式進行，開孔深度宜為打穿同步注漿層即可，在此工程中深約50 cm；注漿壓力壓力控制在0.4～0.6 MPa；控制注漿量在每孔1～1.5 m3,并依照實際注漿壓力來控制注漿量。

2.3.3 其他洞內措施

(1)設備檢查、保養措施。為降低盾構穿越過程中的故障率，在試驗段及下穿紅磚藝術館區域前，對盾構機進行全面檢查維修，應備齊盾構常需配件。

(2)盾殼間隙注入克泥效。克泥效是以一定的比例混合特殊黏土與強塑劑后，即刻形可塑性黏土，其具有高黏度、不會硬化等特點[10]。在推進過程中注入克泥效可起到及時填充開挖直徑和盾體之間的空隙的作用，注入率約為120 %～130 %，具體用量可根據工程實際及時調整。

(3)泥漿指標設定及配置。盾構掘進過程中適當提高泥漿比重，根據經驗本工程中泥漿指標的設定如表2所示。

表2 泥漿指標

3 試驗段設置及監測措施

在盾構穿越紅磚藝術館區域管井群前，在其北側距離250 m處設置試驗段。試驗段長度90 m，模仿熱源井鉆井10排，每排2眼試驗井，排間距為10 m，以觀測掘進過程中地面冒漿情況及土體沉降變形情況，提前了解在實際掘進過程中可能出現的不利情況，以便于采取相應的工程措施。

3.1 試驗段監測點布設及監測

試驗段監測斷面布置間隔距離為10 m，其中每個斷面布設9個地面變形監測點，測點間距為3～10 m；軸線處設置深孔監測點，深度約15 m，距離盾構頂面5 m，詳細測點布置情況如圖5所示。監控量測分兩組(白班、夜班)，每組3人，3 h/次，分析監測數據并及時反饋指導盾構施工。

圖5 現場測點布置情況

3.2 試驗段洞內監測點布設及監測

洞內設置隧道拱頂沉降、凈空收斂(含橢圓度)、縱向沉降及位移等監測點，具體監測點布設情況見圖6。

圖6 洞內監測點布設示意

由于受現場條件限制，只對拱頂沉降進行監測，對盾構掘進、管片拼裝完成、脫出盾尾、注漿完成及后期的管片沉降情況進行綜合分析。

3.3 穿越區監測點布設及監測方案

根據試驗段監測數據的分析，監測點(含傾斜監測點)設置在紅磚藝術館建筑物四角、沿外墻每10～15 m處(或每隔2～3根構造柱)，每邊不少于3個監測點；建筑物具體監測點布設情況如圖7所示。

圖7 紅磚藝術館監測點布設示意

4 下穿密集管井群實施及監測成果

盾構穿越紅磚藝術館熱源井群共計拼裝管片20環40 m(從刀盤進入至盾尾拖出)，平均5 環/d，掘進參數無異常，地面未出現冒漿現象，紅磚藝術館主館最大沉降約為0.30 mm，最大差異沉降約為0.21 mm，墻體未出現裂縫、傾斜等不良現象，可認為加固措施安全有效。

5 結束語

盾構法施工已經廣泛應用于城區地下工程建設，施工過程中下穿建筑物或穿越過程中遇到管井、管井群是重難點問題之一。京沈客專望京隧道泥水盾構下穿紅磚藝術館區域熱源管井群方案的成功實施，可為后續在類似地層條件下的盾構工程提供技術資料和施工經驗的參考。