盾構(gòu)穿越淺覆土河床施工技術(shù)研究與應(yīng)用*

楊浩偉，段軍朝，趙旭坤

(1.湖北大學(xué)，湖北 武漢 430062； 2.中建三局基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投資有限公司，湖北 武漢 430061；3.陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 渭南 714025)

0 引言

隨著我國(guó)城市化建設(shè)的不斷推進(jìn)，城市人口和面積不斷擴(kuò)大，城市化建設(shè)在提高人民生活品質(zhì)的同時(shí)，也帶來(lái)了過(guò)多人口涌入城市、城市交通擁堵等一系列社會(huì)問(wèn)題[1]。地鐵以其安全、快速、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為人們首選出行方式，國(guó)家和各級(jí)政府也高度重視城市地下交通的建設(shè)[2]。而在地鐵建設(shè)中，盾構(gòu)以其安全、高效、環(huán)保、適用地層多樣等優(yōu)勢(shì)，成為地鐵施工的首選方案。

由于城市地形、地層條件相對(duì)復(fù)雜，地鐵線路常常需要穿越既有房屋、橋梁、道路、河流等，盾構(gòu)施工過(guò)程中，如何快速、安全、經(jīng)濟(jì)地穿越既有構(gòu)(建)筑物，成為擺在地鐵施工管理人員面前的難題[3]。本文以成都地鐵6號(hào)線三期工程新龍盾構(gòu)區(qū)間為例，研究了在汛期條件下，通過(guò)調(diào)整工序、采取針對(duì)性措施，使盾構(gòu)安全、快速穿越沙河溝橋，并滿足工期和經(jīng)濟(jì)性要求。

1 工程概況

沙河溝位于新龍盾構(gòu)區(qū)間，采用土壓平衡盾構(gòu)施工，盾構(gòu)管片外徑6m，管片內(nèi)徑5.4m。據(jù)地勘資料顯示，隧道平均埋深4.669m，區(qū)間隧道下穿沙河溝區(qū)域主要地層為素填土和中風(fēng)化砂巖，年平均降水量879.3mm，隧道垂直穿過(guò)沙河溝，河溝平均寬6m，深4m，地表水與地下水聯(lián)系弱。現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)斷面如圖1所示。

圖1 沙河溝地質(zhì)斷面

由于沙河溝段隧道埋深淺(小于1倍洞徑)，且地層較差，采用土壓平衡盾構(gòu)，在穿越沙河溝橋過(guò)程中，存在重大施工安全風(fēng)險(xiǎn)，加之項(xiàng)目工期受汛期影響，已經(jīng)嚴(yán)重滯后，若按常規(guī)施工方法，先施作抗浮壓板，再穿越河段將無(wú)法按時(shí)完成整個(gè)項(xiàng)目，所以項(xiàng)目根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整工序，采用河床加固和洞內(nèi)加載等措施，使盾構(gòu)先穿越沙河溝，再施作抗浮壓板的施工方案，控制盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)，防止河床坍塌或涌水現(xiàn)象發(fā)生。

2 工程控制措施

結(jié)合類(lèi)似工程經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，決定采取以下施工控制措施：①施工前對(duì)河床進(jìn)行加固；②合理選取注漿壓力，縮短漿液的初凝時(shí)間；③盾構(gòu)下穿河道過(guò)程中選取合適的掘進(jìn)參數(shù)。

2.1 河床加固措施

由于盾構(gòu)穿河段埋深淺，地質(zhì)條件差，若不采取河床加固措施，極易產(chǎn)生河道翻漿冒泥，盾構(gòu)土壓無(wú)法保證，影響盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)，進(jìn)而影響掘進(jìn)速度，致使盾構(gòu)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間停留在河流地段，增加了盾構(gòu)機(jī)被埋、被淹風(fēng)險(xiǎn)[4-5]。項(xiàng)目主要采取的河床加固措施分為兩類(lèi)：河床覆土回填反壓和河床素噴混凝土。

1)覆土回填高度計(jì)算

目前沙河溝河道已導(dǎo)流至南側(cè)承臺(tái)邊，現(xiàn)狀河床標(biāo)高為485.800m，距隧道頂豎向距離為5.74m。計(jì)劃再進(jìn)行覆土回填，以滿足盾構(gòu)穿越條件。對(duì)管片上浮計(jì)算，不考慮上覆土體摩阻力，簡(jiǎn)化計(jì)算如圖2所示。

圖2 臨界覆土高度計(jì)算簡(jiǎn)圖

單位長(zhǎng)度管片自重：

Gc=π(R2-r2)γc

(1)

單位長(zhǎng)度管片所受浮力：

F浮=πR2γg

(2)

單位長(zhǎng)度管片上覆土體有效質(zhì)量：

W=2Rhγ+2R(d-h)(γs-γw)

(3)

由力學(xué)平衡分析,臨界狀態(tài)得到：

W+Gc=F浮

(4)

水下隧道抗浮臨界覆土厚度為：

(5)

式中：γg為同步砂漿容重，取17.5N/m3；γs為回填土飽和容重，取19kN/m3；γw為水的容重，取10kN/m3；γ為回填土天然容重，取17kN/m3；γc為管片容重，取24.5kN/m3；R為管片外半徑，取3.0m；r為管片內(nèi)半徑，取2.7m。

據(jù)調(diào)查，沙河溝水位距離隧道頂標(biāo)高為5.3m，因此將以上數(shù)據(jù)代入最小覆土厚度公式，得到：h=0.75m。

臨界覆土厚度為6.05m，取安全系數(shù)1.15計(jì)算，得到堆土厚度為6.958m，目前現(xiàn)狀覆土厚度為5.74m，即覆土還需回填1.218m，滿足盾構(gòu)穿越條件。

回填采用渣土車(chē)運(yùn)土至現(xiàn)場(chǎng)，卸土后采用挖機(jī)配合推土機(jī)由北向南、由東向西回填，每層回填厚度≤50cm，每層回填完成后采用20t壓路機(jī)壓實(shí)，直至回填到設(shè)計(jì)標(biāo)高。回填土下部埋設(shè)DN2 000混凝土涵管進(jìn)行河流導(dǎo)流。

2)河床表面噴混凝土

由于施工期間正值成都地區(qū)雨季，為防止回填土被雨水沖刷流失，回填后的河床表面采用C25混凝土噴面。

2.2 洞內(nèi)同步注漿加固

盾構(gòu)洞內(nèi)同步注漿是為了及時(shí)填充管片壁后間隙，控制地表沉降，同時(shí)能夠作為管片外部防水及結(jié)構(gòu)加強(qiáng)層。而初凝時(shí)間是同步注漿漿液的主要性能指標(biāo)，漿液初凝時(shí)間過(guò)長(zhǎng)容易造成漿液流失，初凝時(shí)間過(guò)短容易造成管片壁后空隙填充不完全。根據(jù)地質(zhì)條件選擇性能與之匹配的同步注漿漿液，是確保注漿效果的關(guān)鍵。

沙河溝盾構(gòu)施工區(qū)段地層為素填土和中風(fēng)化砂巖，屬于典型的上軟下硬地層，地層條件較差，根據(jù)已有研究和施工經(jīng)驗(yàn)表明，水泥用量是影響漿液初凝時(shí)間的主要因素。故根據(jù)沙河溝的地層條件，設(shè)計(jì)室內(nèi)試驗(yàn)，在確保漿液流動(dòng)性、泌水率和抗壓強(qiáng)度的前提下，研究不同水泥用量條件下漿液的初凝時(shí)間(見(jiàn)圖3)，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

圖3 不同水泥用量下漿液初凝時(shí)間變化曲線

表1 不同配比下漿液性能 kg·m-3

由圖3可知，漿液初凝時(shí)間隨著水泥用量的增加而減少，相反初期強(qiáng)度隨著水泥用量的增加而增加。根據(jù)已有經(jīng)驗(yàn)并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工情況，最終確定如表2所示漿液配合比，可以看出，此時(shí)漿液的初凝時(shí)間<4h，初期強(qiáng)度>3.5MPa。

表2 沙河溝盾構(gòu)施工同步注漿配合比與材料用量

2.3 盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)選取

2.3.1土倉(cāng)壓力

根據(jù)土壓平衡工況的特點(diǎn)，確定并保持合理的土倉(cāng)壓力是關(guān)鍵。因此，土壓平衡工況中掘進(jìn)參數(shù)的確定以土倉(cāng)壓力為基準(zhǔn)點(diǎn)考慮，掘進(jìn)控制程序也應(yīng)以保持土倉(cāng)壓力為目的[6-8]。

根據(jù)以往施工經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)科研成果，采用近似上覆土重理論分段進(jìn)行土壓力計(jì)算。P值應(yīng)能與地層土壓力和靜水壓力相平衡。設(shè)刀盤(pán)中心地層靜水壓力、土壓力之和為P1：

P1=γh

(6)

式中：γ為土的加權(quán)平均重度(沙河溝覆土回填后，刀盤(pán)中心以上為1.4m中風(fēng)化砂巖、8.25m素填土，中風(fēng)化砂巖平均重度取23.5kN/m3，素填土平均重度取18.5kN/m3；γ取19.23kN/m3；h為刀盤(pán)中心至地表的垂直距離，取9.655m)。

P=KP1+P2

(7)

式中：K為土的側(cè)向靜止土壓力系數(shù)，取0.2；P2為附加荷載，取20kPa。

根據(jù)回填覆土高度，綜合計(jì)算，P=0.057MPa，同時(shí)考慮1.1的系數(shù)，土壓力應(yīng)控制在0.06～0.07MPa。

2.3.2推進(jìn)速度

穿越期間，推進(jìn)速度應(yīng)適當(dāng)放緩，速度宜控制在30～40mm/min，并根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果和排土情況調(diào)整。螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速根據(jù)設(shè)定土壓力與推進(jìn)速度匹配。

2.3.3出土量

每環(huán)出土量計(jì)算：

(8)

式中：K為土體松散系數(shù)，取1.3；D為盾構(gòu)開(kāi)挖直徑，6.28m；L為掘進(jìn)長(zhǎng)度，1.5m。

計(jì)算得到：V=60.4m3，每環(huán)出土方量控制在61m3以內(nèi)。

3 施工監(jiān)測(cè)

盾構(gòu)下穿過(guò)程中，對(duì)盾構(gòu)管片拱頂沉降和地表沉降進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。

3.1 地表沉降監(jiān)測(cè)

在沙河溝橋附近15m范圍內(nèi)，對(duì)地表沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè)，盾構(gòu)下穿過(guò)程中，隧道中心線的地面隆起和沉降量應(yīng)控制在+10～-30mm[9]。盾構(gòu)穿越期間，在隧道軸線沿中心線每5m設(shè)1個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，以右線為例，盾構(gòu)穿越沙河溝期間地表監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如表3所示。右線地表沉降變化曲線如圖4所示。

表3 右線地表沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù) mm

圖4 右線地表沉降變化曲線

由圖4可以看出，在盾構(gòu)穿越沙河溝過(guò)程中，地表沉降累積量表現(xiàn)為先增加，盾構(gòu)穿越完成之后，地表沉降量逐漸減小，直至穩(wěn)定。地表沉降-21.1mm<控制值(-30mm)。

3.2 管片拱頂沉降監(jiān)測(cè)

盾構(gòu)洞通后抗浮板施工時(shí)進(jìn)行管片拱頂下沉、收斂變形監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)頻率從下穿過(guò)程中1～3次/d調(diào)整為1次/2d，直到穩(wěn)定。管片拱頂沉降監(jiān)測(cè)日變化量報(bào)警值±3mm、累計(jì)變化量報(bào)警值±10mm[10]。以右線為例，盾構(gòu)穿越沙河溝期間管片拱頂累積沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如表4，圖5所示。

表4 右線拱頂沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù) mm

圖5 右線拱頂沉降變化曲線

由圖5可以看出，在盾構(gòu)穿越沙河溝橋過(guò)程中，右線拱頂日變形量最大為0.65mm，累積最大變形量為2.65mm，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)穩(wěn)定，變形量可控，管片未出現(xiàn)上浮量過(guò)大的現(xiàn)象，說(shuō)明采取河面覆土反壓和洞內(nèi)二次注漿等措施對(duì)管片拱頂沉降控制安全可行。

4 結(jié)語(yǔ)

本文以成都地鐵6號(hào)線三期工程新龍區(qū)間盾構(gòu)穿越沙河溝為例，研究盾構(gòu)在汛期條件下穿越上軟下硬地層時(shí)，通過(guò)采取地表及洞內(nèi)相結(jié)合的加固措施，選取合理掘進(jìn)參數(shù)，使得盾構(gòu)安全快速穿越沙河溝，主要結(jié)論如下。

1)為確保盾構(gòu)安全通過(guò)沙河溝，結(jié)合理論計(jì)算得安全覆土高度為6.958m，需回填的覆土高度為1.218m。覆土回填壓實(shí)之后，采用C25混凝土進(jìn)行表面素噴。

2)根據(jù)沙河溝地質(zhì)條件，結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)給出了適用于該地層的漿液配合比，此時(shí)漿液初凝時(shí)間<4h，初期強(qiáng)度>3.5MPa。

3)根據(jù)理論計(jì)算和已有施工經(jīng)驗(yàn)給出了盾構(gòu)穿越沙河溝的掘進(jìn)參數(shù)：土倉(cāng)壓力0.06～0.09MPa，推進(jìn)速度30～40mm/min，出土量<61m3/環(huán)。

4)制定監(jiān)測(cè)方案，對(duì)盾構(gòu)穿河前后地表沉降和管片拱頂沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)穩(wěn)定，工程安全保障措施效果顯著。