盾構近距離下穿既有隧道掘進參數試驗研究*

鄭光輝,李結元,王 攀,劉孟陽,陳 健

(1.武漢地鐵集團有限公司,湖北 武漢 430030;2.華中科技大學土木與水利工程學院,湖北 武漢 430074;3.華中科技大學國家數字建造技術創新中心,湖北 武漢 430074)

0 引言

據統計,截至2021年,我國共計有40多個城市開通了地鐵線路,總里程達7 209.7km,全國共有在建線路256條(段),在建線路里程6 096.4km。盾構法以其安全、高效等特點,在國內外隧道工程建設中應用越來越多［1］。伴隨著地下工程的不斷建設,增加了地質條件的復雜程度,新建隧道時常靠近既有建筑物樁基、深基坑或者既有隧道線路,當施工與既有建(構)筑物間距減少到一定程度時,可能影響既有建(構)筑物的運營和使用安全。為保證既有建(構)筑物安全,盾構參數的選擇對于盾構施工安全控制極為關鍵。王凱等［2］以汕頭蘇埃通道超大直徑泥水盾構為背景,建立了泥水阻力與盾構埋深的關系、總推力與摩擦阻力的關系,結合基巖段和軟土段TPI和FPI顯著的差異性,提出了判別盾構在基巖段和軟土段的方法。王福周等［3］以太原某盾構區間施工為例,研究注漿比例系數、注漿壓力和漿液彈性模量對地表沉降的影響規律,并對注漿參數進行優化。肖超等［4］統計分析了大直徑泥水盾構穿越地層裂隙密集帶的掘進參數,并從理論方面分析參數變化的原因,最后對盾構穿越地層裂隙密集帶掘進參數進行了控制。Zhou等［5］提出了一種對盾構隧道性能網絡進行建模和分析的方法,旨在將高維數據挖掘和復雜的網絡方法整合在一起進行盾構性能評估。徐汪豪等［6-7］通過統計的方法分析了大直徑泥水盾構不同地層的掘進參數,實現對盾構穿越不同地層掘進參數進行控制。因此,在這種背景下,如何確定合理的盾構掘進參數以減小對既有地鐵線的影響成為控制的關鍵。

本文以某市新建隧道左線下穿既有隧道為研究背景,利用項目左線選擇與下穿類似地層段進行試驗掘進,現場間隔10m共設置3個與既有線隧道底同深度的深層監測點,總結適合下穿既有地鐵線黏性土夾碎石地層的合理掘進參數,研究結果可供同類工程參考。

1 工程概況

某市既有地鐵線為已經通車運營的線路,線路從某大道下方穿過,新建地鐵線盾構區間與該既有地鐵線接近90°垂直交叉下穿,下穿既有線直徑6m,埋深9.92m,處于黏性土夾碎石中;新建地鐵線直徑6.2m,埋深18.62m,處于黏性土夾碎石和中風化白云巖地層中,兩隧道最小凈距約2.7m。在下穿既有地鐵線范圍主要穿越地層分為全斷面黏性土夾碎石地層及黏性土夾碎石和中風化白云巖上軟下硬地層。新建盾構隧道與既有線位置關系斷面如圖1所示。

圖1 新建盾構隧道與既有線平面位置關系示意Fig.1 The relationship between the new shield tunnel and the existing line

下穿既有地鐵線特點如下：①下穿土層上軟下硬,盾構姿態不易控制,容易出現抬頭,且距既有線凈距只有2.7m,容易對運營隧道造成影響;②通過對既有隧道的現場勘查,在下穿影響范圍內部分管環收斂超70mm,既有隧道對沉降、變形等擾動較敏感;③既有地鐵線是某市地鐵客運量最大(每日近100萬客流量)的線路,一旦有運營問題,社會影響大。為保證下穿安全,原設計方案中在既有線與新建線隧道之間在某大道站沿新建線方向單條隧道設置29根,共計58根60m長、直徑159mm超前管棚進行預加固及隔離,防止在盾構掘進過程中因圍巖松弛造成既有線隧道沉降變形超標。但在實際施工過程中,在黏土夾碎石地層中長管棚施作定位精度控制困難,先期幾根管棚施工出現較大偏差,對既有線產生了一定影響,最終取消了管棚超前加固措施。

由于在建線距離既有線間距僅為2.7m,且在穿越既有線左線過程中處于上軟下硬地層,盾構機姿態較難控制,同時又取消了管棚超前加固,這樣在盾構下穿過程中更加容易出現沉降控制困難,對既有線運營產生安全隱患。

2 試驗方法

根據左右線地質條件分析,選定在左線第1 290～1 311環進行工藝性試驗掘進(無上軟下硬地層)。在左線第1 297,1 304,1 311環共增設置3個深層監測點,通過盾構機在該區域的掘進參數調整,持續監測這3個點不同掘進階段的沉降值變化情況及地表監測數據,最終通過沉降監測數據選取最優的盾構掘進參數、渣土改良參數、同步注漿參數及克泥效注入參數,指導后續穿越段掘進施工。

深層監測點沿區間左線隧道中心線,每隔10m布設1個監測點,共布設3個深層監測點,監測點埋設深度至隧道頂板以上3m處,對應環號第1 297環、第1 304環及1 311環,其平面與豎向布置如圖2所示。

圖2 深層監測點位置Fig.2 Location of deep monitoring points

3 試驗設計

3.1 穿越深層監測點前試驗

在試驗前,左線盾構機掘進至第1 279環,刀盤位于1 283環;確定刀盤掘進第1 295～1 315環共21環為穿越深層監測點試驗掘進段,在穿越深層監測點試驗掘進段前對分散型泡沫劑、康達特盾尾油脂、克泥效施工多項參數提前進行試驗驗證。穿越深層監測點前試驗段布置如圖3所示。

圖3 深層監測點前試驗段Fig.3 Test section in front of the deep monitoring site

1)在第1 290～1 299環掘進過程中,在注入率與膨脹率不變的前提下將泡沫劑原液比分別用1%,2%,3%,4%和5%進行渣土改良(每2環1個配合比),通過觀察推力扭矩變化、螺旋機出土口渣樣的流塑性以及和易性選取最佳的泡沫原液配合比;記錄在黏性土夾碎石地層不同原液配合比下泡沫用量及水的用量。本階段主要試驗最佳渣土改良條件下泡沫劑及水的注入量。

2)在第1 290～1 294環連續注入康達特盾尾油脂,在第1 294環同步注漿時適當提高同步注漿壓力,控制在3～3.5bar,觀察盾尾是否存在漏漿情況,判斷康達特油脂的密封性能。

3)在第1 290～1 293環掘進過程中,對克泥效注入參數進行調整,在注入壓力維持在同步注漿壓力120%的前提下,分別在第1 290和1 291環采用配合比350kg/m3,第1 292環和1 293環采用配合比330kg/m3,當克泥效注入壓力達到設定值時停止注入,記錄當環克泥效注入量,計算出黏性土夾碎石地層的注入率、拼裝過程中壓降情況以及與同步注漿干擾情況,選取最佳的克泥效注入參數。待同步注漿初凝后在管片頂部安裝孔用細鋼管取樣,測試水泥砂漿層與克泥效的層厚占比。

3.2 穿越深層監測點試驗

根據地面深層監測點對應環號,將穿越深層監測點試驗掘進分為3個階段。

3.2.1第1階段為參數試驗段

1)當刀盤位于第1 295～第1 296環時,刀盤在1號監測點通過前掘進;設定推力、扭矩、貫入度、土壓(2.1bar)、出土量(63～65m3)等主要掘進參數,通過掘進過程中的連續性及地面監測數據及時調整土倉壓力及盾構機推力。刀盤通過1號監測點前掘進如圖4所示。

圖4 刀盤通過1號監測點前Fig.4 The cutter passing through before No.1 monitoring point

此階段對1號深層監測點進行監測,所反映的沉降數據為盾構機通過前的沉降,主要體現盾構機推進過程中土倉壓力控制值的合理性及地層的氣密性。

在掘進過程中如監測數據顯示隆起則適當減小土倉壓力及增大盾構出土量,如監測數據顯示下沉則增大土倉壓力及減小出土量。通過拼裝期間壓降情況驗證地層氣密性。本階段主要目的是驗證土倉壓力設定值與沉降值變化的關系。

2)當刀盤位于第1 297環時,刀盤抵達1號監測點,如圖5所示。

圖5 刀盤抵達1號監測點Fig.5 The cutter arriving at No.1 monitoring point

此階段同步監測刀盤正上方1號監測點及地面沉降或隆起量,調整切口環處壓力及出土量。通過監測數據分析出土量控制值的合理性。調整出土量在63～65m3范圍內,根據出土量變化觀察沉降值變化,通過沉降值驗證出土量采用理論值是否合理。

3)當刀盤位于第1 298～1 301環時,盾殼下穿1號監測點,盾殼通過1號監測點掘進如圖6所示。

圖6 盾殼通過1號監測點Fig.6 Shield shell passing through No.1 monitoring point

此階段主要通過前盾徑向孔注入克泥效,通過第1 290環～1 293環克泥效試驗選取的注漿參數應用在第1 298環～1 301環,并通過1號深層監測點觀察在盾構機盾殼穿越時沉降值變化,驗證克泥效施工參數控制值的合理性。

3.2.2第2階段為參數調整段

1)當刀盤位于第1 302～1 303環時,刀盤在2號監測點小環號側掘進。刀盤通過2號監測點前掘進如圖7所示。

圖7 刀盤通過2號監測點前Fig.7 The cutter passing through before No.2 monitoring point

在刀盤位于第1 302～1 303環,開始采用滿倉掘進模式,綜合對比第1階段刀盤通過1號監測點前的渣土改良效果、盾構機推力、扭矩、推進速度及同時期1號監測點和2號監測點的沉降值,分析半倉掘進模式和滿倉掘進模式對地層擾動及沉降數據的影響。通過沉降值對比分析確定適合黏性土夾碎石地層的掘進模式。

此階段盾尾脫出1號監測點,通過對1號監測點的監測數據分析同步注漿量及漿液質量控制值的合理性。

2)當刀盤位于第1 304環時,刀盤抵達2號監測點,如圖8所示。

圖8 刀盤抵達2號監測點Fig.8 The cutter arriving at No.2 monitoring point

在穿越2號深層檢測孔時繼續采用滿倉掘進模式,通過收集當環的出土量,對比1號監測點當期的出土量,分析兩種模式下出土量控制在設定值范圍內時對沉降數據的影響。

3)當刀盤位于第1 305～1 308環時,盾殼通過2號監測點,如圖9所示。

圖9 盾殼通過2號監測點Fig.9 Shield shell passing through No.2 monitoring point

在此階段驗證滿倉掘進對克泥效注入是否產生影響,對比盾構機盾殼穿越1號監測點時克泥效注入量與配合比,分析在滿倉掘進過程中在維持注入壓力不變的情況下降低克泥效的注入量對沉降數據的影響。

3.2.3第3階段為參數驗證段

1)當刀盤位于第1 309～1310環時,刀盤在3號監測點小環號側掘進。刀盤通過3號監測點前掘進如圖10所示。

圖10 刀盤通過3號監測點前Fig.10 The cutter passing through before No.3 monitoring point

通過前兩個階段總結合理的掘進模式、土倉壓力、渣土改良參數運用在此階段,驗證參數合理性。

此階段盾尾脫出2號監測點,通過對此階段2號監測點的監測數據分析對比1號監測點沉降監測數據,調整同步注漿量參數。

2)當刀盤位于第1 311環時,刀盤抵達3號監測點,刀盤抵達3號監測點掘進如圖11所示。

圖11 刀盤抵達3號監測點Fig.11 The cutter arriving at No.3 monitoring point

3)當刀盤位于第1 312～1 315環時,盾殼下穿3號監測點,如圖12所示。

圖12 盾殼通過3號監測點掘進Fig.12 Shield shell passing through No.3 monitoring point

在第1階段設定一套理論盾構掘進參數,通過第1階段施工過程中保壓情況、渣土改良情況、地面沉降監測情況綜合分析該設定值是否合理;在第2階段掘進過程中不斷調整第1階段中不合理的掘進參數,在2號監測點同步監測地面沉降監測數據;根據1號和2號監測點各階段的沉降數據分析,在第3階段采取沉降量最小時的掘進模式及掘進參數,通過3號監測點監測數據驗證該掘進參數的合理性及可行性。

待盾構機盾尾分別通過1,2,3號監測點5～8環后進行二次注漿,注漿后分別對3個監測點進行監測,判斷工后沉降的影響及二次注漿效果。

4 盾構參數設定與沉降關系分析

4.1 各階段刀盤通過監測點前沉降數據對比

以各階段刀盤通過前的沉降數據作對比,分析沉降值變化趨勢及對應掘進參數,各階段深層監測點沉降數據如表1所示。

表1 各階段刀盤通過前沉降數據對比分析Table 1 Settlement data contrastive analysis before cutter passing through

刀盤通過1號深層監測點前土倉壓力設定為2.1bar,沉降值為-0.99mm,在刀盤通過3號深層監測點前土倉壓力設定為2.2bar,沉降值為-0.02mm。

4.2 各階段刀盤通過監測點時沉降數據對比

以各階段刀盤通過監測點正下方時的沉降數據作對比,分析沉降值變化趨勢及對應掘進參數,各階段深層監測點沉降數據如表2所示。

表2 各階段刀盤通過時沉降數據對比分析Tble 2 Settlement contrastive analysis when cutter passing through

刀盤通過1,2,3號深層監測點時出土量均控制在63～65m3范圍內,在刀盤通過1號深層監測點正下方時沉降值為-0.26mm,在刀盤通過2號深層監測點正下方時沉降值為-0.30mm,在刀盤通過3號深層監測點正下方時沉降值為-0.21mm。

4.3 各階段盾體通過監測點時沉降數據對比

以各階段盾體通過監測點正下方時的沉降數據作對比,分析沉降值變化趨勢及對應掘進參數,各階段深層監測點沉降數據如表3所示。

表3 各階段盾體通過時沉降數據對比分析Table 3 Settlement data contrastive analysis when shields passing through

盾體通過1號深層監測點時克泥效注漿壓力控制在2～3bar,注入率為120%,同步注漿壓力為2～3bar,注漿量為6.5m3左右,在盾體通過1號深層監測點時沉降值為-1.08mm,盾體通過2號深層監測點時克泥效注漿壓力控制在3～3.5bar,注入率為120%,同步注漿壓力為2～3.5bar,注漿量為6.5m3左右,在盾體通過2號深層監測點時沉降值為-0.89mm,盾體通過3號深層監測點時克泥效注漿壓力控制在3～3.5bar,注入率為120%,同步注漿壓力為2～3.5bar,注漿量為6.5m3左右,在盾體通過3號深層監測點時沉降值為-0.38mm。

5 結語

本次試驗段主要驗證了黏性土夾碎石地層的掘進參數、注漿參數、渣土改良參數等。通過3個階段的同步壓力注漿壓力調整試驗,整個試驗掘進過程盾尾均未發生漏漿現象,驗證康達特盾尾油脂具備良好的密封效果。本次試驗段主要結論如下。

1)刀盤通過3號監測點前2環累計沉降量為-0.02mm,對比刀盤通過2號監測點前2環累計沉降量為-0.49mm、刀盤通過1號監測點前2環累計沉降量為-0.81mm,在第3階段驗證段內采用土倉壓力為2.2bar后,盾構機刀盤通過監測點前沉降已完全得到控制,因此在第3階段成功驗證將土倉壓力設定為2.2bar為合理的;通過掘進過程中壓力波動情況及拼裝過程中壓降情況均小于0.2bar,驗證黏性土夾碎石地層氣密性好。

2)第1 291～1 300環泡沫改良及原液比試驗,分別采用了1%,2%,3%,4%,5%這5種配合比,通過分析螺旋機出土口及渣土在皮帶上的運輸情況,當原液比設定在3%時改良效果最佳,在第1 301～1 311環驗證該配合比具備最佳的改良效果,在后續穿越施工中將采用3%泡沫原液比,每環加水量控制在8～9m3范圍內。

3)根據第1階段試驗將克泥效注漿壓力由2～3bar調整至3～3.5bar,在第1 305～1 311環盾構機盾殼通過3號監測點累計沉降值為-0.55mm,對比第1 301～1 304環盾構機盾殼通過2號監測點累計沉降值為-0.89mm、第1階段第1 294～1 297環盾殼通過1號監測點累計沉降值為-1.08mm,第3階段成功驗證克泥效注入過程中采用3～3.5bar注漿壓力及0.9～1m3的注漿量有效控制盾殼通過期間的沉降,根據試驗結果擬定穿越段克泥效注漿壓力為3～3.5bar、注漿量為0.9～1m3。

4)通過3個階段試驗數據進行總結,施工過程中采用掘進參數為：刀盤轉速1.5r/min、推進速度20～50mm/min、螺旋機轉速4～13r/min、土壓2.1～2.3bar。根據3個階段同步注漿參數分析,當不注入克泥效時,同步注漿壓力可控制在2～3bar,但在掘進過程中注入克泥效時需將同步注漿壓力提高至2～3.5bar,將同步注漿量控制在每環6.5m3,可有效控制管片拖出盾尾后的地層沉降。

本次試驗確定的掘進參數成功指導了后續穿越段的掘進施工,保證了既有線的安全與正常運營(目前安全穿越既有線,下穿具體控制措施與效果另見論文);這種利用現場實際工程開展試驗確定施工掘進參數的方法,為同類工程提供借鑒。