土壓平衡式盾構(gòu)下穿河流施工技術(shù)研究

王 偉，辛振省，彭加強(qiáng)

(1.浙江建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，杭州 311231;2.中鐵三局集團(tuán)有限公司，太原 030001;3.中國水電顧問集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院，杭州 300014)

1 概述

針對盾構(gòu)下穿江河施工的案例并不缺乏，但均為泥水盾構(gòu)下穿江河施工，土壓平衡盾構(gòu)由于自身特點(diǎn)，一般不用于下穿河流施工，但是綜合地層等因素，不可能由于局部小型河流而改變盾構(gòu)的原定的型式;再者，大型河流的下穿造價巨大，本工程不可能采用和參考，本標(biāo)段選擇了土壓平衡盾構(gòu)施工，而本工程下穿河流采用土壓盾構(gòu)施工。

本工程地鐵標(biāo)段需下穿市內(nèi)河流(圖1)，該處盾構(gòu)隧道最小埋深約5.6 m，盾構(gòu)開挖直徑為6.2 m，屬于超淺埋盾構(gòu)隧道施工。河水深3～5 m，水位高程394.8 m，河水流速不大，流量較大，在下游側(cè)有一水閘截水，盾構(gòu)范圍內(nèi)的主河道的水閘關(guān)閉后造成河道水位上升，故在施工前需將此閘開啟泄洪，將主河道水位降低。河道是人工開挖的河道，河床及邊坡采用混凝土砂漿塊石砌成，漿砌石下部水底約有0.5 m厚的淤泥層。

圖1 盾構(gòu)需穿越的城市河流

經(jīng)過補(bǔ)充勘察，此段地質(zhì)情況自上而下依次為:人工填土層、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉土、粉細(xì)沙、中細(xì)沙，地層呈斜向參差分布。

2 數(shù)值計(jì)算分析

2.1 模型建立及參數(shù)選取

根據(jù)圣維南原理，在距離開挖擾動區(qū)一定遠(yuǎn)處的擾動應(yīng)力為零，此邊界上的位移也為零，所以取模型足夠大，以保證邊界位移基本為零，減小計(jì)算的誤差。故取模型長度200 m，寬度60.8 m，模型高度為46 m，建成隧道的直徑為5.2 m，由于管片部分和壓漿的需要，需要盾構(gòu)開挖直徑為6.2 m，模型尺寸及地層分布如圖2所示，計(jì)算土體參數(shù)及管片參數(shù)如表1、表2所示。

圖2 模型尺寸及地層分布(單位:m)

表1 工程巖土力學(xué)參數(shù)

表2 管片參數(shù)

2.2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果及相關(guān)分析

由于開挖對河床產(chǎn)生影響，河床和兩河岸都將發(fā)生不對稱偏移，位移在開挖一端較大，而在對岸較小。待第二臺盾構(gòu)隧道穿過河底后，其位移基本達(dá)到對稱。開挖段由于2條隧道開挖的影響，盾構(gòu)隧道在中途暫停處位移量較大，雖然兩河岸處總位移量具有較強(qiáng)的不對稱性，但是豎向位移量差別并不大，說明在盾構(gòu)推進(jìn)的過程中，地層水平向位移有較大的不對稱性。開挖明顯會使兩邊河岸處土體發(fā)生較大滑移下沉，在河床兩邊會發(fā)生反拱現(xiàn)象，此時的位移量都很小，均在10 mm以內(nèi)。在兩隧道接頭處位移會有所增加，其綜合位移值也不會超過15 mm。豎向位移都在10 mm以內(nèi)，但在河岸處達(dá)到15 mm。

隨著盾構(gòu)的推進(jìn)，特別是推進(jìn)至河底的過程中，由于上覆土厚度變化較為劇烈，在施工的過程中很難及時調(diào)整土壓力以適應(yīng)土層的變化，所以在推進(jìn)的過程中，如果沒有相應(yīng)的措施，此處的河底破壞較為嚴(yán)重，而且這種破壞會迅速的擴(kuò)展到兩岸，從模擬結(jié)果分析，這種破壞會延伸至盾構(gòu)前方30 m左右，并且位移并不收斂。

由于開挖的影響和河底滲流的發(fā)生，將對河床底部產(chǎn)生平面剪切破壞和法向剪切破壞，由于河床下部土質(zhì)較差，大部分是淤泥質(zhì)土，而且含水量大，所以在河床下部，掌子面前方會發(fā)生一定區(qū)域的破壞。在開挖隧道的周圍，由于開挖擾動的影響，也會發(fā)生不同程度剪切破壞，但是由于盾構(gòu)的支撐作用和管片安裝及時，隧道周邊剪切破壞區(qū)很小。從圖3可看到，對河床的破壞在橫向是很有限的，影響范圍在距離隧道20 m以內(nèi)。以外的區(qū)域河床在兩岸邊附近發(fā)生局部輕度的剪切破壞，但是河床的破壞會對整個工程產(chǎn)生重大不利影響，盾構(gòu)下穿過程中，上覆土厚度急劇變化造成土壓力變化劇烈，河岸處破壞嚴(yán)重，所以上述情況為施工注意的重點(diǎn)，有必要實(shí)行特殊施工方法，以減小河床及河岸的位移和破壞區(qū)域。

圖3 盾構(gòu)下穿河流過程中力學(xué)場分布

3 下穿河流施工措施

3.1 圍堰施工

施工前首先進(jìn)行對護(hù)城河加固區(qū)段圍擋施工，圍擋分東西兩側(cè)，東側(cè)的圍擋面積為392 m2，其周長為84 m;西側(cè)的圍擋面積為371 m2，其周長為82 m。

在兩側(cè)做好砂袋圍堰，并抽干施工區(qū)域內(nèi)的河水后，對河床底沉積的淤泥進(jìn)行清理。

圍堰取雙層草(麻)袋，中間設(shè)黏土心墻，草(麻)袋圍堰的主要填料為黏性土。草(麻)袋圍堰填筑前應(yīng)清理堰底處的樹根、草皮、石塊等雜物。填筑時先施工上游的圍堰后施工下游圍堰，并且先施工外圈圍堰，后施工內(nèi)圈圍堰。

外圈碼成后，先行抽水，掏挖去內(nèi)圈圍堰位置處的透水層土體，堆碼內(nèi)圈圍堰土袋。施工期間圍堰內(nèi)挖積水坑，隨時將水抽干，內(nèi)外堰之間填筑1 m寬的黏土心墻，防止河床漏水。堰頂寬2 m，堰底寬9.5 m，內(nèi)側(cè)邊坡坡率取1∶0.3，外側(cè)邊坡坡率取1∶0.75。草(麻)袋盛裝松散黏性土，裝填量為袋容量的1/2～2/3，袋口用細(xì)麻線或鐵絲縫合，施工時將土袋平放，上下左右互相錯縫堆碼整齊，水中土袋用帶鉤的木桿鉤送就位。

圍堰應(yīng)盡量做到防水嚴(yán)密，減少滲漏。水流流速較大時，外圍草(麻)袋可用小卵石或粗砂裝袋，以免流失，必要時也可拋片石防護(hù)、或用竹籠或柳條筐盛裝砂石在堰外防護(hù)。

3.2 砂袋反壓

由于盾構(gòu)通過河流岸邊時，上覆土厚度突然變薄，上覆土壓力變小，導(dǎo)致切口壓力的突變，盾構(gòu)土倉壓力很難適時調(diào)整，造成土壓力不能保持平衡而失穩(wěn)，直接導(dǎo)致河岸及其上建筑物的破壞，所以必須在河底進(jìn)行填土反壓，如圖4所示，以降低土壓力變化的幅度，易于及時調(diào)整土倉壓力，保證施工的安全?；诃h(huán)境保護(hù)和清理方便的考慮，本工程采用河底填筑塑料砂袋的施工方法。

圖4 河底填筑砂袋反壓

3.3 對河岸及河底的注漿加固

(1)根據(jù)計(jì)算分析結(jié)果對河流兩岸邊坡進(jìn)行注漿加固，以增強(qiáng)河岸土體抵抗地層擾動的能力。

(2)在河床底盾構(gòu)通過區(qū)采用旋噴加固，形成抗浮板，加固深度為從河床底到盾構(gòu)底以下2 m。

(3)橋涵底板以下部分采用垂直袖閥管注漿加固，在橋涵基礎(chǔ)部位采用袖閥管斜插注漿，達(dá)到改善河底及橋涵下土體的目的，且橋基下第一道袖閥管注漿要充足，保證橋基下土體達(dá)到強(qiáng)度要求。

本區(qū)段采用雙重管法施工，旋噴樁直徑為φ600 mm，間距為500 mm，噴注漿的材料用強(qiáng)度等級為42.5級的普通硅酸鹽水泥，注漿參數(shù)及注漿設(shè)備見表3。

表3 雙重管注漿法施工機(jī)具的選用及技術(shù)參數(shù)

3.4 盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)控制

(1)在盾構(gòu)通過河岸施工過程中，由于上覆土厚度突變，引起掌子面壓力的突變，在施工過程中及時調(diào)整土壓盾構(gòu)切口壓力，確保土壓平衡，在土壓平衡狀態(tài)下勻速通過，通過河岸前土倉壓力為0.23 MPa，推進(jìn)速度降低至10 mm/s，進(jìn)入河岸時，盾構(gòu)土倉壓力在1 min內(nèi)調(diào)至0.1～0.05 MPa，盾構(gòu)進(jìn)入反壓區(qū)后再次把土倉壓力調(diào)回到0.15

～0.2 MPa，盾構(gòu)推至對岸時，加大土倉壓力至0.2～0.25 MPa，整個過程的推進(jìn)速度均控制在 5～10 mm/s。

(2)及時注漿減少地層損失，嚴(yán)格控制同步注漿量和注漿壓力，注入量一般為150% ～200%的理論盾尾空隙量，注漿壓力一般略大于隧道底部的土壓力。

(3)采用二次注漿輔助施工法，二次注漿壓力以0.4 MPa為控制壓力，接近此壓力，立即停止注漿。

(4)對同步注漿及二次注漿的漿液質(zhì)量、注漿量、注漿壓力、速度嚴(yán)格控制，防止注漿引起土體隆起，在施工中對地上地下進(jìn)行跟蹤監(jiān)測，路面沉降報(bào)警值為+10 mm和－30 mm，并根據(jù)反饋數(shù)據(jù)及時調(diào)整施工參數(shù)，達(dá)到動態(tài)施工。

(5)在到達(dá)河流岸邊前選擇一開挖面自穩(wěn)性較好的地段對盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行全面檢修，減少在下穿河流段停機(jī)檢修的風(fēng)險。

4 監(jiān)測結(jié)果分析

為了及時反映地面河流及附近附屬構(gòu)筑物的沉降情況，進(jìn)而適時調(diào)整推進(jìn)參數(shù)達(dá)到動態(tài)施工，沿盾構(gòu)推進(jìn)方向在河底及對稱兩側(cè)布置監(jiān)測點(diǎn)(河底為0點(diǎn))，監(jiān)測每個監(jiān)測點(diǎn)的位移量及位移速度(圖5)，從施工情況和監(jiān)測結(jié)果分析，整個施工過程，河岸與河底的位移量較大，位移速度變化較為劇烈，但是通過預(yù)先的加固處理及盾構(gòu)推進(jìn)參數(shù)的優(yōu)化，最大位移量均控制在20 mm以內(nèi)，整個施工過程未對河流及岸邊構(gòu)筑物造成破壞，充分說明先前的分析是正確的，加固方案是成功的。

5 結(jié)語

圖5 監(jiān)測結(jié)果曲線

土壓平衡式盾構(gòu)在配合適當(dāng)?shù)妮o助加固措施的情況下完全可以下穿城市景觀河流;其間主要的施工輔助加固措施有河岸的加固、河底填土反壓及適當(dāng)注漿加固、盾構(gòu)推進(jìn)參數(shù)及注漿參數(shù)的適時調(diào)整;在此過程中，要加強(qiáng)地面的監(jiān)控量測，及時分析地層位移規(guī)律，根據(jù)位移規(guī)律及時調(diào)整盾構(gòu)推進(jìn)的各項(xiàng)參數(shù)及同步注漿參數(shù)，達(dá)到動態(tài)施工的效果。本研究拓寬了土壓平衡式盾構(gòu)的適用范圍，解決了盾構(gòu)按照地質(zhì)條件選型與按照地面河流選型的矛盾。

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