小斷面泥水盾構(gòu)穿越三汊河堤防施工技術(shù)

易定達(dá)，劉 堅

(1.中鐵隧道集團(tuán)二處有限公司，河北三河 065201；2.河海大學(xué)巖土研究中心，南京 210098)

0 引言

采用泥水盾構(gòu)法在軟土地區(qū)修筑水底隧道時，不可避免地要穿越堤防。對泥水盾構(gòu)穿越堤防的施工技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)分析，闡述堤防拔樁、控制沉降措施及沉降規(guī)律，并結(jié)合南京電纜盾構(gòu)隧道穿越三汊河堤防的工程實例，驗證所述風(fēng)險控制措施的合理性及可行性。本文對設(shè)計階段的地面沉降量、影響范圍進(jìn)行預(yù)測與對比，通過大量實測工程數(shù)據(jù)并結(jié)合理論數(shù)值模擬，得出了盾構(gòu)隧道引起的地表沉降變化規(guī)律，以確保堤防結(jié)構(gòu)及施工安全。

1 工程概況

碼頭變電纜隧道位于南京市下關(guān)區(qū)，隧道穿越三汊河河道及其堤防，內(nèi)徑2.44 m、隧道埋深17 m，采用泥水盾構(gòu)施工。盾構(gòu)穿越段堤防的水利工程等級高、地質(zhì)條件差(主要為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土)，原堤防布設(shè)有鉆孔灌注樁對其進(jìn)行抗滑加固處理;其中，抗滑樁樁體直徑0.8 m，樁深25 m，樁體自重約50 t。

盾構(gòu)下穿堤防前需拔除已有抗滑樁，設(shè)計方案采用等強抽換拔樁施工方案。即先對隧道周邊堤岸土體采用高壓旋噴樁加固，并布置托換鉆孔灌注樁，然后對已有抗滑樁進(jìn)行拔除。盾構(gòu)穿越大堤時需嚴(yán)格控制地表沉降，確保堤防穩(wěn)定。

2 堤防拔樁施工

2.1 工程邊界條件

1)三汊河堤防頂部寬3 m且不允許破堤施工，各施工設(shè)備、材料均不能直接從便道進(jìn)入拔樁現(xiàn)場;

2)拔樁施工場地狹窄，不能容納大型施工設(shè)備;

3)臨水作業(yè)，安全風(fēng)險高。

2.2 拔樁施工工藝

2.2.1 場地布設(shè)

1)堤頂布設(shè)1臺25 t汽車吊，各設(shè)備、材料均通過該汽車吊從附近道路吊入拔樁作業(yè)面，吊車基礎(chǔ)采用鋼筋混凝土現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)加寬、加固;

2)拔樁時搭設(shè)鋼圍堰，鋼圍堰兼作拔樁施工平臺。

2.2.2 設(shè)備選型

目前國內(nèi)尚無定型的專用拔樁設(shè)備，國外采用360°全回轉(zhuǎn)套管鉆機，該設(shè)備的工作原理是:驅(qū)動鋼套管進(jìn)行360°回轉(zhuǎn)，并將鋼套管壓入樁體四周(套管起護(hù)壁作用)，然后用液壓沖抓斗將鋼套管內(nèi)棄樁樁體抓出，在套管內(nèi)進(jìn)行清障拔樁作業(yè);清障完成后，進(jìn)行鋼套筒內(nèi)回填水泥土施工。但因該設(shè)備具有自身尺寸大、自重大且施工造價高等缺點，不適用于本工程。

在考察黃海機械廠生產(chǎn)的正循環(huán)GM—20型工程鉆機設(shè)備參數(shù)后，改裝該鉆機作為拔樁設(shè)備，其傳遞動力的“鉆桿”是自制的大口徑鋼質(zhì)中空套管。施工工藝原理為:套管套住樁體、正循環(huán)帶漿沿棄樁鉆進(jìn)，實現(xiàn)棄樁與周邊土體隔離，消除拔樁過程中樁側(cè)土體對棄樁的摩阻，利用孔內(nèi)泥漿對棄樁樁體的浮力以降低棄樁樁體自重，在汽車吊的提吊作用下分節(jié)拔出棄樁、分節(jié)截斷，待樁體全部拔除后，再往樁孔內(nèi)灌注水泥砂漿封孔。

2.2.3 施工工藝

1)搭設(shè)鋼圍堰(作業(yè)平臺)。采用型鋼、鋼板及方木搭設(shè)鋼圍堰，鋼圍堰兼做拔樁作業(yè)平臺。見圖1和圖2。

2)鑿除樁頂承臺、人工挖孔揭露原有樁基。采用人工、風(fēng)鎬鑿除擬拔樁的樁頂承臺，并人工挖孔埋設(shè)φ2 m、長2～3 m的鋼護(hù)筒，使原樁基被揭露一定長度。

3)成孔。用套管套住擬拔棄樁，采用正循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆及泥漿護(hù)壁法，通過逐節(jié)接長套管沿棄樁鉆進(jìn)，鉆頭鉆進(jìn)中切削下的土體、套管與棄樁間的土體經(jīng)鉆頭攪拌后絕大部分形成泥漿，剩余的鉆碴被泥漿攜帶沿鉆孔上升，從護(hù)筒頂部排漿孔排入沉淀池，從而實現(xiàn)棄樁與套管隔離、套管與棄樁周邊土體隔離的目的。見圖3和圖4。

4)樁體拔除與截斷。成孔后，逐節(jié)取出孔內(nèi)全部套管，用鋼絲繩套住樁頭，用鉆孔樁機配合25 t汽車吊把棄樁分節(jié)拔出地面并固定樁體，人工、風(fēng)鎬截斷拔出的樁體。見圖5和圖6。

5)回填。采用灌注水下混凝土的方法往拔樁孔內(nèi)填筑M5.0砂漿。

6)孔內(nèi)殘留鐵件處理。在原樁體吊出后，采用強力磁鐵打撈孔內(nèi)殘留鋼筋，防止掘進(jìn)時鋼筋損傷盾構(gòu)設(shè)備。

圖5 棄樁拔除Fig.5 Obsolete pile pulling

圖6 截斷拔出樁體Fig.6 Pile cutting

2.3 施工中存在的問題及解決措施

1)棄樁樁體出現(xiàn)傾斜、擴(kuò)孔現(xiàn)象。遇到障礙樁傾斜、擴(kuò)孔嚴(yán)重時，下鉆要慢，一旦鉆進(jìn)困難或鉆不下去時，將套管取出并檢查套管刀具，及時更換破損的刀具，利用刀具強行切割樁體擴(kuò)孔后的混凝土進(jìn)行鉆進(jìn)。

2)拔樁過程中，樁體出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。斷裂原因:棄樁樁身為二元結(jié)構(gòu)，在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)與素混凝土結(jié)構(gòu)的界面附近為應(yīng)力集中區(qū)，該部位易出現(xiàn)樁體斷裂現(xiàn)象。

處理措施:利用多次套拔法多次重復(fù)進(jìn)行棄樁的套、拔作業(yè)，直至斷樁全部拔出。

2.4 實施效果

堤防拔樁工序從2010年11月1日開工至12月15日施工結(jié)束，共計45 d，拔除φ 1.2 m樁體共50 m、φ 1 m樁體共260 m、φ 0.8 m樁體共210 m。盾構(gòu)機穿越堤防時，未遇到地下障礙物。

3 盾構(gòu)過堤防控制沉降措施及沉降規(guī)律

防洪大堤是三汊河整個防洪體系的重要組成部分，盾構(gòu)法越江隧道穿越大堤時，如何控制施工以減少對大堤的擾動，是確保大堤安全的重要問題。

3.1 盾構(gòu)穿堤前的準(zhǔn)備工作

1)合理安排施工進(jìn)度，避免在雨季和汛期穿越大堤;

2)對大堤結(jié)構(gòu)、大堤處隧道開挖面及上覆土層進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查，委托專業(yè)機構(gòu)對盾構(gòu)穿越大堤可能造成的影響進(jìn)行分析、評價，并有針對性地提出應(yīng)對措施;

3)盾構(gòu)始發(fā)前對盾構(gòu)設(shè)備全面檢修，以保證設(shè)備正常運轉(zhuǎn)，避免在穿堤時停機檢修;

4)準(zhǔn)備必要的應(yīng)急物資和搶險設(shè)備，一旦出現(xiàn)險情及時處理。

3.2 優(yōu)化各施工參數(shù)，使各參數(shù)相匹配

1)嚴(yán)格控制泥水艙壓力、土砂量掘削及泥水指標(biāo)。①泥水壓力。泥水壓力介于“地下水壓力+地層靜止土壓力+地層主動土壓力”(0.187 MPa)與“地下水壓力+地層靜止土壓力+地層被動土壓力”(0.285 MPa)之間，泥水壓力的增加會使作用于開挖面的有效支撐壓力增加，但不得超過其上限值。②土砂量掘削控制。用盾構(gòu)理論掘削土砂量(Q1)與送、排漿管內(nèi)的泥漿流量差(Q2)作對比。當(dāng)Q1＞Q2時，可以判斷為逸泥狀態(tài)(泥水或泥水中的水滲入地層);當(dāng)Q1＜Q2時，可以判斷為掘削面涌水狀態(tài)或坍塌狀態(tài)，需立即檢查泥水密度、黏度和切口水壓，在查明原因后應(yīng)及時調(diào)整有關(guān)參數(shù)，確保開挖面穩(wěn)定。③泥水指標(biāo)控制。送泥泥水密度1.05～1.08 g/cm3，排泥泥水密度1.15～1.30 g/cm3。其中泥水密度需與盾構(gòu)掘進(jìn)速度相匹配;漏斗黏度25～35 Pa·s;析水率5%;泥漿pH值8～9。泥漿配合比為膨潤土:CMC∶純堿∶水=300∶2.2∶11∶870(質(zhì)量比)。

2)加強同步注漿及二次補強注漿。合理設(shè)定注漿壓力，及時、同步地注漿;嚴(yán)格控制漿液質(zhì)量，在盾構(gòu)穿堤前反復(fù)試驗確定漿液的最佳配比;注漿應(yīng)均勻，注漿量和掘進(jìn)速度相匹配;推進(jìn)時均勻、同步地壓注盾尾密封油脂，保證盾尾密封的止水效果。在盾構(gòu)通過后，進(jìn)行二次注漿，進(jìn)一步填充建筑空隙，抑制地層變形的進(jìn)一步發(fā)展。同步注漿配合比為水泥∶粉煤灰∶膨潤土∶細(xì)砂∶水 =250∶150∶100∶450∶1125(質(zhì)量比)，二次注漿配合比為水泥∶粉煤灰∶膨潤土∶細(xì)∶砂∶水=300∶150∶150∶480∶1155(質(zhì)量比)。

3)盾構(gòu)掘進(jìn)速度及姿態(tài)控制。在保證開挖面穩(wěn)定的前提下，盡可能快速地通過大堤，并避免盾構(gòu)較長時間的擱置;每環(huán)正常掘進(jìn)過程中，掘進(jìn)速度值需盡量保持恒定，減少波動，以保證切口水壓穩(wěn)定和送排漿管的暢通。推進(jìn)軸線盡量與隧道軸線保持一致，減少糾偏量，減輕盾構(gòu)與周圍土層之間的摩擦，防止偏挖，減少盾構(gòu)機俯仰、偏轉(zhuǎn)及橫向偏移。

4)管片拼裝質(zhì)量控制。提高管片拼裝精度和拼裝質(zhì)量;加強螺栓連接，在盾構(gòu)通過一段距離后應(yīng)再對其復(fù)緊，避免襯砌變形過大引起大堤沉降。

5)監(jiān)測控制。在大堤上布置合理的監(jiān)測點位，加大監(jiān)測頻率，密切關(guān)注大堤沉降情況;根據(jù)監(jiān)測結(jié)果實時優(yōu)化切口環(huán)泥水壓力、推力及掘進(jìn)速度等掘進(jìn)參數(shù)。

6)穿越期間持續(xù)降雨的處理。持續(xù)降雨時，考慮到雨水入滲使土體重量增加，應(yīng)將泥水艙壓力適當(dāng)提高0.01～0.02 MPa。對堤頂和坡面出現(xiàn)的張拉裂縫立即采取防滲措施，防止雨水入滲。

7)盾構(gòu)穿堤后的處置。在盾構(gòu)穿越后，仍需長期監(jiān)測，掌握大堤的沉降狀況，出現(xiàn)情況及時處理，大堤沉降監(jiān)測應(yīng)持續(xù)到沉降穩(wěn)定為止。

3.3 盾構(gòu)穿大堤沉降規(guī)律

3.3.1 沉降機理和特點

盾構(gòu)推進(jìn)引起的堤防沉降按沉降變化可分為初期沉降、開挖面沉降(或隆起)、尾部沉降、尾部空隙沉降和長期延續(xù)沉降5個階段;從隧道橫剖看，沉降槽曲線似正態(tài)分布曲線。

3.3.2 堤防沉降理論分析

地面沉降量及影響范圍的預(yù)測可以分為設(shè)計階段預(yù)測和施工階段預(yù)測。設(shè)計階段的預(yù)測方法主要以Peck法為代表的經(jīng)驗公式法，施工階段的沉降又可分為上述5個階段，各階段地層移動的預(yù)測可以用彈性理論、固結(jié)理論等分別求解。本文僅對設(shè)計階段的地面沉降量、影響范圍進(jìn)行預(yù)測與對比。

1)Peck公式。1969年，Peck教授根據(jù)當(dāng)時大量隧道開挖引起的地表沉降實測資料，提出了地層損失的概念和預(yù)測隧道開挖引起地表沉降的實用方法，即Peck公式。他認(rèn)為:在不排水情況下，隧道開挖所形成的地表沉降槽的體積應(yīng)等于地層損失的體積。他假定地層損失在整個隧道長度上均勻分布，隧道施工產(chǎn)生的地表沉降橫向近似為正態(tài)分布曲線，如圖7所示，并提出地表沉降的預(yù)測公式:

圖7 Peck沉降槽的正態(tài)分布曲線Fig.7 Normal school of Peck settlemtnt groovy

式中:S(x)為距隧道中心線x處的地表沉降;Smax為隧道中心線上的地表沉降;i為地表沉降槽寬度系數(shù);Vs為單位長度地表沉降槽體積;Vl為地層損失(1% ～3%);D為隧道直徑;R為隧道半徑;Z0為隧道埋深。

2)鏡像解析法。采用鏡像法原理，推導(dǎo)了非均勻位移收斂模式下的地層位移計算公式，對解析公式中的泊松比進(jìn)行了分析，將地層沉降槽寬度參數(shù)引入解析公式，并對其推導(dǎo)的解析公式進(jìn)行了修正。采用非均勻收縮位移模式，忽略襯砌影響的地表總沉降。

3)隨機介質(zhì)法。隨機介質(zhì)理論要綜合考慮施工因素和地層條件，可以很好地預(yù)測地表沉降及變形，對隨機介質(zhì)法預(yù)測地層位移的過程進(jìn)行了簡化:采用非均勻收縮位移模式的地表總沉降。

式中:W(x)為距隧道中心線x處的地表沉降;R為隧道半徑;g為間隙參數(shù)(查閱相應(yīng)表格);β為地層影響角(查閱地勘資料);H為隧道埋深。

腎上腺為腹膜后位器官，毗鄰器官較多，左腎上腺根據(jù)其前方在不同的斷面毗鄰器官，分別為胃底、胰體、降結(jié)腸、脾及其動靜脈等。毗鄰腎上腺的結(jié)構(gòu)發(fā)生病變形成類似囊實性腫物時，在影像學(xué)容易表現(xiàn)為左腎上腺來源的腫物。故CT讀片時未引起注意而易誤診為腎上腺腫瘤或囊腫[4-5]。

3.3.3 堤防沉降監(jiān)測情況

1)測點布設(shè)情況。在北岸、南岸大堤上垂直隧道軸線各布置一排沉降監(jiān)測斷面，北岸監(jiān)測點編號為R16～D24，南岸監(jiān)測點編號為R25～R33，布置情況如圖8所示。

圖8 測點布置圖Fig.8 Layout of monitoring points

2)大堤沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

①同一斷面不同工況地表沉降。圖9和圖10為在不同工況下，斷面A和斷面B處各測點的地表沉降。從圖中可以看出:地表橫斷面各測點表現(xiàn)為先正位移后負(fù)位移，即地表先隆起后下大隆起和下沉均發(fā)生在隧道軸線位置，其他各值以軸線為中心、對稱分布，近似于正態(tài)曲線;離軸線越沉，遠(yuǎn)沉降值越小，距最軸線15 m以外，地表沉降幾乎不受隧道掘進(jìn)過程影響;隨著盾構(gòu)機不斷接近測量斷面，隧道軸線處隆起值逐漸達(dá)到最大，主要因為此時開挖面距測量斷面的測點只有5 m左右(也就是約5環(huán)的距離)，與此前的規(guī)律相吻合。

②不同時間同一斷面位置地表沉降。圖11為不同工況時測點R25，R27和R29的地表沉降。從圖中可以看出:盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，各測點地表沉降變化趨勢一致，即均表現(xiàn)為先隆起后下沉，且最大隆起均發(fā)生在距開挖面前方測點5環(huán)左右的位置，隆起值不等，但最大隆起值控制在10 mm之內(nèi);隨著開挖面遠(yuǎn)離測點，地表由隆起變?yōu)橄鲁?，且下沉量慢慢增?但當(dāng)開挖面遠(yuǎn)離測點30 m及以上時，地表沉降已基本穩(wěn)定且最大沉降控制在30 mm以內(nèi);當(dāng)測點位于盾構(gòu)機機身正上方時，由于剛度較大的盾殼對其正上方測點附近土體起到了暫時的支撐作用，因此地表沉降值較小。

③不同時間不同斷面位置地表沉降。圖12為盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，同一時間測點 R16，R25，R20和R29的地表沉降。從圖中可以看出:開挖面在斷面A，B之間，盾尾剛剛脫離斷面B，故該點處地表有較大沉降;隨著盾構(gòu)機掘進(jìn)，即慢慢遠(yuǎn)離斷面B，當(dāng)開挖面處于斷面A時，斷面B的測點已達(dá)到穩(wěn)定;在距開挖面前端5 m的距離，地表出現(xiàn)最大隆起。

3.3.4 堤防沉降的理論值與實測值比較

本文基于上述工程實例，進(jìn)行了3種相應(yīng)的理論值與實測值的對比分析。圖13—圖16為斷面A處隧道橫斷面的理論與實測曲線，從圖中可以看出:

1)采用Peck公式計算得出的橫斷面上地表各測點的理論值與對應(yīng)的實測值相差較大，相差最大位置出現(xiàn)在隧道軸線上，最大相差16 mm;其原因是，在確定沉降槽寬度系數(shù)i時只考慮了隧道埋深與隧道半徑2個因素，且沒有任何修正系數(shù)，使計算結(jié)果產(chǎn)生誤差。

圖16 理論值與實測值比較Fig.16 Comparison and contrast between theoretical value and measuring data

2)采用鏡像解析法公式計算地表沉降，發(fā)現(xiàn)運用鏡像法除隧道軸線上方對應(yīng)的地表測點沉降值較實測值偏保守外，橫斷面上其余測點的地表沉降理論值均大于實測值，但相差不多;隨機介質(zhì)法較鏡像解析法所得地表沉降結(jié)果更接近實測值，其原因主要是相關(guān)參數(shù)的選取，在鏡像解析法中沉降槽寬度參數(shù)K的取值主要是通過經(jīng)驗選取，相對而言，隨機介質(zhì)法中引入的地層影響角β更具備理論性。

3)在距隧道中心線15 m左右的地表處，理論與實測所得沉降值均在10 mm以內(nèi)，說明盾構(gòu)機的掘進(jìn)已對距隧道中心線1倍及以上埋深的地表沉降影響很小。

4 結(jié)論與討論

通過整理大量實測工程數(shù)據(jù)并結(jié)合理論數(shù)值模擬，對比分析了盾構(gòu)隧道引起的地表沉降變化規(guī)律，得到的以下結(jié)論。

1)盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，地表縱斷面沉降變化趨勢一致，均為先隆起后下沉，且最大隆起發(fā)生在距開挖面前方5環(huán)左右的位置，但隆起程度不等，最大隆起值在10 mm之內(nèi)。開挖面前方10環(huán)以外地表幾乎沒有豎向位移，位于盾構(gòu)機身正上方的地表沉降值小，隨著開挖面逐漸遠(yuǎn)離，盾尾后方的地表沉降慢慢增大，但沉降速率減小;當(dāng)開挖面遠(yuǎn)離測點30環(huán)及以上時，地表沉降已基本穩(wěn)定，且最大沉降在30 mm以內(nèi)，地表橫斷面表現(xiàn)為先隆起后下沉，最大隆起和下沉均發(fā)生在隧道軸線上方位置，并以軸線為中心對稱分布，近似于正態(tài)曲線;離軸線越遠(yuǎn)沉降值越小，距軸線約1倍埋深以外，地表沉降幾乎不受隧道掘進(jìn)的影響。

2)盾構(gòu)隧道軸線正上方地表豎向位移最敏感，隨著盾構(gòu)機的掘進(jìn)，其沉降逐漸增大;遠(yuǎn)離盾構(gòu)隧道軸線的地表沉降逐漸減緩，在距離盾構(gòu)軸線約1.2倍埋深的位置地表沉降很小，隧道開挖時可忽略對該點及更遠(yuǎn)處地表沉降的影響，隨著盾構(gòu)機的掘進(jìn)，地表縱向?qū)l(fā)生不同程度的沉降，越遠(yuǎn)離盾尾沉降越明顯，當(dāng)遠(yuǎn)離盾尾1.2倍埋深后，地表沉降速率減緩，沉降趨于穩(wěn)定。

3)采用Peck公式計算得出的橫斷面上地表各測點的理論值與對應(yīng)的實測值相差較大，相差最大位置出現(xiàn)在隧道軸線上。采用鏡像解析法公式計算地表沉降，除隧道軸線上方對應(yīng)的地表沉降值較實測值偏保守外，橫斷面上其余位置地表沉降理論值均大于實測值，但相差不多;隨機介質(zhì)法較鏡像解析法所得地表沉降值更接近實測值。

4)通過理論分析，論述了地鐵盾構(gòu)施工導(dǎo)致地表沉降的機理與主要影響因素，分別以彈性模型和彈塑性模型分析了隧道開挖導(dǎo)致的應(yīng)力變化規(guī)律，分析了隧道內(nèi)壁的變形情況，并指出:地表沉降是隧道內(nèi)壁變形擴(kuò)展到地表的反映;引起盾構(gòu)隧道地表沉降的主要原因是地層損失;地表沉降量與隧道所處地層條件、地層應(yīng)力、引起地層應(yīng)力的外載、隧道開挖半徑以及隧道壁后注漿效果等密切相關(guān)。

在實際工程中，隧道網(wǎng)絡(luò)交織復(fù)雜多變，因此，針對隧道之間相互位置的多變性以及隧道各項參數(shù)選取的多樣性仍需進(jìn)行更多的研究分析;地下工程土體情況極其復(fù)雜而且區(qū)域性明顯，采用更貼近實際的本構(gòu)模型把孔隙水壓和土的固結(jié)、蠕變等效應(yīng)考慮在內(nèi)進(jìn)行更全面的分析也是有必要的。

［1］ Peck R B.Deep Excavations and tunneling in soft ground［C］//Proceeding of 7th International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering.Mexico City，1969.

［2］ Nanuel M，Luis M，Jose N R.Prediction and analysis of subsidence induced by shield tunneling in the Madrid Metro extension［J］.J.Can Geoteeh，2002，39:26 －35.

［3］ J Litwiniszyn.The theories and modeler search of movements of ground masses［J］.Proeeedings of EuroPean Congress Ground Movement，Leeds，UK，1957，203 －209.