深埋超大直徑盾構(gòu)長期停頓地基加固施工技術(shù)

袁風波

(上海隧道工程股份有限公司，上海 200082)

0 引言

當前國內(nèi)軟土地層超大直徑(＞14 m)隧道工程建設(shè)方興未艾。超大直徑盾構(gòu)在掘進施工過程中，因機械設(shè)備故障、動拆遷滯后、工期控制不當或設(shè)計線路調(diào)整等造成盾構(gòu)須在設(shè)計線路上停頓的情況時有發(fā)生，往往這種停頓將持續(xù)1～6個月，甚至更久，而由此帶來的盾構(gòu)及已建成形隧道的穩(wěn)定與安全問題備受建設(shè)各方關(guān)注。同時，不可避免因盾構(gòu)長期停頓對地面沉降和周邊環(huán)境造成影響。對這一問題的研究，目前國內(nèi)外還比較少見。

為規(guī)避盾構(gòu)長期停頓風險，控制盾構(gòu)姿態(tài)、隧道穩(wěn)定及地面沉降，須采取一定的技術(shù)措施，如盾構(gòu)殼體外側(cè)注漿、已建隧道與盾構(gòu)剛性連接、盾構(gòu)刀盤艙充填及地基加固處理等。考慮到后續(xù)盾構(gòu)掘進施工，地基加固處理無疑是一種最合適的辦法。目前，國內(nèi)在深基坑開挖、盾構(gòu)進出洞施工等方面采用了多種地基加固處理方法，如注漿、水泥土攪拌樁、高壓旋噴樁、素混凝土柱法、凍結(jié)法及其他多種工法的混合加固方法等［1－5］，這些方法大多用于深度在30 m以內(nèi)的地基加固處理中，但對于深度超過50 m的超深地層地基加固處理則難以滿足要求［6－7］。同時，隨著城市地下空間開發(fā)的快速發(fā)展，限于城市土地和空間資源，地下空間開發(fā)深度將更大，開挖與支護將更深，這必然要求地基加固處理技術(shù)應(yīng)適應(yīng)更大深度施工要求。結(jié)合上海市某超大直徑越江隧道工程在超深地層(埋深50 m以下)進行地基加固，通過設(shè)計、優(yōu)化加固區(qū)域，采用雙高壓旋噴(RJP)注漿工法。

1 工程概況

上海某超大直徑越江隧道工程采用泥水平衡盾構(gòu)穿越黃浦江，圓隧道段總長約3.6 km。隧道外徑14.5 m，內(nèi)徑13.3 m，采用楔型環(huán)通用管片，管片厚度為600 mm，環(huán)寬2 m。2008年3月，擬暫停盾構(gòu)掘進施工，以便于隧道軸線等相關(guān)調(diào)整工作的進行。而盾構(gòu)長期停頓后可能存在以下風險:盾構(gòu)姿態(tài)變化異常、隧道位移變化異常、盾尾漏泥水、刀盤正面土體坍塌及地面沉降過大。為了保證盾構(gòu)停頓過程中的安全、穩(wěn)定、可靠，對擬?？课恢玫耐馏w進行地基加固，盾構(gòu)掘進至加固區(qū)內(nèi)停頓。

根據(jù)地質(zhì)詳勘報告，盾構(gòu)停頓區(qū)場地屬軟弱場地土，場地類別為Ⅳ類，抗震設(shè)防烈度為7°區(qū)。場地地基土在65 m深度范圍內(nèi)均為第四系松散沉積物，主要由飽和黏性土及粉性土組成。地層由上至下分別為①1層填土、②1層褐黃色粉質(zhì)黏土、③層灰色淤泥質(zhì)黏土、④層灰色淤泥質(zhì)黏土、⑤2－1灰色粉質(zhì)黏土、⑤2－2灰色砂質(zhì)粉土、⑤3灰色粉質(zhì)黏土及⑧1灰色粉質(zhì)黏土。

該工程線路沿線地下水主要為分布淺部土層中的潛水以及分布于⑤2、⑦和⑨層中的承壓水。淺部潛水水位埋深為0.50～1.50 m。微承壓水分布在第⑤2－2層，埋深一般在3～8 m，⑦層承壓水頭埋深一般在3～13 m。盾構(gòu)停頓區(qū)土層分布情況見圖1，其中⑦層土缺失;其土層特性見表1。

圖1 盾構(gòu)刀盤中心面地層情況(單位:m)Fig.1 Geological conditions(m)

表1 盾構(gòu)停頓區(qū)土層特性表Table 1 Parameters of soil in shield pausing zone

2 地基加固措施

考慮盾構(gòu)停頓時間較長，當前的盾構(gòu)掘進施工狀態(tài)處于正常狀態(tài)，監(jiān)測顯示成環(huán)隧道穩(wěn)定性較好，地基加固方案重點考慮盾構(gòu)停頓期間的穩(wěn)定性和盾構(gòu)恢復(fù)推進施工時能順利穿越加固區(qū)，并綜合考慮加固深度和加固施工的可行性、加固體強度和施工的經(jīng)濟性等因素。

當前，地基加固施工多采用直接注漿法、三軸攪拌樁、旋噴樁注漿和凍結(jié)法等。由于加固深度達52.1 m，且須滿足盾構(gòu)恢復(fù)掘進施工需要，通過比選，采用雙高壓(RJP)旋噴注漿工法進行加固。施工所采用的是泥水平衡盾構(gòu)，為避免旋噴注漿工法的高壓水和水泥漿滲透至刀盤面，擬在盾構(gòu)前方100 m設(shè)定加固區(qū)。

3 加固方案設(shè)計與優(yōu)化

根據(jù)本次選定的盾構(gòu)暫停區(qū)域埋深、地質(zhì)水文和土體特性等條件，為確保盾構(gòu)停頓后的安全，地基加固后應(yīng)能滿足盾構(gòu)和隧道的穩(wěn)定要求。結(jié)合上海超大直徑盾構(gòu)進出洞加固體設(shè)計與施工經(jīng)驗，同時考慮到盾構(gòu)本體的主要質(zhì)量分布在盾體前2/3長度范圍內(nèi)，重心偏前，并盡量減少盾尾與后續(xù)成環(huán)管片所處地質(zhì)環(huán)境的差異性，對加固區(qū)范圍、強度等提出以下相關(guān)要求［8－10］:

1)盾構(gòu)停頓期間要確保盾構(gòu)開挖面的穩(wěn)定;

2)盾構(gòu)就位停頓后，盾構(gòu)刀盤前方的加固體應(yīng)該有不小于3 m的厚度，同時該處的加固體應(yīng)具有較好的水密性;

3)盾構(gòu)上方加固體厚度不小于1.0 m，盾構(gòu)左右兩側(cè)加固體厚約2.5 m，盾構(gòu)底部加固體厚度應(yīng)不小于 3.0 m;

4)所有加固體的強度應(yīng)該控制在1.0～1.2 MPa。

本次旋噴樁加固區(qū)域布置在平面上為長20.0 m、寬11.2 m的長方形區(qū)域，由于盾構(gòu)前端旋噴加固有止水要求，考慮到加固深度較深且樁斜因素不可避免，必須加大旋噴樁樁間的搭接長度，才能提高旋噴樁的止水效果。旋噴樁直徑分為1 800 mm和1 500 mm 2種。為了既能保證工程安全，又能盡量減少工程量、節(jié)約成本，對盾構(gòu)切削區(qū)域進行優(yōu)化，不進行地基加固。1 800 mm樁徑(樁間搭接600 mm)加固區(qū)主要作為盾構(gòu)外側(cè)隔水層和持力層，1 500 mm樁徑(樁間搭接300 mm)加固區(qū)主要是改良土體承載力，旋噴樁在加固區(qū)域內(nèi)均勻布置，樁間距及排間距均為1 200 mm。同一根旋噴樁采用2種不同的樁徑(通過調(diào)整噴射壓力和提升速度實現(xiàn))。具體布樁方案見圖2—4。

圖2 地基加固縱剖面圖(單位:mm)Fig.2 Longitudinal profile of ground reinforcement(mm)

4 加固施工技術(shù)

根據(jù)本工程設(shè)計樁徑、地質(zhì)條件等情況，施工參數(shù)見表2和表3。

施工主要控制參數(shù):1)樁孔位偏差＜5 cm;2)樁垂直度偏差＜0.5%;3)注漿壓力達設(shè)計值;4)嚴格計量每根樁的水泥用量。

5 地基加固效果

通過鉆孔取芯，經(jīng)過檢測，芯樣在齡期24—62 d的抗壓強度達1.2～1.3 MPa。同時，盾構(gòu)機進入加固區(qū)后停頓158 d，期間，為保持盾構(gòu)泥水艙液位處于零位，因泥水外滲所補充膨潤土漿液(補液材料為高性能泥漿，具有堵漏、增黏效果)約153 m3。盾構(gòu)姿態(tài)變化為:盾構(gòu)頭部下沉7 mm，盾構(gòu)尾部上浮2 mm，姿態(tài)穩(wěn)定。盾構(gòu)姿態(tài)變化見表4。

在盾構(gòu)停頓期間，未采取襯砌壁后補壓漿措施，地面最大沉降量為17.5 mm，滿足設(shè)計要求。

盾構(gòu)自加固區(qū)恢復(fù)掘進施工時，盾構(gòu)總推力和刀盤扭矩出現(xiàn)明顯增大。與停頓前相比，總推力最大增幅達20.9%，刀盤扭矩最大增幅達100%，但仍在盾構(gòu)機正常掘進施工可控范圍內(nèi)。

盾構(gòu)恢復(fù)掘進總推力曲線見圖5，盾構(gòu)恢復(fù)掘進刀盤扭矩曲線見圖6。

圖3 地基加固橫剖面圖(單位:mm)Fig.3 Cross-section of ground reinforcement(mm)

圖4 旋噴注漿平面布樁圖(單位:mm)Fig.4 Plan layout of jet grouting piles(mm)

表2 φ1 800mm樁施工工藝參數(shù)Table 2 Construction parameters of 1 800 mm piles

表3 φ1 500 mm樁施工工藝參數(shù)Table 3 Construction parameters of 1 500 mm piles

表4 盾構(gòu)機姿態(tài)變化表Table 4 Errors of posture of shield machine

6 結(jié)論與討論

為滿足上海某深埋超大直徑盾構(gòu)長期停頓期間的穩(wěn)定需要，采用雙高壓(RJP)旋噴注漿加固施工技術(shù)，通過設(shè)計與優(yōu)化地基加固區(qū)域，控制施工參數(shù)，達到了工程預(yù)期目標，得出以下結(jié)論:

1)代表當前國際先進技術(shù)的雙高壓(RJP)旋噴技術(shù)具有樁徑大、加固深度大、施工質(zhì)量可靠等特點，能滿足超深地層的地基加固處理要求。

2)通過雙高壓(RJP)旋噴注漿加固施工技術(shù)，有效保證盾構(gòu)及已建隧道在長期停頓期間的穩(wěn)定，并較好地控制了地面沉降。

3)盾構(gòu)自加固區(qū)恢復(fù)掘進施工時，盾構(gòu)總推力和刀盤扭矩有較大幅度增長，應(yīng)避免因加固土體強度過高而影響盾構(gòu)的掘進。

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