超大直徑泥水盾構(gòu)穿堤施工技術(shù)

張 林

(中交隧道工程局有限公司，北京 100088)

0 前言

盾構(gòu)掘進(jìn)施工過程中，由于開挖破壞地層原始應(yīng)力狀態(tài)產(chǎn)生應(yīng)力增量，特別是剪應(yīng)力增量，引起地層移動導(dǎo)致不同程度的地面沉降。大直徑泥水平衡盾構(gòu)在穿越沉降敏感建筑物時，盾構(gòu)掘進(jìn)施工參數(shù)控制不當(dāng)，極易造成地層變形，導(dǎo)致建筑物基礎(chǔ)承載力下降。當(dāng)?shù)乇沓两挡町愡^大破壞建筑物基礎(chǔ)時，將導(dǎo)致附加的搶險修復(fù)費(fèi)用，直接影響盾構(gòu)施工質(zhì)量和整個盾構(gòu)工程的工期和成本。本文結(jié)合南京市緯三路過江通道N線超大直徑盾構(gòu)隧道穿越江北長江大堤的施工，分析總結(jié)了施工參數(shù)控制要點(diǎn)。

1 工程概況

南京市緯三路過江通道隧道下穿長江，設(shè)計為雙層雙向八車道，隧道在江中采用左右線分離兩管盾構(gòu)。盾構(gòu)施工采用直徑為14.93 m泥水加壓平衡式盾構(gòu)機(jī)，刀盤開挖直徑為15.01 m。緯三路N線盾構(gòu)從江北始發(fā)，下穿長江前穿越江北長江大堤，江北長江大堤構(gòu)造如圖1所示。

盾構(gòu)穿越江北長江大堤施工時主要受松散巖類空隙承壓水影響，盾構(gòu)隧道平均埋深為45.7 m。大堤范圍內(nèi)上覆土層主要為淤泥質(zhì)土、粘土和粉細(xì)砂層，盾構(gòu)主要穿越粉細(xì)砂、礫砂、圓礫和卵石層。

2 盾構(gòu)穿堤范圍及沉降因素分析確定

2.1 盾構(gòu)穿堤施工范圍確定

盾構(gòu)機(jī)刀盤到達(dá)前和盾構(gòu)盾尾脫出后，地層仍受到盾構(gòu)掘進(jìn)影響，發(fā)生沉降;盾構(gòu)埋深增加，地表影響范圍增大。下穿長江大堤階段，刀盤前端影響范圍設(shè)定為20 m;盾尾通過后影響范圍設(shè)定為30 m。

地表變形的變化發(fā)展過程可以分為5個階段:

(1)盾構(gòu)到達(dá)前，地表的變形取決于掘進(jìn)過程中泥水壓力和干砂量的控制，當(dāng)泥水壓力較大而出干砂量較少時，地表呈隆起狀態(tài);當(dāng)設(shè)定泥水壓力小而干砂量大時，地表呈沉降狀態(tài)。

(2)盾構(gòu)到達(dá)時，地表變形呈階段性的發(fā)展，變化速率增大，是地表隆陷的峰值段。

(3)盾構(gòu)通過時，一般情況地表會呈沉降變化;若注漿及時飽滿，充填率超過200%時，地表會隆起。

(4)盾尾通過時，最易發(fā)生突沉，突沉量可達(dá)30 mm，若注漿及時飽滿，可控制突沉，甚至上隆，但隨著漿液的固結(jié)收縮而逐漸下沉。

圖1 江北長江大堤構(gòu)造示意圖

(5)盾尾通過后，地表沉降速率逐漸減緩，沉降曲線趨于穩(wěn)定。后期沉降主要是土體的固結(jié)沉降和次固結(jié)沉降，一般沉降時間較長，但沉降量也相對較小。

2.2 盾構(gòu)引起地表沉降因素分析

盾構(gòu)掘進(jìn)引起的地表沉降的因素有以下幾個方面:

(1)開挖面泥水壓力不平衡引起的土體損失;

(2)盾構(gòu)蛇行糾偏引起的土體損失;

(3)盾尾與襯砌環(huán)之間的空間未能及時充填引起的土體損失;

(4)注漿材料固結(jié)收縮;

(5)隧道滲漏水造成土體的排水固結(jié);

(6)襯砌環(huán)變形和隧道縱向沉降;

(7)土體擾動后重新固結(jié)。

其中前3項是施工直接影響的主要因素，施工中應(yīng)引起足夠重視。

3 大直徑泥水盾構(gòu)下穿江北長江大堤技術(shù)措施

3.1 施工準(zhǔn)備

3.1.1 盾構(gòu)機(jī)整機(jī)檢修

盾構(gòu)下穿江北長江大堤施工影響范圍前，選擇較穩(wěn)定地層進(jìn)行停機(jī)檢修，停機(jī)時地面泥漿站制備高指標(biāo)優(yōu)質(zhì)泥漿進(jìn)行泥水倉泥漿置換，并加壓形成致密、穩(wěn)定的長滲透帶泥膜。盾構(gòu)進(jìn)行整機(jī)維保，更換盾構(gòu)油脂。

3.1.2 泥水站優(yōu)質(zhì)泥漿制備

水站在穿越長江大堤前，預(yù)先在儲漿池內(nèi)存滿1∶3(質(zhì)量比)制備的密度達(dá)1.12 g/cm3、高粘度(蘇式漏斗粘度40 s以上)并經(jīng)充分膨化的膨潤土漿800 m3以上，用來下穿時應(yīng)急調(diào)漿。泥水站泥漿制備如圖2所示。

圖2 膨潤土濃漿制備站

3.1.3 施工工序銜接梳理

盾構(gòu)下穿江堤及其影響范圍共計33環(huán)，計劃6 d完成長江大堤及其影響范圍區(qū)域的下穿，日均6環(huán)。盾構(gòu)上下雙層結(jié)構(gòu)與盾構(gòu)掘進(jìn)施工同步進(jìn)行。當(dāng)盾構(gòu)下穿長江大堤掘進(jìn)施工時，需確保盾構(gòu)管片運(yùn)輸、砂漿供應(yīng)道路，確保盾構(gòu)掘進(jìn)施工環(huán)節(jié)工序順暢，消除工序外等待時間，連續(xù)施工，迅速穿越長江大堤施工段。

盾構(gòu)掘進(jìn)前，將二次補(bǔ)償注漿設(shè)備、材料運(yùn)至后配套臺車處以供迅速取用。通過專用頻道，建立隧道內(nèi)外及各工區(qū)信息化平臺，并通過實時監(jiān)測數(shù)據(jù)反饋指導(dǎo)施工。

3.2 施工技術(shù)

3.2.1 盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)調(diào)整

盾構(gòu)機(jī)到達(dá)施工影響范圍前，盾構(gòu)就應(yīng)有計劃的以順利下穿江堤為目標(biāo)調(diào)整盾構(gòu)姿態(tài)，對盾構(gòu)機(jī)的位置和盾構(gòu)隧道的測量控制點(diǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確的測量，明確實際隧道中心軸線與隧道設(shè)計中心軸線的關(guān)系，進(jìn)行以“小幅度，勤糾偏”為原則姿態(tài)調(diào)整。下穿掘進(jìn)時，逐漸將盾構(gòu)姿態(tài)調(diào)整至預(yù)計位置，進(jìn)入最佳到達(dá)姿態(tài)。

3.2.2 穿堤掘進(jìn)切口水壓設(shè)定

切口泥水壓力值根據(jù)盾構(gòu)穿越保健村時盾構(gòu)埋深及土層情況進(jìn)行計算，壓力波動控制在±0.01 MPa，計算公式如下:

(1)切口水壓上限值:

式中:P上——切口水壓上限值，kPa;P1——地下水壓力，kPa;P2——靜止土壓力，kPa;P3——變動土壓力，一般取 20 kPa;γw——水的容重，kN/m3;h——地下水位以下的隧道埋深(算至隧道中心)，m;K0——靜止土壓力系數(shù);γ——土的容重，kN/m3;H——隧道埋深(算至隧道中心)，m。

(2)切口水壓下限值:

式中:P下——切口水壓下限值，kPa;P2'——主動土壓力，kPa;Ka——主動土壓力系數(shù);Cu——土的粘聚力，kPa。

實際取值介于理論計算值的上下限之間，根據(jù)計算盾構(gòu)下穿江堤切口水壓取0.60～0.70 MPa，穿越掘進(jìn)施工時根據(jù)實際監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整。

3.2.3 盾構(gòu)掘進(jìn)速度控制

盾構(gòu)下穿長江大堤時，以平穩(wěn)、快速通過為原則。盾構(gòu)掘進(jìn)速度直接影響同步注漿量，盾構(gòu)掘進(jìn)速度過快，會導(dǎo)致壁后同步注漿不充分，地層掘進(jìn)速度過慢，則地層沉降難以有效控制。

根據(jù)注漿量(一般為理論注漿量的150% ～250%，理論注漿量 V=〈π/4〉〈15.0222－14.522〉×2=24.1 m3，此階段掘進(jìn)注漿量一般在170% ～200%)和同步注漿能力，盾構(gòu)機(jī)速度取值如表1所示。

表1 同步注漿與盾構(gòu)掘進(jìn)速度關(guān)系統(tǒng)計

掘進(jìn)過程中，掘進(jìn)速度值應(yīng)盡量保持恒定，減少波動，以保證切口水壓穩(wěn)定和送、排泥管的暢通。在調(diào)整掘進(jìn)速度時，應(yīng)逐步調(diào)整，避免速度突變對地層造成沖擊擾動和切口水壓擺動過大。

3.2.4 掘削出渣量控制

干砂量是影響地面沉降的重要因素。盾構(gòu)理論掘削量為350 m3，盾構(gòu)掘進(jìn)實際掘削量VR可由下式計算得到:

式中:VR——實際掘削量;Q1——排泥流量，m3/min;Q0——送泥流量，m3/min;t——掘削時間，min。

實際出渣量控制在理論出渣量的97%～100%，允許出現(xiàn)少量欠挖，使盾構(gòu)切口上方土體能有微量的隆起(不超過5 mm)，以便抵消一部分土體的后期沉降量，從而使沉降量控制在最小范圍內(nèi)。

不允許超挖，當(dāng)發(fā)現(xiàn)掘削量過大時，應(yīng)立即檢查泥水密度、粘度和切口水壓，并適當(dāng)調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)。

3.2.5 盾構(gòu)穿堤泥漿制備

盾構(gòu)下穿江堤地層上部為礫砂，下部為圓礫、卵石。地層中粘土顆粒含量極少，自造漿能力差，且地層滲透性高，泥漿濾失量增加。

為保證盾構(gòu)泥膜建立，減少濾失量，盾構(gòu)所需泥漿指標(biāo)為密度1.12～1.2 g/cm3，粘度20～25 s。

3.2.6 盾構(gòu)同步注漿控制

3.2.6.1 同步注漿量

同步注漿在下穿江堤時注漿量控制在40.8～48 m3/環(huán)(填充率170% ～200%)，同時根據(jù)地面沉降情況進(jìn)行調(diào)節(jié)。掘進(jìn)施工過程中，掘進(jìn)速度應(yīng)與注漿速度相一致。且同步注漿盡可能保證勻速、均勻、連續(xù)的壓注，防止推進(jìn)尚未結(jié)束而注漿停止的情況發(fā)生。

3.2.6.2 同步注漿壓力

為確保同步注漿漿液能有效進(jìn)入土體，必須保證6個點(diǎn)位注漿孔管路注出口的壓力分別大于相對應(yīng)各位置盾尾泥水壓力。由于考慮到隧道上浮等因素，注漿量也會因此進(jìn)行調(diào)節(jié)，直接導(dǎo)致注漿壓力的調(diào)整，四個斷面的注漿壓力設(shè)定差值略小于理論值。

盾構(gòu)穿江堤礫砂、圓礫、卵石地層時，同步注漿壓力控制在0.4～0.6 MPa。

3.2.6.3 同步注漿配比

實驗室應(yīng)根據(jù)盾構(gòu)穿越既有建筑物地層進(jìn)行同步注漿漿液試配，確定漿液配比。盾構(gòu)穿越既有建筑物同步注漿漿液設(shè)計配合比控制指標(biāo)應(yīng)滿足:

(1)膠凝時間短，硬性漿液膠初凝時間≯6 h;

(2)固結(jié)強(qiáng)度高，3天強(qiáng)度可達(dá)1.1 MPa，28天強(qiáng)度達(dá)到1.5 MPa;

(3)漿液坍落度為8～12 cm;

(4)漿液穩(wěn)定性好，泌水率≯2.8%。現(xiàn)場配合比如表2所示。

表2 同步注漿與二次注漿漿液配比 /kg

3.2.7 二次補(bǔ)償注漿技術(shù)

當(dāng)盾構(gòu)下穿長江大堤地層中地下水豐富時，通過管片預(yù)留注漿孔對管片背后注入雙液漿，形成隔水環(huán)，減小盾構(gòu)機(jī)后部的匯水面積，控制水量。

在打開注漿孔的時候必須采用預(yù)裝球閥的方式進(jìn)行，以確保在開孔后能立即關(guān)閉，待接好注漿管后再打開球閥，實施注漿。通過有效的管片背后注漿可達(dá)到堵水和控制管片上浮或位移，減少地層擾動。

二次補(bǔ)償注漿以“注入漿液量少，多次壓注”為原則。注漿壓力取0.6～0.8 MPa，漿液流量在0.25～0.3 m3/h，使?jié){液能沿管片外壁均勻滲流，而不致劈裂土體。

二次注漿一般每5環(huán)注一次，形成有一定范圍的環(huán)箍。當(dāng)管片環(huán)縱縫出現(xiàn)滲漏，地層沉降較大時，減少二次注漿間隔，根據(jù)需要進(jìn)行注漿。

3.2.8 盾構(gòu)下穿長江大堤掘進(jìn)參數(shù)設(shè)定

盾構(gòu)穿越北岸江堤指導(dǎo)參數(shù)如下:推進(jìn)速度30～35 mm/min，切口水壓下限0.62 MPa，切口水壓上限0.72 MPa，同步注漿填充系數(shù)170% ～200%，進(jìn)泥流量29～31 m3/min，排泥流量33～36 m3/min，密度 1.10～1.15 g/cm3，粘度 20～25 s，推力 ＜220000 kN，扭矩＜40%。

3.3 施工監(jiān)測

沿盾構(gòu)推進(jìn)方向，在盾構(gòu)穿越長江大堤影響段布置地表沉降和位移觀測點(diǎn)，測點(diǎn)埋設(shè)采用淺埋標(biāo)，并根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境進(jìn)行保護(hù)。

3.3.1 北岸長江大堤監(jiān)測點(diǎn)布置

北岸大堤監(jiān)測點(diǎn)平面布置見圖3，剖面布置見圖4。

3.3.2 監(jiān)測頻率和警戒值

根據(jù)隧道進(jìn)度合理安排監(jiān)測時間間隔，做到既經(jīng)濟(jì)又安全。根據(jù)以往同類工程的經(jīng)驗，初步監(jiān)測頻率如表3所示。監(jiān)測頻率可根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)變化大小進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，有突變時，監(jiān)測頻率加密到每天2～3次。

圖3 北岸大堤監(jiān)測點(diǎn)平面布置圖

圖4 北岸大堤監(jiān)測點(diǎn)剖面布置圖

表3 監(jiān)測頻率

盾構(gòu)隧道監(jiān)測項目的控制標(biāo)準(zhǔn)按照累計變形和變形速率雙控指標(biāo)控制，其中一項指標(biāo)達(dá)到即應(yīng)預(yù)警、報警，控制標(biāo)準(zhǔn)見表4。

表4 盾構(gòu)隧道監(jiān)測項目控制標(biāo)準(zhǔn)

4 結(jié)語

由南京緯三路過江通道大直徑泥水盾構(gòu)下穿北岸長江大堤掘進(jìn)施工的實踐證明，盾構(gòu)下穿對地層敏感建筑物時，確定下穿施工范圍，并在盾構(gòu)下穿前進(jìn)行精心施工組織和充分準(zhǔn)備，合理設(shè)定盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)，根據(jù)地表沉降觀測實時反饋指導(dǎo)盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)修正并及時進(jìn)行二次補(bǔ)償注漿，能夠大大減少地表沉降變形，節(jié)約施工成本，取得較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

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