超大直徑土壓平衡盾構(gòu)復(fù)雜地層中下穿機(jī)場滑行道沉降控制技術(shù)研究

胡斌

（上海隧道工程有限公司，上海市200082）

0 引言

隨著城市化建設(shè)的發(fā)展，現(xiàn)代隧道工程除具備長大深的趨勢之外，在狹小空間的城市密集區(qū)、大型交通樞紐下穿機(jī)場等敏感地區(qū)進(jìn)行大型隧道施工已無法避免，由此帶來的隧道周邊環(huán)境保護(hù)問題更加突出。而超大直徑土壓平衡盾構(gòu)以其良好的地層沉降控制性能和較強(qiáng)的適應(yīng)性正廣泛應(yīng)用于城市密集區(qū)和環(huán)境保護(hù)敏感區(qū)的市政工程建設(shè)中。盾構(gòu)隧道在含有微承壓水的灰色砂質(zhì)粉土層中下穿機(jī)場滑行道，不可避免地會(huì)對周圍土體產(chǎn)生擾動(dòng)，引起周圍地層損失及滑行道地基沉降，嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響機(jī)場安全運(yùn)營。因此，結(jié)合工程特點(diǎn)和實(shí)際地質(zhì)條件，研究超大直徑土壓平衡盾構(gòu)復(fù)雜地層中下穿機(jī)場滑行道的施工技術(shù)措施十分必要。

1 工程概述

迎賓三路隧道位于上海虹橋機(jī)場南側(cè)，沿東西走向，采用Φ14.27 m超大直徑土壓平衡盾構(gòu)施工。隧道襯砌結(jié)構(gòu)外徑13.95 m，內(nèi)徑12.75 m，厚0.6 m，環(huán)寬2 m。盾構(gòu)隧道主線最大縱坡為-5.5%，最小平曲線半徑為 R700 m，隧道全長1 860 m，管片共930環(huán)。根據(jù)工程設(shè)計(jì)施工圖，盾構(gòu)在里程SK1+410～SK2+060即469環(huán)～793環(huán)將下穿機(jī)場滑行道，穿越機(jī)場滑行道段隧道上覆土厚度為22.891 m～27 m，如圖1、圖2所示。

圖1 盾構(gòu)穿越機(jī)場滑行道示意圖

圖2 典型地層斷面分布圖

盾構(gòu)下穿機(jī)場滑行道時(shí)，盾構(gòu)主要在④T灰色砂質(zhì)粉土，⑤31灰色粉質(zhì)黏土夾粉砂，⑤3T灰色粉質(zhì)黏土夾粉質(zhì)黏土，⑦1T灰黃色粉質(zhì)黏土夾粉砂，⑦2灰色粉細(xì)砂土層中掘進(jìn)施工。根據(jù)該項(xiàng)目勘察測試結(jié)果，④T層微承壓水水位埋深5.83～5.76 m（-1.40～-1.53 m），⑦層承壓水水位埋深5.62～8.21 m（-1.62～-4.20m）。

該下穿段工程具有以下特點(diǎn)：

（1）穿越機(jī)場環(huán)境保護(hù)要求高、距離長。機(jī)場滑行道變形控制要求為：相鄰兩個(gè)坡度的差異沉降≤1.5‰；曲率半徑為變坡曲線的最小曲率半徑≥30 000 m。

（2）隧道軸線在下穿時(shí)平面位于R700左曲線上，豎直方向上則為-14‰～+3‰的變坡曲線段，雙向曲線段推進(jìn)施工無疑給沉降控制和滑行道的保護(hù)帶來極大的挑戰(zhàn)。

（3）在位于滑行道下的盾構(gòu)開挖面內(nèi)分布著厚度3.1～12.9 m含有微承壓水的④T層（灰色砂質(zhì)粉土）。該土層搖振反應(yīng)迅速、干強(qiáng)度低、韌性低、滲透性強(qiáng)。飽和灰色砂質(zhì)粉土開挖時(shí)，在一定水頭的動(dòng)水壓力作用下易產(chǎn)生流砂、管涌現(xiàn)象，導(dǎo)致開挖面失穩(wěn)；在地震等循環(huán)剪應(yīng)力條件下有液化的可能，均對盾構(gòu)施工沉降控制十分不利。

2 施工風(fēng)險(xiǎn)理論分析

PECK假定，盾構(gòu)施工引起的地表沉降是在不排水情況下發(fā)生的，所以沉降槽體積等于地層損失的體積，并結(jié)合采礦引起地面位移的一種方法，提出了盾構(gòu)施工引起施工階段地面沉降的估算方法。此方法假定地層損失在隧道上方均勻分布，地面沉降的橫向分布似正態(tài)曲線，如圖3所示。

圖3 地面沉降及沉降范圍預(yù)測橫向分析圖

此次盾構(gòu)穿越段機(jī)場滑行道過程最淺覆土為25.9 m，按3‰的地層損失率控制來計(jì)算，地表的最大沉降為9.2 mm，最小曲率半徑為32 175 m，方能符合《國際民航公約附件十四》規(guī)定的機(jī)場跑道的控制標(biāo)準(zhǔn)（最小曲率半徑≥30 000 m）。

3 沉降控制措施

針對下穿盾構(gòu)隧道各段埋深、地層情況不同，盾構(gòu)施工參數(shù)必須根據(jù)各監(jiān)測數(shù)據(jù)及時(shí)調(diào)整。為了能夠確定盾構(gòu)下穿機(jī)場滑行道時(shí)的最佳施工參數(shù)，盡可能降低盾構(gòu)下穿施工引起的地層沉降對滑行道的影響，將穿越機(jī)場滑行道控制區(qū)分為四段：盾構(gòu)試驗(yàn)段、穿越前控制段、穿越中控制段及穿越后控制段。

3.1 盾構(gòu)試驗(yàn)段

為了進(jìn)一步研究施工參數(shù)對地表沉降的影響，在盾構(gòu)穿越試驗(yàn)段期間對土艙壓力、同步注漿量等關(guān)鍵施工參數(shù)進(jìn)行調(diào)整（見圖4），為盾構(gòu)穿越滑行道施工參數(shù)確定提供依據(jù)。

圖4 多點(diǎn)同步注漿示意圖

（1）在切口到達(dá)H96前，側(cè)壓力系數(shù)k在0.7～0.8之間小幅波動(dòng)。切口到達(dá)H96后，側(cè)壓力系數(shù)k調(diào)整為0.86。切口前方土體由沉降逐漸過渡為微量隆起。

（2）H90后提高單環(huán)同步注漿量，注入率高達(dá)148%，且相同高度注漿管注漿量宜相同，由上而下注漿管注漿量比例為4：3：1.5：1。漿液采用新型的抗剪切砂漿，抗剪強(qiáng)度高，泌水率低，具有較好的抵抗周圍土體變形和管片上浮的能力。

對圖4各斷面地表沉降分析圖中切口到達(dá)前地表沉降發(fā)展趨勢進(jìn)行對比分析可以發(fā)現(xiàn)，H90斷面在盾構(gòu)切口到達(dá)前地表呈沉降趨勢，切口到達(dá)時(shí)的地表沉降量為顯著。其他斷面在盾構(gòu)切口達(dá)到前呈先上抬后下沉的趨勢，H99斷面地表上抬量約4 mm。

盾構(gòu)通過過程中各監(jiān)測斷面地表均呈持續(xù)下沉趨勢。H96斷面受盾構(gòu)停推和前期同步注漿效果欠佳的雙重影響，在盾構(gòu)通過階段沉降增量最大（見圖5）。

從圖5可見，在盾尾脫出H90后四個(gè)監(jiān)測斷面地表沉降曲線同時(shí)出現(xiàn)明顯的拐點(diǎn)。

3.2 穿越前控制階段

根據(jù)試驗(yàn)段監(jiān)測數(shù)據(jù)總結(jié)及參數(shù)反饋情況，制定正式穿越期間的合理施工參數(shù)，驗(yàn)證土壓力設(shè)定、土體改良配比，進(jìn)行改良漿液壓注操作，同時(shí)對盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行一次全面檢查，排除一切故障隱患，進(jìn)行磨合調(diào)整。

圖5 各斷面地表沉降分析圖

（1）開挖面穩(wěn)定控制：驗(yàn)證泡沫劑各項(xiàng)參數(shù)的準(zhǔn)確性，保證穿越期間的土體改良效果均衡穩(wěn)定，并將單環(huán)出土量與土壓力設(shè)定相結(jié)合，有效地控制欠挖或超挖。

（2）改良漿液質(zhì)量：漿液的質(zhì)量直接影響到管片與土體之間建筑空隙的填充效果，對控制滑行道沉降及自身隧道的上浮控制起到關(guān)鍵性作用。穿越過程中對于每環(huán)漿液進(jìn)行指標(biāo)（比重、坍落度）檢測，嚴(yán)格控制漿液質(zhì)量。

（3）軸線控制：通過自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)，嚴(yán)格控制各區(qū)油壓和千斤頂?shù)男谐?，按照勤糾、少量的糾偏原則，使盾構(gòu)沿設(shè)計(jì)軸線推進(jìn)，避免盾構(gòu)進(jìn)行過大的糾偏。

3.3 穿越中控制階段

根據(jù)推進(jìn)前控制段確定的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行均衡施工，同時(shí)根據(jù)實(shí)時(shí)自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)及人工復(fù)核情況對施工參數(shù)做微幅調(diào)整，降低盾構(gòu)下穿施工引起的地層沉降。

（1）土倉壓力設(shè)定：土壓平衡盾構(gòu)施工中正面土壓的設(shè)定至關(guān)重要。在試驗(yàn)段的推進(jìn)過程中，隨著盾構(gòu)土倉土壓的增加，地表的沉降值明顯有減小。這主要是由于略大的正面土倉壓力迫使盾構(gòu)切口前方土層產(chǎn)生一定的隆起，從而降低了后期的累計(jì)沉降。在過程中密切關(guān)注監(jiān)測反饋信息，根據(jù)前期試驗(yàn)段分析數(shù)據(jù)和穿越過程中沉降點(diǎn)的監(jiān)測數(shù)據(jù)逐步微調(diào)土倉壓力，詳見圖6所示。

圖6 土艙壓力設(shè)置示意圖

（2）推進(jìn)速度控制：盾構(gòu)掘進(jìn)速度控制在2 cm/min左右，盡量使盾構(gòu)均衡、勻速地穿越機(jī)場滑行道，以減少對周邊土體的多次擾動(dòng)影響，以免對其產(chǎn)生不利影響。

（3）同步注漿控制：注漿采用壓力、注漿量雙控原則，以壓力控制為主，注漿量控制為輔，以便對盾尾間隙產(chǎn)生最好的填充效果，減少盾尾土體損失。注漿壓力根據(jù)外界水土壓力加泵送管阻進(jìn)行制定，并根據(jù)管片姿態(tài)及監(jiān)測數(shù)據(jù)做適當(dāng)微調(diào)。

（4）管片拼裝：嚴(yán)格控制管片的環(huán)面平整度及整圓度；通過封頂塊位置的合理選擇，控制盾尾間隙。減少拼裝和盾構(gòu)停頓的時(shí)間，減少上方土體的沉降。當(dāng)土倉壓力下降過大時(shí)，可通過推進(jìn)模式摒土壓至設(shè)定值。

（5）隧道整體穩(wěn)定性控制：盾構(gòu)穿越滑行道區(qū)域所用管片內(nèi)弧面縱、環(huán)向均布置預(yù)埋鋼板，管片拼裝完畢用鋼板將縱、環(huán)向預(yù)埋件焊接牢固。同時(shí)在管片端面安裝剪力銷，加強(qiáng)管片環(huán)與環(huán)之間的連接，提高隧道的自身剛度，控制隧道在可能液化土層④T層（灰色砂質(zhì)粉土）中的穩(wěn)定性，減少地表沉降。

3.4 穿越后控制階段

在該階段的施工過程中，合理逐步調(diào)整參數(shù)，使各項(xiàng)施工參數(shù)逐步過渡到常規(guī)段指標(biāo)，同時(shí)密切關(guān)注滑行道穿越段的監(jiān)測情況，必要時(shí)采用壁后壓力注漿應(yīng)急措施。

若盾尾后沉降累積超過8 mm，即開始壁后壓力注漿施工。在管片內(nèi)弧面預(yù)設(shè)的注漿孔位置插入鋅管，及時(shí)對隧道上方120°范圍土體進(jìn)行深孔分層注漿，固定受擾動(dòng)的土體，使地層及早地穩(wěn)定，有效地減小地表的沉降。

考慮到盾構(gòu)穿越的④T（灰色砂質(zhì)粉土）土層位為微承壓水層，二次注漿漿液采用雙液漿。在注漿過程中，除嚴(yán)格控制水泥漿水灰比外，還應(yīng)控制水玻璃的濃度和摻量，確保注入漿液初凝時(shí)間滿足配比要求，使?jié){液盡快凝固，減少漿液向周邊地層中的流失，同時(shí)避免地下水和漿液向隧道內(nèi)的滲漏，如圖7所示。

圖7 注漿孔布置示意圖

通過以上沉降控制技術(shù)，Φ14.27 m超大直徑土壓平衡盾構(gòu)下穿滑行道施工引起的累積沉降僅-9.03 mm，成功地將施工對滑行道的影響控制在保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)（±10 mm）內(nèi)。

4 結(jié)語

本文以上海虹橋樞紐內(nèi)超大直徑土壓平衡盾構(gòu)在含有微承壓水的④T（灰色砂質(zhì)粉土）復(fù)雜地層中下穿機(jī)場滑行道盾構(gòu)工程為背景，針對超大直徑土壓平衡盾構(gòu)施工引起的地層沉降對滑行道影響，以及相應(yīng)的控制措施進(jìn)行了分析研究，得出如下結(jié)論：

（1）通過PECK法估算了盾構(gòu)施工對機(jī)場滑行道的影響，并得知在只有當(dāng)?shù)貙訐p失率需控制在3‰以內(nèi)，方能將盾構(gòu)施工對滑行道的影響控制在安全控制標(biāo)準(zhǔn)以內(nèi)。

（2）通過對比分析試驗(yàn)段各斷面的地表沉降曲線與盾構(gòu)機(jī)相對位置關(guān)系，指出當(dāng)超大直徑土壓平衡盾構(gòu)在較厚的含有微承壓水的④T（灰色砂質(zhì)粉土）地層中推進(jìn)施工設(shè)定土倉壓力時(shí)，側(cè)壓力系數(shù)k應(yīng)取0.86，高于以往上海地區(qū)的經(jīng)驗(yàn)取值（0.7～0.8）；同時(shí)單環(huán)同步注漿量已高達(dá)理論建筑空隙的150%，同樣高于以往110%～130%的經(jīng)驗(yàn)注漿率。這也說明了當(dāng)盾構(gòu)在較厚的含有微承壓水的④T（灰色砂質(zhì)粉土）地層中施工時(shí)，盾構(gòu)周圍的灰色砂質(zhì)粉土很可能發(fā)生了液化，液化之后的土體強(qiáng)度急劇下降，呈流動(dòng)狀，表現(xiàn)為土體側(cè)壓力系數(shù)k變大，同時(shí)漿液在很小的壓力下就劈裂了土體，導(dǎo)致同步注漿量增大。

（3）結(jié)合長距離下穿滑行道，沉降控制要求嚴(yán)，盾構(gòu)軸線控制難度高等工程特點(diǎn)，除在草坪區(qū)布設(shè)盾構(gòu)推進(jìn)試驗(yàn)段，還將盾構(gòu)下穿施工分為三階段進(jìn)行控制：穿越前控制段、穿越中控制段、穿越后控制段，分別制定施工措施，包括開挖面穩(wěn)定控制、改良漿液質(zhì)量、軸線控制、出土量控制、掘進(jìn)速度、同步注漿控制、管片拼裝控制、隧道整體穩(wěn)定性控制等，并給出具體的盾構(gòu)施工參數(shù)。

（4）針對穿越后控制階段中累積沉降量過大時(shí)，提出壁后二次壓力注漿措施，布置增開注漿孔、進(jìn)行深孔注漿，從而有效控制地表沉降。