南京地鐵軟土地層盾構(gòu)施工沉降控制

譚新根

(中鐵五局城市軌道交通工程分公司，410205，長沙∥工程師)

南京地鐵3號線TA09 標(biāo)區(qū)間隧道穿越以粉質(zhì)黏土為主的軟土地層。硬塑及可塑狀粉質(zhì)黏土層強度、穩(wěn)定性及隔水性均較好，但盾構(gòu)掘進需較大推力，刀盤面需維持較高壓力，且渣溫一般較高。黏性土在高溫、高壓作用下易壓實固結(jié)產(chǎn)生泥餅，造成掘進速度急劇下降，刀盤扭矩上升，大大降低開挖效率，最后因掘進與出土不能正常匹配而導(dǎo)致地面較大沉降。軟塑及流塑狀粉質(zhì)黏土、粉細砂及粉土層自身強度低、壓縮性高，掘進開挖易流動坍塌。本文結(jié)合3號線“常府街站—夫子廟站”的工程實踐，對軟土地層中盾構(gòu)施工地表沉降控制技術(shù)進行探討。

1 工程概況

常府街站—夫子廟站區(qū)間(以下簡稱常夫區(qū)間)長866.133 m，采用兩臺土壓平衡盾構(gòu)機分別施工左右線隧道，盾構(gòu)從夫子廟站始發(fā)，在常府街站接收。隧道覆土在9.75～20.36 m 之間。線路最小曲線半徑350 m;盾構(gòu)掘進最大上坡為25‰，最大下坡為22.752‰;左右線線間距在 10.63～16.2 m 之間。

1.1 工程地質(zhì)

常夫區(qū)間主要穿越粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土夾團塊狀粉細砂、粉質(zhì)黏土夾粉土地層。地下水位在1.2～2.5 m 間。地質(zhì)情況如圖1 及表1所示。

圖1 常府街—夫子廟站區(qū)間地質(zhì)縱剖面圖

表1 各層物理力學(xué)指標(biāo)

1.2 工程環(huán)境

常夫區(qū)間位于繁華的古城區(qū)。沿線主要為20世紀(jì)70、80年代磚混結(jié)構(gòu)建筑，建筑密集且結(jié)構(gòu)性能差。盾構(gòu)須依次下穿劉公巷小區(qū)、五二九公館片區(qū)、沿河村改造區(qū)。盾構(gòu)下穿建筑物如圖2所示。之后旁穿太平南路沿線建筑，風(fēng)險建筑共24 棟。

圖2 區(qū)間盾構(gòu)下穿建筑物段平面圖

2 盾構(gòu)施工沉降機理分析

盾構(gòu)施工產(chǎn)生的地面變形由2 個階段組成［1］。

(1)初期沉降(δ1)。盾構(gòu)推進前方滑裂面前方的沉降。主要是由于擠壓變形產(chǎn)生應(yīng)力釋放及重分布導(dǎo)致的沉降或地下水(或孔隙水)的下降引起的固結(jié)沉降。

(2)開挖面沉隆(δ2)。由盾構(gòu)推進引起土體應(yīng)力狀態(tài)改變而產(chǎn)生的變形。多因土體應(yīng)力釋放或盾構(gòu)反向土倉壓力引起的土層彈塑性變形所引起。

(3)盾構(gòu)通過時沉降(δ3)。盾構(gòu)外殼與土層之間會形成剪切滑動面，剪切滑動面附近的土層內(nèi)產(chǎn)生剪切應(yīng)力，剪切應(yīng)力引起地表變形。

(4)盾尾通過后沉隆(δ4)。主要是由建筑空隙造成，建筑空隙是由管片拼裝后與盾構(gòu)外殼之間形成空隙以及盾構(gòu)偏移隧道軸線引起的空隙的總和。沉隆取決于同步注漿。

(5)后期固結(jié)沉降(δ5)。是由于盾構(gòu)推進對周圍土體擾動引起的固結(jié)沉降和蠕變殘余沉降，反映了地層沉降的時間效應(yīng)。后期沉降或多或少地存在，難以消除。

盾構(gòu)施工各階段沉降發(fā)展如圖3所示。

3 盾構(gòu)施工沉降控制

根據(jù)盾構(gòu)施工沉降的機理，從盾構(gòu)機選型及設(shè)計便開始考慮對沉降控制的要求。盾構(gòu)施工中則主要通過盾構(gòu)掘進參數(shù)管理、渣土改良、盾構(gòu)姿態(tài)、同步注漿及二次注漿來控制各個階段產(chǎn)生的沉降。

圖3 盾構(gòu)施工縱向沉降發(fā)展特征示意圖

3.1 盾構(gòu)選型

本工程采用2 臺海瑞克土壓平衡盾構(gòu)機。主要通過盡可能減小刀盤超挖直徑、平均刀盤中內(nèi)圈的開口率、優(yōu)化筒體直徑、刀盤及刀具高度(減小刀具貫入深度)、增加人工補漿系統(tǒng)等一系列優(yōu)化措施來適應(yīng)本區(qū)間地表沉降控制要求。詳見表2 及圖4。

表2 盾構(gòu)主要參數(shù)表

圖4 盾構(gòu)刀盤刀具平面布置圖

3.2 初期沉降控制

初期沉降量很小，對于滲透性差的軟黏土地層中沉降主要是受推進壓力影響。根據(jù)上海軌道交通1號線的實測顯示，開挖面前方約10 m 處土層附加應(yīng)力出現(xiàn)，至前方5 m 時，附加應(yīng)力在0.02 MPa 左右［2］。初期沉降的控制主要保證盾構(gòu)施工的連續(xù)、均衡性、平衡壓力，防止較長時間的停機造成土壓較多衰減，掘進又建立過大土壓。

3.3 開挖面沉降控制

開挖面的沉降控制是第一個關(guān)鍵，同時該階段的掘進參數(shù)也影響到前方的初期沉降。δ2 主要通過設(shè)定、控制土倉壓力來控制沉降。首先須較準(zhǔn)確地計算、設(shè)定及管理土倉平衡土壓力;其次，通過螺旋機出土量、掘進速度、推力、貫入量、渣土改良等參數(shù)的動態(tài)管理來協(xié)調(diào)、匹配及維持土倉壓力。

3.3.1 土倉壓力設(shè)定

根據(jù)本工程的地質(zhì)情況及埋深，理論土壓力計算采用全覆土重理論［3］計算。對于黏性地層，按土體濕容重水土合算靜止土壓力，根據(jù)地表沉降要求考慮地面附加應(yīng)力σ，則土倉壓力為:

式中:

P——理論土壓力;

k0——靜止側(cè)壓力系數(shù);

γ——濕容重;

h——隧道埋深。

由于施工存在許多不可預(yù)見的因素，在沉降要求較嚴(yán)格的地段，通常在理論土壓力基礎(chǔ)之上再考慮 10～20 kPa 的預(yù)備壓力［4］。

3.3.2 土壓管理

實際土倉壓力須控制不小于計算的設(shè)定土壓，土壓的管理分為掘進階段和拼裝階段控制。掘進階段主要通過螺旋輸送機的均衡出土來維持土壓、控制土壓較大波動。拼裝階段通過在每環(huán)停止掘進前建立略高的土壓，如時間較長，土壓下降可以通過間歇推進憋土穩(wěn)壓、加氣等來增壓。

另外，盾構(gòu)掘進中須特別注意侵入隧道區(qū)域內(nèi)的地勘孔，廢棄的井、管線等。地勘孔的回填如不密實，與廢棄井、管線等容易形成泄壓的薄弱通道，須在盾構(gòu)施工前加強排查。

3.3.3 貫入量控制

通過控制貫入量減小對開挖面土體的擾動來減小地層沉降。這和新奧法中的“短進尺”開挖原則類似。同時，粉質(zhì)黏土中貫入量過大也容易引起泥餅的形成。一般土壓平衡盾構(gòu)施工而言，貫入量在20～50 mm/r為宜。本工程根據(jù)推進速度與刀盤轉(zhuǎn)速的匹配，粉質(zhì)黏土中貫入量平均為25 mm/r。

3.3.4 推力、掘進速度、刀盤轉(zhuǎn)速及螺旋輸送機轉(zhuǎn)速的匹配

各個掘進參數(shù)間須保持一種動態(tài)的平衡，不能較大的波動，以較好地匹配、控制土壓，同時，保證各工序的正常作業(yè)要求。首先，根據(jù)工程情況，對各個參數(shù)進行初步的計算，對施工參數(shù)作初步的指導(dǎo)。然后在實際施工中，根據(jù)沉降監(jiān)測反應(yīng)情況來進行優(yōu)化。參見表3。

表3 盾構(gòu)掘進參數(shù)統(tǒng)計(右110～480 環(huán))

3.3.5 盾構(gòu)姿態(tài)控制

嚴(yán)格控制盾構(gòu)姿態(tài)，減小糾偏，將開挖、掘進對地層的擾動降至最低。加強姿態(tài)測量，調(diào)整好盾構(gòu)姿態(tài)，擬合隧道設(shè)計線路，盾構(gòu)穿越時減少糾偏，嚴(yán)禁急于糾偏，糾編量控制在5 mm/環(huán)之內(nèi)。

3.3.6 渣土改良

通過對粉質(zhì)黏土的有效改良，防止刀盤形成泥餅導(dǎo)致土壓難以控制。同時，保證土倉碴土具有好的流塑性、合適的稠度、較低的透水性和較小的摩阻力，使土倉內(nèi)土壓分布均勻，螺旋機出土順暢。

本工程主要采用優(yōu)質(zhì)泡沫改良土體。泡沫劑與水的比例控制在1%～3%，平均1.5%。泡沫劑用量及比例隨著粉質(zhì)黏土的含量及從軟塑至硬塑而增加，泡沫劑從20 L/環(huán)增加至50 L/環(huán)。同時，硬塑及可塑狀地層中，在刀盤中心區(qū)域單獨注水。

3.4 盾構(gòu)通過時沉降控制

由圖3 可知，該階段沉降δ3 發(fā)展的時間相對較短，但沉降量不一定小。盾構(gòu)設(shè)計階段便考慮優(yōu)化了筒體直徑，減少盾構(gòu)首尾直徑的差值。施工中主要通過保證盾構(gòu)的連續(xù)、較快速的掘進，以及控制好盾構(gòu)姿態(tài)、減小糾偏造成的超挖孔隙來有效地控制地層沉降的發(fā)展，同時，盾尾殼未安裝止?jié){板，可以通過加大同步注漿壓力來控制部分沉降的發(fā)展。

3.5 盾尾通過后沉降控制

盾尾通過后的沉降控制非常關(guān)鍵。該階段的沉降一般占總沉降量的40%～45%。盾尾通過后的沉降主要通過同步注漿來控制。同步注漿的作用是:①防止地層變形(主要出現(xiàn)在盾尾空隙處);②提高隧道的抗?jié)B性;③ 確保管片襯砌的早期穩(wěn)定(外力作用均勻)。

(1)同步注漿漿液的選擇［5］。根據(jù)本工程實際情況，同步注漿選用惰性漿液(厚漿)。厚漿的最大優(yōu)勢和不足均在于其惰性，在于凝結(jié)時間長，使得較大的同步注漿壓力可以對后面多環(huán)起著瞬時的傳壓、補壓及填充效果，起著同步的二次、多次補強注漿作用，來抵消后面多環(huán)隧道土體的時效沉降。其缺點是不能及時地穩(wěn)定管片，在土層圍壓及盾構(gòu)千斤頂?shù)膹娮饔昧ο乱鸸芷细?、錯臺、破損及滲漏等一系列連鎖質(zhì)量問題。總之，厚漿有利于控制地層沉降，而不利于隧道質(zhì)量控制。

(2)同步注漿施工。漿液配比為，粉煤灰∶ 膨潤土∶ 消石灰∶ 砂∶ 水 =300∶ 80∶ 80∶ 1 100∶350(單位:kg)。

表4 右線同步注漿參數(shù)統(tǒng)計

3.6 后期固結(jié)沉降控制

后期固結(jié)沉降主要根據(jù)盾構(gòu)通過后長期地面監(jiān)測信息反饋，根據(jù)需要，通過管片上的預(yù)留注漿孔進行多次注漿來控制沉降的發(fā)展。粉質(zhì)黏土地層中后期沉降一般占總沉降量的5%～30%，且沉降持續(xù)時間長。

3.7 地面沉降控制效果

3.7.1 地面沉降監(jiān)測統(tǒng)計分析

沉降監(jiān)測統(tǒng)計表見表5。

表5 沉降監(jiān)測統(tǒng)計表 mm

3.7.2 典型地面沉降歷時曲線及分析

沉降觀測點DB08-3 位于常夫區(qū)間左線第203環(huán)上方太平南路地面。該處隧道埋深19.6 m，上部覆土依次為填土、粉砂、淤泥及粉質(zhì)黏土層，隧道全斷面為粉質(zhì)黏土。理論計算該處土倉上部水土壓力為 0.18 MPa。

盾構(gòu)于2013年8月23日掘進至203 環(huán)(對應(yīng)圖5 橫坐標(biāo)標(biāo)值“18 至 19”)，上部土倉壓力 0.2.4 MPa、盾構(gòu)總推力16 100 kN，推進速度32 mm/min;于8月24日盾尾脫離203 環(huán)管片(對應(yīng)圖5“20 至21”時刻)，同步注漿壓力為 0.66 MPa。

本工程盾構(gòu)施工地面沉降歷時曲線一般存在2個波峰。如圖5，歷時標(biāo)值“16”前沉降主要為推進壓力波動或地下水流失引起初期沉降，主要呈現(xiàn)為較平穩(wěn)、細微的上下波動;歷時標(biāo)值“16 至21”沉降為標(biāo)值“18 至19”盾構(gòu)推進開挖反應(yīng)至地表的沉降，因設(shè)置了較大的土倉壓力，地面隆起，出現(xiàn)第一個波峰;歷時標(biāo)值“21 至23”出現(xiàn)沉降，主要為盾尾脫離了管片產(chǎn)生的建筑空隙引起;在歷時標(biāo)值“23至29”又反應(yīng)出隆起，出現(xiàn)第2 個波峰，反應(yīng)的是同步注漿設(shè)置的較高壓力。

圖5 DB08-3 地面沉降歷時曲線圖

4 結(jié)語

(1)實際工程地質(zhì)及工程情況對盾構(gòu)設(shè)備的合理選型是盾構(gòu)施工沉降控制的前提。

(2)保證盾構(gòu)較快速、連續(xù)性地施工，有利于沉降的控制，形成良性循環(huán)。

(3)各個掘進參數(shù)間須保持一種動態(tài)的平衡，根據(jù)沉降監(jiān)測的真實反應(yīng)，優(yōu)化施工參數(shù)。

(4)土倉壓力的管理及同步注漿是地層沉降控制的關(guān)鍵。

(5)厚漿有利于沉降的控制。采用厚漿同步注漿時，地面沉降和隧道質(zhì)量控制是一個矛盾。加大注漿壓力可以很好地控制沉降，但同時引起管片上浮、錯臺等問題，須根據(jù)工程需要找到平衡點。同時，建議每掘進一段距離，利用整環(huán)二次注水泥漿或雙液漿形成漿液隔斷環(huán)。

［1］周文波.盾構(gòu)法隧道施工技術(shù)及應(yīng)用［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2004.

［2］楊洪杰，傅德明，葛修潤.盾構(gòu)周圍土壓力的試驗研究與數(shù)值模擬［J］.巖土力學(xué)與工程學(xué)報，2006(8):1652.

［3］彭立敏，劉小兵.交通隧道工程［M］.長沙:中南大學(xué)出版社，2003.

［4］宮秀濱，徐永杰，韓靜玉.隧道盾構(gòu)法施工土壓力的計算與選擇［J］.筑路機械與施工機械化，2007(11):46.

［5］劉建航，候?qū)W淵.盾構(gòu)法隧道［M］.北京:中國鐵道出版社，1991.

［6］徐一鳴.淺埋偏壓隧道拱頂持續(xù)下沉控制技術(shù)［J］.城市軌道交通研究，2013(7):92.