天津地鐵首次下穿海河施工過程中的參數(shù)控制分析

□文/王延鵬

天津地鐵首次下穿海河施工過程中的參數(shù)控制分析

□文/王延鵬

天津地鐵2號線東南角站至建國道站區(qū)間盾構(gòu)施工成功穿越了海河，為天津地鐵首次成功穿越河底復(fù)雜地質(zhì)，對盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)、合理的理論分析，確保了盾構(gòu)施工的順利進(jìn)行，為天津地鐵后續(xù)大規(guī)模建設(shè)穿越河流、湖泊的盾構(gòu)區(qū)間提供了可靠、詳實(shí)的經(jīng)驗(yàn)。

地鐵；盾構(gòu)隧道；穿越海河；參數(shù)控制

1　工程概況

天津地鐵2號線東南角站至建國道站區(qū)間左線長845.818 m（共計(jì)705環(huán)），右線長859.424（共計(jì)717環(huán)）；盾構(gòu)隧道在始發(fā)后203～293 m（169～244環(huán)）穿越海河，穿越段長度90 m，河床底至區(qū)間隧道的最小覆土厚度僅為7m，見圖1。

圖1　海河河床標(biāo)高

海河最低位置主要土層從上到下依次為淤泥（2.7 m）、粉土（1.2 m）、粉砂（2 m）、粉土（1.8 m）、粉砂（3.3 m）、粉質(zhì)粘土（3.8m）。隧道掌子面土層主要是粉土和粉砂層，見圖2。

由于海河流速緩慢，河底淤泥層較厚，據(jù)地質(zhì)勘查成果顯示，淤泥層厚度已達(dá)到3 m左右，而隧道的最小覆土厚度僅有7 m，實(shí)際有效最小覆土厚度為4 m。另外，隧道斷面范圍以內(nèi)主要的土層為72、74粉土、粉砂層，其含滲透系數(shù)大，含水量豐富，對盾構(gòu)施工極為不利。考慮到這些不利因素的存在必須在盾構(gòu)掘進(jìn)前進(jìn)行系統(tǒng)的理論分析，確定最優(yōu)的、科學(xué)合理的施工參數(shù)。

圖2　海河段地質(zhì)斷面

2　土壓力的確定

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)土倉壓力的計(jì)算公式為

式中：γ為土重度，可以對土層加權(quán)平均求得；h為隧道中心埋深；k為靜止側(cè)壓力系數(shù)，按天津地區(qū)經(jīng)驗(yàn)取0.5。

由于河床斷面形狀是不規(guī)則的，不能簡單的采用土體重度×深度的方法計(jì)算，必須綜合考慮漸變的覆土厚度所產(chǎn)生的靜止土壓力。

河兩側(cè)土體荷載直接為一常數(shù)，設(shè)為Q，但河底的荷載為一變量。依據(jù)法國學(xué)者布辛尼斯克解，地基表面作用一個豎向集中力P，則地基中任意一點(diǎn)的豎向附加應(yīng)力為

式中：P為集中荷載；z為計(jì)算點(diǎn)埋深；R為計(jì)算點(diǎn)與荷載距離。

將河床底面以上部分的荷載均看做附加荷載，根據(jù)圖3，附加應(yīng)力積分公式應(yīng)為

由于在y軸方向，荷載為一固定值，式（3）可以化簡為以下形式

圖3　荷載簡化

根據(jù)實(shí)際測量，本區(qū)間過海河河底斷面類似于拋物線形，為此河道內(nèi)的水土荷載可以設(shè)為f（ξ）=αξ2+ bξ+c。

為計(jì)算σx，首先必須得出f（ξ），g（ξ），根據(jù)實(shí)測海河河底標(biāo)高進(jìn)行擬合。按照一般情況下，最深處在河流的中部區(qū)域，因此設(shè)b=0，得出河床內(nèi)的水土壓力函數(shù)如下

將f（ξ）代入式（4）中，得出附加荷載計(jì)算公式

由于積分后所得代數(shù)式冗繁，為此編制成計(jì)算程序計(jì)算，主要的計(jì)算參數(shù)見表1。

表1　土體側(cè)壓力計(jì)算參數(shù)

最后得出盾構(gòu)隧道在距離海河中心的土壓力取值見圖4。

圖4　海河段土壓力取值曲線

實(shí)際在河底最低段操作時，土倉壓力的設(shè)定值稍大于理論計(jì)算，主要原因在于根據(jù)實(shí)際掘進(jìn)過程中的分析，河底土層含水量比普通段稍大，考慮土體的側(cè)向壓力系數(shù)需上調(diào)，另外河水水位可能存在波動，為了防止水位上升造成壓力增加，導(dǎo)致設(shè)定的土壓力太小，出現(xiàn)超挖現(xiàn)象，適當(dāng)將覆土厚度最小處土倉壓力增加了20kPa，即從河岸至河底段土倉壓力減小至0.16 MPa后不再繼續(xù)減小，直到通過最小覆土地段，土倉壓力值重新按照理論計(jì)算嚴(yán)格控制。

3　同步注漿量的確定

注漿壓力注漿量為試驗(yàn)段的重點(diǎn)分析參數(shù)，該數(shù)值的準(zhǔn)確分析直接關(guān)系著整條隧道的施工是否順利。一般來講地面沉降受到盾構(gòu)施工對周邊土體擾動的影響、地層損失的影響、管片受力變形的影響還有地層自身的固結(jié)沉降，但起決定作用的還是地層水土損失，為此必須做好同步注漿。

一般情況下，注漿量m與地面沉降y應(yīng)該成一條類似于反比例函數(shù)的關(guān)系式。根據(jù)大量施工經(jīng)驗(yàn)，y-m曲線都能較好的反應(yīng)漿液注入率與地面沉降的關(guān)系，而且在y-m曲線上能反應(yīng)出當(dāng)注入率達(dá)到一定值后，再增加注漿量對沉降的貢獻(xiàn)已不明顯。

由于過海河段必須防止?jié){液擊穿河床，注漿壓力不允許過大，因此注漿量只要能達(dá)到填充即可。對應(yīng)的在y-m曲線上找出曲線變化平緩段的起點(diǎn)作為注漿控制點(diǎn)即可。為了能更好找到控制點(diǎn)，可以繪制m-l ogy曲線。

東南角—建國道站區(qū)間右線盾構(gòu)施工時，第1～50環(huán)姿態(tài)調(diào)整頻繁，而且盾構(gòu)司機(jī)處于地質(zhì)情況摸索階段，各類參數(shù)受到綜合因素的影響，為此選擇第65～100環(huán)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，見表2。

表2　注入率與地面沉降關(guān)系統(tǒng)計(jì)

根據(jù)表2可繪制出曲線，見圖5。

圖5　注入率與地面沉降的實(shí)際關(guān)系

根據(jù)曲線可以分為3段。第1段為漿液不足階段，在此階段內(nèi)漿液注入率不足，注入率的增大對地面沉降的抑制效果明顯，但仍未達(dá)到建筑空隙的充分填充。

第2階段為壓力增長階段，在此階段盾構(gòu)同步注漿壓力會隨注漿量的增大而顯著的增大，但注入率的增加對地面沉降的抑制已放緩，說明建筑空隙已得到有效的填充。

第3階段，當(dāng)注入率達(dá)到180%以后，再加大注漿量，地面沉降已基本不再減小，而此時對地面沉降起決定性作用的為盾構(gòu)的其他方面控制。

為此在本區(qū)間過海河段的最大注入率即可初步控制在150%～180%，超過180%意義不大，而且還可能導(dǎo)致注漿壓力增大造成河底覆土擊穿。

4　同步注漿壓力確定

4.1注漿壓力值確定

盾構(gòu)通過后，刀盤切削直徑為6.36 m，而管片的外徑為6.2 m，在管片與圍巖之間存在土體的損失，該損失由同步注漿進(jìn)行彌補(bǔ)。注漿壓力也是一個重要控制參數(shù)。注漿的最佳狀態(tài)及開挖洞圈與管片之間體積無損失，即開挖后圍巖向隧道方向的力與面積變化完全由注漿抵消。一個可行的方法是分析注漿壓力與孔隙體積變化量的關(guān)系進(jìn)行確定。

采用有限元分析軟件建立二維模型，土體單元采用修正劍橋模型，主要的計(jì)算參數(shù)見表3。

表3　土層計(jì)算參數(shù)

模型的計(jì)算分為2步。

第1步建立整體模型，進(jìn)行初始平衡計(jì)算。第2步開挖隧道，直徑6.36 m，同時在開挖洞圈周邊施加注漿壓力，注漿壓力設(shè)定為0.2、0.3、0.4 MPa三種情況。

計(jì)算完成后，通過圍巖單元節(jié)點(diǎn)的位移情況判斷洞圈開挖后，同步注漿壓力能否保證地層無損失。以下是普通段地面（隧道埋深18 m）和在河底隧道埋深為7m情況下的兩種注漿壓力，見圖6。

圖6　注漿壓力與體積增量曲線

由圖6可以得出，在普通段注漿壓力應(yīng)控制在0.28 MPa以上。而在過河段最小覆土厚度注漿壓力應(yīng)控制在0.22 MPa左右。由于河底的覆土厚度是變化的，為此將注漿壓力與土倉壓力進(jìn)行關(guān)聯(lián)。

為便于控制，實(shí)際施工中可將注漿壓力統(tǒng)一取為土倉壓力的1.5倍。另外由于盾構(gòu)機(jī)所測定的注漿壓力并非注漿出口處的壓力，因此實(shí)際操作時的注漿壓力還必須適當(dāng)增加0.05～0.1MPa左右。該0.05MPa可通過試驗(yàn)段進(jìn)行確定，依據(jù)表2繪制出注漿壓力與注入率的曲線見圖7。

圖7　注入率與注漿壓力曲線

由圖7可以看出，當(dāng)注入率達(dá)到150%時，注漿壓力開始顯著上升，說明0.33MPa為應(yīng)取的最小注漿壓力值控制值，而根據(jù)理論分析，所需的理論注漿壓力僅需要0.28 MPa。實(shí)際與理論存在0.05 MPa差別，可以認(rèn)為是管路阻力造成。

4.2注漿實(shí)際數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

表4左線在河底最小覆土地段10環(huán)的注漿壓力與注漿量的統(tǒng)計(jì)。

表4　左線最小覆土厚度出注漿

根據(jù)表4，盾構(gòu)在河底覆土最小地段的平均注漿壓力0.29 MPa，平均注漿量為2.82 m3，注入率基本等于150%。

5　盾構(gòu)掘進(jìn)速度的選擇

掘進(jìn)速度的設(shè)定對盾構(gòu)工程的進(jìn)度安全均具有重要的意義，在海河河底的掘進(jìn)應(yīng)是平穩(wěn)快速掘進(jìn)或者是緩慢掘進(jìn)，干干停停，但反復(fù)的調(diào)整反而是不利的。根據(jù)以往的大量施工經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為盾構(gòu)的掘進(jìn)速度控制在50mm/min較為合適。

盾構(gòu)雙線在穿越海河掘進(jìn)過程平穩(wěn)、順利，管片拼裝良好無滲漏，姿態(tài)符合規(guī)范，說明在河底選用快速通過原則可行，而且快速通過能減小風(fēng)險暴露時間，防止風(fēng)險情況的發(fā)生。

6　其他參數(shù)的選擇

6.1刀盤扭矩

為減少對開挖面和周圍土體的擾動，達(dá)到控制河床隆起和沉降的目的，刀盤采用低扭矩低旋轉(zhuǎn)速度向前挖土，刀盤轉(zhuǎn)速設(shè)定在0.7 MPa以內(nèi)，扭矩設(shè)定在2000kN·m。

6.2千斤頂總推力

過河段原則上應(yīng)采用低推力推進(jìn)，減小對土體擾動，設(shè)定值＜20000kN。

6.3出土量

出土量控制原則是掘進(jìn)時實(shí)際出土量略微小于理論值，即適當(dāng)欠挖。

每環(huán)理論出土量π/4×D×L=3.14×6.362×1.2/4=38.10（m3）。

式中：D為盾構(gòu)外徑，m；L為管片長度，m。

盾構(gòu)正常掘進(jìn)出土量宜控制在理論值的98%～100%，即37.34～38.10m3。

掘進(jìn)過程中，出土量必須與土倉壓力、掘進(jìn)速度相對應(yīng)并在減速掘進(jìn)時減小出土量，以保證姿態(tài)的平穩(wěn)。

7　結(jié)論

東建區(qū)間盾構(gòu)右線穿越海河整個過程，每日平均進(jìn)度10環(huán)，最高12環(huán)；左線每日平均進(jìn)度9環(huán)，最高13環(huán)。盾構(gòu)的實(shí)際施工過程中，通過對海河的巡視，未發(fā)現(xiàn)海河河面出現(xiàn)異常，無任何氣泡產(chǎn)生，說明盾構(gòu)運(yùn)行平穩(wěn)，對地層的影響極小，各種壓力參數(shù)分析正確，未出現(xiàn)河底異常。

通過對施工參數(shù)的研究，有效指導(dǎo)了盾構(gòu)隧道順利通過海河，總結(jié)出了一套參數(shù)分析方法。

1）土倉壓力。應(yīng)將河床實(shí)測深度擬合為函數(shù)曲線，最后利用布辛尼斯克解求解出變化段每一點(diǎn)的土倉壓力取值。

2）注漿量。主要通過收集試驗(yàn)段注入率與地面沉降的數(shù)據(jù)，繪制出注入率與地面沉降曲線，找到第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ階段的分界點(diǎn)，作為注漿量的控制點(diǎn)。

3）注漿壓力。在試驗(yàn)段主要通過繪制注漿壓力注入率曲線找出漿液壓力開始發(fā)生較大變化的點(diǎn)作為試驗(yàn)段的注漿壓力控制值。

□DOI編碼：10.3969/j.issn.1008-3197.2015.01.016

□U45

□C

□1008-3197（2015）01-45-04

□2014-09-24

□王延鵬/男，1978年出生，工程師，中鐵一局集團(tuán)天津公司，從事地鐵施工管理工作。