地鐵盾構(gòu)下穿加油站時的沉降控制技術(shù)研究與應(yīng)用

阮珊珊 吳志平

1. 武漢地鐵地產(chǎn)聯(lián)合置業(yè)有限公司 湖北 武漢 430000；2. 中國葛洲壩集團基礎(chǔ)工程有限公司 湖北 宜昌 443002

1 工程簡介

武漢地鐵紙坊線盾構(gòu)區(qū)間雙線沿文化大道由南往北至新路村站，右線全長2 133.925 m，左線全長2 125.254 m，盾構(gòu)需下穿中國石油湖北武漢銷售分公司文化路加油站油庫區(qū)域，加油站油庫長13.80 m，寬9.80 m，儲油罐基礎(chǔ)底埋深5.35 m，盾構(gòu)隧道與油罐罐室基礎(chǔ)凈距約9.70 m，油罐處隧道覆土厚度約15.05 m。區(qū)間隧道左右線間距為13.0～22.3 m，線路平面最小曲線半徑為400 m，最小豎曲線半徑為3 000 m，隧道最大縱坡為2.5%。

該加油站為二類加油站，站內(nèi)設(shè)有30 m3臥式油罐4個，其中汽油罐3個、柴油罐1個，總儲量105 m3，設(shè)雙油品四槍加油機4臺。加油島的上方設(shè)有罩棚，罩棚柱基礎(chǔ)采用獨立基礎(chǔ)，基礎(chǔ)尺寸為2.4 m×2.4 m，埋深最大為4.5 m，持力層為粉質(zhì)黏土，地基承載力特征值90 kPa。油罐室位于罩棚下方，底板為C25混凝土，厚0.5 m，平面尺寸為13.84 m×9.80 m，地板下為厚0.1 m的C15素混凝土墊層，基礎(chǔ)持力層為砂石墊層，厚度為1.0 m（地基承載力特征值90 kPa）；罐室側(cè)墻采用MU10灰砂磚、M10水泥砂漿砌筑。油罐為圓柱形鋼結(jié)構(gòu)，直徑2.4 m，長度為7.1 m，油罐間及油罐與側(cè)墻間凈距為0.5 m，罐體周圍采用砂分層均勻填實。

2 盾構(gòu)下穿加油站時的掘進(jìn)技術(shù)研究及應(yīng)用

為確保盾構(gòu)下穿文化路加油站的安全順利通過，綜合考慮盾構(gòu)隧道的埋深、地質(zhì)情況，結(jié)合盾構(gòu)掘進(jìn)試驗段經(jīng)驗，決定在加油站不停止?fàn)I業(yè)的條件下，采用優(yōu)化后的掘進(jìn)參數(shù)及智能化監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行盾構(gòu)下穿，并在施工過程中密切關(guān)注地面沉降監(jiān)測，及時調(diào)整盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)，減少對加油站的影響，將施工后的沉降量控制在最小范圍內(nèi)。

2.1 不停業(yè)條件下盾構(gòu)下穿加油站施工技術(shù)

為減小左、右線2個盾構(gòu)施工的疊加影響，本次工程先進(jìn)行右線盾構(gòu)掘進(jìn)施工，再進(jìn)行左線的盾構(gòu)施工，兩者間距相差289環(huán)，即434 m，時間間隔64 d，以保證右線土體的注漿加固效果，進(jìn)而減小2個盾構(gòu)區(qū)間的干擾和影響。

2.1.1 土倉壓力

在軟土地層掘進(jìn)時土倉保持半倉快速掘進(jìn)，為防止出現(xiàn)刀盤扭矩過高、速度慢以及結(jié)泥餅現(xiàn)象，頂部土倉壓力設(shè)定在0.11～0.13 MPa范圍內(nèi)。施工過程中，土倉壓力波動控制在－0.02～0.02 MPa范圍內(nèi)，土倉壓力控制標(biāo)準(zhǔn)首要調(diào)整值為頂部土倉壓力。同時根據(jù)1#～5#土壓傳感器讀數(shù)判定土倉狀態(tài)。當(dāng)監(jiān)控量測數(shù)據(jù)反饋需調(diào)整土倉壓力時，以0.01 MPa的梯度逐步調(diào)整土壓，嚴(yán)禁快速降壓或升壓，停機過程中，不進(jìn)行土倉壓力降低處理。

2.1.2 刀盤扭矩與轉(zhuǎn)速

盾構(gòu)下穿施工過程中，刀盤參數(shù)主要有刀盤轉(zhuǎn)速，刀盤扭矩2個控制指標(biāo)。若扭矩波動較大，則將刀盤轉(zhuǎn)速設(shè)定為1.1～1.3 r/min，刀盤扭矩恒定且不超過1 800 kN·m。

2.1.3 推進(jìn)速度

推進(jìn)速度控制在20～30 mm/min，下穿加油站期間須確保快速均衡通過以降低施工風(fēng)險。

2.1.4 盾構(gòu)機姿態(tài)

盾構(gòu)機在軟土地層中掘進(jìn)時，開挖面不穩(wěn)定，地下水豐富，容易出現(xiàn)管片上浮，盾構(gòu)機垂直姿態(tài)要適當(dāng)下壓。但考慮到盾構(gòu)機可能出現(xiàn)栽頭現(xiàn)象，盾構(gòu)機垂直姿態(tài)向下偏差不宜過大，實際控制在－20～20 mm范圍以內(nèi)，單環(huán)調(diào)整量＜3 mm，趨勢控制在3 mm/m以內(nèi)，以避免因糾偏而造成超挖。推進(jìn)油缸行程差控制在60 mm以內(nèi)，盾構(gòu)姿態(tài)較差需調(diào)整姿態(tài)時，行程差不得超過單環(huán)轉(zhuǎn)彎環(huán)楔形量。

2.1.5 渣土改良

1）渣土改良管理應(yīng)結(jié)合地勘資料及實際推進(jìn)情況綜合確定，根據(jù)勘查資料，渣土改良主要采用泡沫劑改良，輔助加水。泡沫劑原液比例為2.5%，發(fā)泡倍率為20倍，單管注入速率為150 L/min。刀盤中心1#、2#注入口必須保持注入泡沫，3#～5#注入口視情況注入改良劑。

2）盾構(gòu)推進(jìn)過程中需要調(diào)節(jié)泡沫劑注入?yún)?shù)時，應(yīng)按照注入管路、注入速率、發(fā)泡倍率及原液比例的先后優(yōu)先級進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)渣土改良效果較差時，增加泡沫劑注入管路，或增大泡沫劑注入速率；若出現(xiàn)土倉壓力快速升高，但渣土改良效果未明顯變好時，在持續(xù)增加泡沫劑注入的前提下，可適當(dāng)降低泡沫劑發(fā)泡倍率或提高泡沫劑原液比例。擬定泡沫劑注入管路不低于2路，注入速率不低于100 L/min，發(fā)泡倍率為10～20倍，原液比例為2%～5%。

3）每班應(yīng)檢查一次泡沫劑原液的實際消耗量及發(fā)泡效果，確定是否與電腦數(shù)據(jù)匹配。渣土改良出現(xiàn)異常時，應(yīng)立即檢查，必要時進(jìn)行停機處理。

4）每環(huán)應(yīng)進(jìn)行不少于3次的渣土分析，要求渣樣取自皮帶運輸機上，并且應(yīng)量測剛出機的渣樣溫度。結(jié)合相關(guān)地勘資料，盾構(gòu)穿越區(qū)段渣土分析主要內(nèi)容為顆粒級配情況、渣土性狀、渣土溫度等。顆粒級配情況主要確定渣土中的細(xì)粒比例，作為調(diào)整渣土改良劑注入?yún)?shù)及控制出土量的依據(jù)。渣土性狀及渣土溫度主要作為判斷渣土改良效果的依據(jù)。渣土溫度原則上控制在不得超過循環(huán)水溫度＋10 K。盾構(gòu)推進(jìn)過程中若發(fā)現(xiàn)渣土溫度持續(xù)升高，應(yīng)立即調(diào)整改良劑注入?yún)?shù)，加大泡沫劑與水的注入速率，同時略微提升掘進(jìn)速率，避免出現(xiàn)噴涌現(xiàn)象。注入速率的提升及掘進(jìn)速率的提升以土倉壓力變化為控制基準(zhǔn)。

5）泡沫注入系統(tǒng)在掘進(jìn)過程中要保持開啟，避免堵管，影響渣土改良效果。刀盤扭矩太小時，可考慮降低泡沫流量，防止?jié)L刀啟動扭矩不足產(chǎn)生偏磨。

2.1.6 盾構(gòu)出土

出渣量的控制采用質(zhì)量與體積雙重控制指標(biāo)。結(jié)合地勘資料，盾構(gòu)穿越區(qū)段洞身范圍內(nèi)地層主要以粉質(zhì)黏土為主。按照既有施工經(jīng)驗，該類地層的松散系數(shù)較大，實際出渣量為55～58 m3/環(huán)，電瓶車每環(huán)裝渣量約為4箱。渣土稱重計算時須考慮渣土改良劑的注入量。

盾構(gòu)掘進(jìn)前，必須檢查每個土箱內(nèi)的渣土殘余方量。盾構(gòu)掘進(jìn)中，每推進(jìn)200 mm應(yīng)檢查一次出渣方量，若出渣量超過控制值則須及時調(diào)整排土量。若200 mm行程出渣超量超過3 m3或400 mm行程出渣超量超過5 m3，則應(yīng)立即停止推進(jìn)并保持土倉壓力，向地面監(jiān)控室匯報，并通過盾體徑向孔注入膨潤土泥漿。原始施工記錄必須詳實記錄每箱土的原剩余方量、實際出渣方量及自由水方量3個數(shù)值。

2.1.7 同步注漿

下穿加油站過程中，根據(jù)前期試驗段經(jīng)驗以及現(xiàn)場試驗調(diào)整同步注漿漿液的配合比，為縮短凝結(jié)時間，注漿量設(shè)定為6.5～7.0 m3/環(huán)，注漿壓力0.2～0.3 MPa。若掘進(jìn)過程中發(fā)現(xiàn)出渣量明顯低于理論出渣量，下環(huán)掘進(jìn)過程中應(yīng)加大同步注漿量并及時跟蹤注雙液漿，注漿參數(shù)以壓力控制為主。注漿速率與推進(jìn)速率匹配，推進(jìn)完成前50 mm完成同步漿液注入。若注漿速率與掘進(jìn)速率匹配，但注漿壓力過低時，則應(yīng)加大跟蹤注漿方量。當(dāng)渣土中出現(xiàn)明顯漿液成分時，應(yīng)及時減小注漿壓力，并同步開啟刀盤加水系統(tǒng)，防止刀盤或土倉結(jié)泥餅[1-2]。

2.1.8 二次注漿

為保證隧道成型質(zhì)量，防止管片上浮，需進(jìn)行常態(tài)化的二次注漿，每間隔1環(huán)進(jìn)行1次二次注漿。如發(fā)現(xiàn)同步注漿量不足，或管片壁后地質(zhì)雷達(dá)掃描疏松異常情況，通過管片中部的注漿孔進(jìn)行二次補注漿，從而減少盾構(gòu)機通過后土體的后期沉降，減輕隧道的防水壓力，提高止水效果。

二次注漿單獨配備注漿泵，注漿前鑿穿管片吊裝孔外側(cè)保護層，安裝專用注漿接頭。注漿材料采用水玻璃＋水泥砂漿雙液漿。漿液配比：水泥漿水灰比為1∶1；水玻璃與水按1∶1～1∶2進(jìn)行稀釋。注入時漿液與水玻璃體積比為水泥漿∶水玻璃=3∶1，注漿壓力控制在0.2～0.3 MPa，以確保管片背后間隙填充密實。

2.1.9 深孔注漿

在下穿加油站區(qū)地段采用每環(huán)增設(shè)4個注漿孔，下穿段管片完全通過臺車后，即對該段隧道管片全環(huán)范圍內(nèi)進(jìn)行深孔注漿，注漿管長度3 m，采用單液漿，水灰比1∶1，注漿壓力不超過0.3 MPa。

2.1.10 地表補償注漿

盾構(gòu)下穿加油站時，如果在上述方法實施后，沉降仍接近報警值，則需在地表再采取補償注漿措施。

工地現(xiàn)場配置柴油式100型巖芯鉆機4臺、砂漿泵2臺、雙液泵1臺及其他配套設(shè)備（柴油機、注漿器材）等，在現(xiàn)場待命，聽候通知進(jìn)場。

1）地表沉降報警。根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，確定補償注漿的加固范圍（地表沉降區(qū)向外各延伸3.0 m），注漿孔徑為76 mm，間距為1.0 m，深度為4.0 m。

2）油庫沉降報警。沿儲油罐四周注漿，注漿孔徑為76 mm，間距為0.5 m，深度為6.0 m。待土體達(dá)到加固效果以及監(jiān)測數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，盾構(gòu)才能繼續(xù)掘進(jìn)。

2.2 下穿加油站時的監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

1）監(jiān)測項目：地表沉降監(jiān)測、建（構(gòu)）筑物沉降及傾斜、儲油罐沉降監(jiān)測、管片襯砌變形監(jiān)測。

2）沉降控制指標(biāo)：允許沉降控制值≤10.0 mm，報警值≤8.0 mm，預(yù)警值≤7.0 mm，沉降最大速率控制值2.0 mm/d。

3）下穿加油站監(jiān)測點布設(shè)：地表沉降監(jiān)測縱斷面測點10個，橫斷面測點共布設(shè)了5個斷面；建筑物沉降及傾斜監(jiān)測點6個；儲油罐沉降監(jiān)測點4個，罩棚柱沉降監(jiān)測點4個，管片襯砌變形監(jiān)測共布設(shè)3個斷面。

4）監(jiān)測結(jié)果：地表沉降監(jiān)測最大測點累計沉降量－7.65 mm，油罐沉降監(jiān)測最大測點累計沉降量－3.81 mm，建筑物沉降監(jiān)測最大測點累計沉降量－3.84 mm，管片襯砌變形監(jiān)測最大測點累計沉降量－3.58 mm。監(jiān)測結(jié)果表明，盾構(gòu)下穿加油站施工引起的沉降完全滿足規(guī)范要求。

2.3 工后措施

2.3.1 地面輔助措施

1）在盾構(gòu)機通過后，即采用地質(zhì)雷達(dá)對加油站段進(jìn)行復(fù)測，一旦發(fā)現(xiàn)異常立即組織地面鉆孔注漿。

2）施工過程中加強監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測情況跟蹤注漿；在隧道正常掘進(jìn)狀態(tài)，且建（構(gòu)）筑物沉降＜－10 mm（＋5 mm）期間可不予采用，主要通過沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)嚴(yán)格控制隧道掘進(jìn)參數(shù)，加強同步注漿及二次注漿實施保護。當(dāng)建（構(gòu)）筑物沉降達(dá)到報警值時（控制值的80%），迅速圍蔽并于建（構(gòu)）筑物四周進(jìn)行跟蹤注漿以控制沉降。

2.3.2 洞內(nèi)輔助措施

盾構(gòu)通過后，在成型隧道縱向布置5條測線（沿圓周均衡布置），并采用地質(zhì)雷達(dá)掃描管片壁后的填充密實情況，對存在松散或有異常的位置進(jìn)行跟蹤注漿。

3 結(jié)語

受軟土地層的影響，盾構(gòu)掘進(jìn)在下穿加油站及建（構(gòu)）筑物過程中，極易引起地層的不均勻沉降，會影響油罐區(qū)基礎(chǔ)的承載力及建筑物基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)變形、開裂等，進(jìn)而導(dǎo)致油料滲透及房屋倒塌等重大危險。通過本項目的技術(shù)開發(fā)和創(chuàng)新研究，總結(jié)出一套適用于盾構(gòu)下穿加油站的沉降控制施工技術(shù)成果，提高了盾構(gòu)下穿加油站的安全系數(shù)，為軟土地層下穿加油站及建（構(gòu)）筑物的盾構(gòu)法施工提供經(jīng)驗借鑒。