土壓平衡盾構(gòu)下穿超淺埋復(fù)雜河道地層施工技術(shù)

劉 偉

(中鐵十七局集團(tuán)第六工程有限公司，福建福州 350014)

[定稿日期]2018-01-08

城市地鐵作為一種安全、快捷高效環(huán)保的交通形式，迅速成為解決交通擁堵問題的首要選擇[1]。在城市地鐵修建工程中，針對(duì)盾構(gòu)下穿江河施工的案例并不缺乏，但多采用泥水盾構(gòu)進(jìn)行施工，土壓平衡盾構(gòu)由于自身特點(diǎn)，在下穿河道的應(yīng)用案例較少。我國(guó)雖然在土壓平衡盾構(gòu)下穿河道的研究及施工經(jīng)驗(yàn)有了一定積累，但針對(duì)土壓平衡盾構(gòu)快速通過超淺埋且存在斷層破碎帶的河道的施工案例尚未有相關(guān)的文獻(xiàn)報(bào)道[2-6]。

本文以長(zhǎng)沙市大河西先導(dǎo)區(qū)雷梅片區(qū)地下配套交通一期工程所屬的文化藝術(shù)中心站～梅溪湖東站區(qū)間施工為依托，吸取長(zhǎng)沙地鐵二號(hào)線穿越龍王港河堤引發(fā)異常沉降的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)[6]，對(duì)土壓平衡盾構(gòu)穿越超淺埋且存在斷層破碎帶的河道的施工控制技術(shù)進(jìn)行了研究。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明，該系類施工技術(shù)取得了良好的效果，研究成果可供類似工程參考應(yīng)用。

1 工程概況

長(zhǎng)沙市大河西先導(dǎo)區(qū)雷梅片區(qū)地下配套交通一期工程所屬的文化藝術(shù)中心站～梅溪湖東站區(qū)間左線全長(zhǎng)874.512 m，共計(jì)583環(huán)；右線全長(zhǎng)891.18 m，共計(jì)594環(huán)。其中左線在307～364環(huán)、右線在310～367環(huán)區(qū)域下穿既有龍王港河道，兩盾構(gòu)區(qū)間凈間距10.3 m，管片幅寬1.5 m，下穿河道段最淺埋深為4.19 m(盾構(gòu)機(jī)直徑為6.25 m)，上覆河道內(nèi)水流深度1.5 m，上覆圍巖主要為強(qiáng)風(fēng)化板巖，在河道下方，存在斷層破碎帶，強(qiáng)風(fēng)化花崗巖節(jié)理發(fā)育。盾構(gòu)穿越河道段示意見圖1。

圖1 盾構(gòu)穿越河道段示意

由于河道段隧道埋深度小于一倍洞徑，且地層破碎，土壓平衡盾構(gòu)穿越工程中存在極大的施工風(fēng)險(xiǎn)。若采取的施工措施控制不當(dāng)，極易產(chǎn)生河床坍塌或涌水現(xiàn)象，甚至出現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)被水淹沒而報(bào)廢的重大經(jīng)濟(jì)損失。

2 施工控制措施

結(jié)合類似工程的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)[6]，決定采取以下施工控制措施：(1)施工前對(duì)河床進(jìn)行加固；(2)合理選取注漿壓力，縮短漿液的初凝時(shí)間;(3)盾構(gòu)下穿河道工程中選取合適的掘進(jìn)參數(shù);(4)跟進(jìn)現(xiàn)場(chǎng)施工監(jiān)測(cè)，根據(jù)施工數(shù)據(jù)及時(shí)調(diào)整施工。

2.1 河床加固

由于工程地段屬于超淺埋、斷層破碎帶，為了保證盾構(gòu)安全順利通過龍王港河道地段，必須在盾構(gòu)施工前對(duì)該區(qū)段進(jìn)行加固處理。借鑒其他類似工程，穿河道地段時(shí)一般采用袖閥管注漿、抗浮板以及旋噴樁等加固方式對(duì)河床進(jìn)行加固。

結(jié)合本工程的特點(diǎn)，在盾構(gòu)施工前對(duì)河道區(qū)段進(jìn)行了袖閥管注漿加固。加固范圍超出河道兩端各5 m，深入盾構(gòu)隧道底部，嵌入中風(fēng)化板巖0.5 m以上，加固區(qū)示意如圖2所示。

圖2 加固區(qū)域剖面示意

2.2 同步注漿參數(shù)的確定

盾構(gòu)隧道盾尾注漿漿液的優(yōu)劣與隧道施工質(zhì)量及地表沉降緊密相關(guān)。同步注漿漿液的凝結(jié)時(shí)間是漿液性能的重要參數(shù)之一[7]。漿液的凝結(jié)時(shí)間越長(zhǎng)，漿液越容易向土體內(nèi)流失，容易被地下水稀釋，而且難以形成早期強(qiáng)度，不利于管片抗浮及地面沉降的控制。漿液凝結(jié)時(shí)間太短則會(huì)影響填充效果。

現(xiàn)有的研究成果表明，水泥是調(diào)整漿液凝結(jié)時(shí)間的主要因素，砂和水是次要因素[8]。在保證漿液稠度、泌水率和7 d抗壓強(qiáng)度等指標(biāo)的基礎(chǔ)上，可以通過適當(dāng)增加水泥或砂摻量，或減少用水量縮短凝結(jié)時(shí)間。

現(xiàn)場(chǎng)同步注漿漿液初凝時(shí)間主要通過增加水泥用量的方式進(jìn)行調(diào)整縮短。為了得到水泥漿液的合理配合比，采用室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的方式，對(duì)不同配合比的漿液初凝時(shí)間、7 d抗壓強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試。試驗(yàn)參照J(rèn)GJ70-90《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行，試驗(yàn)工況設(shè)計(jì)及相應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果見表1所示。

表1 不同配比下漿液性能 kg/m3

根據(jù)圖3可知，隨著水泥的參量的增加，漿液的初凝時(shí)間逐漸降低的同時(shí)7 d抗壓強(qiáng)度得到了較大的提高?？紤]到漿液的其它性能，經(jīng)更多的室內(nèi)試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證，最后確定了如表2所示的盾構(gòu)穿越該河道的同步注漿配比。此時(shí)，漿液的初凝時(shí)間在5 h以內(nèi)，7 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到了2.6 MPa以上。

圖3 不同配比下漿液性能變化曲線

材料用量材料名稱水泥水砂粉煤灰膨潤(rùn)土配合比12．975．192．930．38每m3用量/kg14543075242555

此外，為保證注漿效果，在總結(jié)隧道穿越龍王港河前的經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，選取注漿壓力為0.25～0.3 MPa, 每環(huán)管片理論同步注漿量不少于理論注漿量的1.5倍，即6 m3。

2.3 合理掘進(jìn)參數(shù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

大量理論研究和工程實(shí)踐表明，盾構(gòu)施工引起的地表沉降，在一定條件下是盾構(gòu)開挖面土體移動(dòng)的結(jié)果，而開挖面土體的移動(dòng)與盾構(gòu)土倉壓力息息相關(guān)。根據(jù)韓日美等人的研究成果，在滿足盾構(gòu)前方土體不被破壞的前提下, 增加土倉壓力是減小地層沉降的有效手段[9]。

為了得出土壓平衡式盾構(gòu)下穿該河道的合理掘進(jìn)參數(shù)(主要為土倉壓力)，施工人員在左線300～309環(huán)區(qū)域范圍內(nèi)開展了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究，通過分析不同盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)下地表沉降變化規(guī)律，給出土壓平衡盾構(gòu)下穿該河道的合理掘進(jìn)參數(shù)，現(xiàn)場(chǎng)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置見圖4所示，監(jiān)測(cè)頻率為2次/環(huán)。試驗(yàn)段盾構(gòu)隧道采用的同步注漿漿液配比如表2所示。

圖4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)段地表沉降點(diǎn)布置示意

首先根據(jù)楊永強(qiáng)[10]給出理論計(jì)算方法得到土壓平衡盾構(gòu)的初始土倉壓力為0.6 bar，以0.6 bar的土倉壓力掘進(jìn)西線隧道的第300～302環(huán)。隧道掘進(jìn)過程中，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降見表3所示。

表3 地表沉降檢測(cè)數(shù)據(jù)(300～302環(huán))

根據(jù)隧道掘進(jìn)300～302環(huán)隧道時(shí)地表各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降值可知，當(dāng)土壓倉壓力0.6 bar時(shí)，地點(diǎn)沉降值偏大，需對(duì)加大土壓倉壓力以控制地表沉降。以0.8 bar的土壓倉壓力掘進(jìn)隧道的第303～305環(huán)，此時(shí)地表各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降值見表4所示。

表4 地表沉降檢測(cè)數(shù)據(jù)(303～305環(huán))

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)以0.8 bar的土倉壓力掘進(jìn)時(shí)，相應(yīng)地表沉降得到了極大的改善，根據(jù)此參數(shù)繼續(xù)進(jìn)行盾構(gòu)隧道第306～309的掘進(jìn)，以驗(yàn)證掘進(jìn)參數(shù)的可靠性。地表沉降檢測(cè)數(shù)據(jù)見表5，監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降變化曲線見圖5。

表5 地表沉降檢測(cè)數(shù)據(jù)(306～309環(huán))

圖5 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降變化曲線

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知，采取土倉壓力為0.8 bar，能有效控制地表沉降。根據(jù)試驗(yàn)段隧道其余固定的掘進(jìn)參數(shù)，擬定隧道在穿越龍王港河道的施工參數(shù)見表6。

表6 盾構(gòu)參數(shù)

此外，在盾構(gòu)推進(jìn)過程中嚴(yán)格控制隧道軸線。使盾構(gòu)盡量沿著設(shè)計(jì)軸線推進(jìn)，每環(huán)均勻糾偏，減少對(duì)土體的擾動(dòng)。確保每環(huán)管片之間緊密連接，在管片脫離盾尾后重新擰緊所有縱向螺栓。

3 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

考慮到該河道水位較淺且水流速度緩慢，在隧道左線中心線上方的河床上每隔5環(huán)管片打一木樁，通過監(jiān)測(cè)木樁的沉降以及時(shí)反映地面河流的沉降情況，進(jìn)而適時(shí)調(diào)整推進(jìn)參數(shù)達(dá)到動(dòng)態(tài)施工。隧道穿越河道后，隧道左線的沉降見圖6所示。

圖6 沉降變化曲線

區(qū)間左線、右線先后分別順利穿越龍王港河，隧道內(nèi)滲漏、管片錯(cuò)臺(tái)控制良好，地面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)穩(wěn)定，地表下沉量普遍小于8 mm，河面未有異常情況，說明土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)河底和地表的擾動(dòng)較小，施工成果顯著。

4 結(jié)論

根據(jù)土壓平衡盾構(gòu)隧道穿越超淺埋且土層破碎河道的施工難題, 分別從施工前的河床加固、施工過程的中施工參數(shù)分析及同步注漿參數(shù)確定等角度出發(fā)，提出了土壓平衡盾構(gòu)穿越超淺埋復(fù)雜地層的施工控制措施。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明，該措施對(duì)河底和地表的擾動(dòng)較小，施工效果顯著，具有一定的工程推廣及參考價(jià)值。

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