盾構(gòu)隧道近距離側(cè)穿污水泵站的施工控制技術(shù)

方詩濤

(武漢地鐵集團有限公司， 430071, 武漢//工程師)

近年來，國內(nèi)外眾多學者對盾構(gòu)下穿地鐵車站、橋梁、加油站、地表樓房等建(構(gòu))筑物進行過大量研究，提出了多種相關(guān)施工控制措施和方法，但尚未見盾構(gòu)隧道側(cè)穿污水泵房施工控制措施方面的報道。本文結(jié)合鄭州地鐵1號線二期工程3標區(qū)間段盾構(gòu)隧道側(cè)穿鄭上路污水泵站施工實例，介紹了盾構(gòu)隧道近距離側(cè)穿污水泵站的施工難點和風險，提出了高壓旋噴樁加固措施和盾構(gòu)施工控制措施。

1 工程概況

1.1 線路概述

鄭州地鐵1號線二期工程3標雪松路站—鐵爐站區(qū)間段的右線長1 448 m，左線長1 426 m，其盾構(gòu)隧道側(cè)穿鄭上路污水泵站(里程DK8+438.798—450.798)。線路在出車站88 m，即盾構(gòu)第58環(huán)進入污水泵站區(qū)域，第78環(huán)出污水泵站區(qū)域，總計約30 m，其中距污水泵站最近的是第66環(huán)—71環(huán)，約3.24 m。盾構(gòu)隧道與污水泵站的位置示意圖如圖1所示。

圖1 盾構(gòu)隧道與污水泵站的橫斷面關(guān)系圖

污水泵站是一座排水抽升設(shè)施，主要功能為解決鄭上路的污水出路，于2005年竣工。泵房內(nèi)有3臺固定式潛水排污泵、1臺移動式潛水排污泵。泵站為現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，泵站埋深5.0 m，凈空直徑9 m，墻厚0.5 m，地面結(jié)構(gòu)為長方形結(jié)構(gòu)，長10.21 m,寬6.25 m，房屋四角為獨立柱支撐，現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)，0.5 m×0.5 m，埋深0.5 m。

1.2 水文地質(zhì)情況

盾構(gòu)機側(cè)穿污水泵站時穿越的地層為黏質(zhì)粉土，土性較好。盾構(gòu)隧道最大埋深為18.77 m，其地下水類型為孔隙潛水。勘察資料顯示,該地層近3—5年內(nèi)最高地下水位為40.0 m,水位變化幅度約2.0～3.5 m。

1.3 隧道參數(shù)

盾構(gòu)隧道襯砌管片環(huán)由6塊通用混凝土預制管片組成，包含1個封頂塊、2個鄰接塊、3個標準塊，楔形量45 mm。管片為C50混凝土，內(nèi)徑5.4 m，外徑6.0 m，管片幅寬1.5 m，設(shè)計厚度0.3 m。左右盾構(gòu)隧道中心間距13.3 m，凈距7.3 m，中心最大埋深均為18.77 m。污水泵站距離隧道左線邊線為3.24 m。

2 盾構(gòu)側(cè)穿污水泵站風險辨識

調(diào)查資料顯示，污水泵站與普通建筑物均為混凝土結(jié)構(gòu)，但污水泵站無地下基礎(chǔ)，容易受地層變化而變化(沉降、傾斜、裂縫等)。污水泵屬于本地區(qū)的污水樞紐中心，一旦污水泵暫停工作將造成整個地區(qū)排污不通暢，給正在施工的隧道和車站造成嚴重危險。盾構(gòu)側(cè)穿污水泵站的風險主要包括以下兩個方面。

(1) 污水泵井傾斜。土體被盾構(gòu)機消減流失之后引起的土體變化致使泵井產(chǎn)生變形，同時在受力不均的情況下會使泵井的撓曲變形和內(nèi)力隨著開挖面的臨近而增加。在垂直隧道方向，當盾尾臨近的時候，盾尾脫空的卸荷作用將會引起周圍土體產(chǎn)生較大的趨于盾構(gòu)方向的水平位移，從而帶動泵井向隧道方向移動，并隨著開挖面的遠離漸漸變小直至最終穩(wěn)定。長桿狀的樁基礎(chǔ)在軸向受壓和橫向受剪的作用下?lián)隙葧龃?，致使井基礎(chǔ)可能產(chǎn)生彎曲。當撓度過大時表現(xiàn)在地面上就是泵井基礎(chǔ)傾斜。

(2) 基礎(chǔ)沉降。泵井的基礎(chǔ)沉降有兩個方面的原因： ① 盾構(gòu)掘進時刀盤轉(zhuǎn)動及土倉壓力所施加的外應(yīng)力對泵井周身的土體有所干擾，導致井基礎(chǔ)可能產(chǎn)生沉降； ② 當盾尾臨近的時候，盾尾脫空的卸荷作用將會引起周圍土體向盾構(gòu)隧道方向(遠離泵井基礎(chǔ)方向)發(fā)生水平位移，導致井周圍土體對井的壓力減小，從而導致摩擦力減小。

根據(jù)相關(guān)規(guī)范[7]判定，盾構(gòu)側(cè)穿污水泵站的風險為II級。

3 盾構(gòu)掘進數(shù)值模擬

3.1 材料參數(shù)和計算模型

采用有限差分法軟件FLAC3D對盾構(gòu)側(cè)穿污水泵站進行數(shù)值模擬。考慮盾構(gòu)的影響區(qū)域，取模型尺寸如下： ① 長度沿盾構(gòu)掘進方向取10D(D為盾構(gòu)直徑)，即10×6 m=60.0 m； ② 寬度從兩盾構(gòu)隧道中心線向兩側(cè)取至盾構(gòu)外6D，即7.3 m+6×6 m=43.3 m； ③ 高度從地表向下取至盾構(gòu)隧道底以下3D，即11.6 m+6 m+3×6 m=35.6 m。

盾構(gòu)施工影響范圍內(nèi)地層土體主要由雜填土、粉土、黏質(zhì)粉土、粉質(zhì)黏土組成，其主要物理力學參數(shù)見表1。

表1 隧道區(qū)間土層主要物理力學參數(shù)

計算模型：泵房、盾構(gòu)管片和高壓旋噴樁均按照線彈性體考慮，土體按照彈塑性體考慮，采用莫爾庫侖塑性模型。

泵房由混凝土現(xiàn)澆而成，長、寬、高分別為10 m、10 m、5 m，厚度為0.5 m，材料按C30混凝土考慮；盾構(gòu)管片材質(zhì)按C50混凝土考慮。泵房、盾構(gòu)管片和高壓旋噴樁的主要物理力學參數(shù)見表2。

表2 泵房和盾構(gòu)管片材料主要物理力學參數(shù)

3.2 盾構(gòu)下穿引起的沉降分析

對泵房的數(shù)值模擬作如下簡化處理：不考慮上部結(jié)構(gòu)和污水管，而是將其等效為附加荷載施加于泵房結(jié)構(gòu)。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)研，荷載值取80 kPa。

計算模型的約束如下：底邊界采用固定約束(即不產(chǎn)生任何位移)，四周邊界采用法向約束(不產(chǎn)生法向位移)，上邊界和盾構(gòu)內(nèi)邊界均為自由(位移不受約束)，在豎向施加重力加速度。

取4個工況：工況1——不進行高壓旋噴樁加固，左線通過；工況2——不進行高壓旋噴樁加固，雙線通過；工況3——進行高壓旋噴樁加固，左線通過；工況4——進行高壓旋噴樁加固，雙線通過。

通過數(shù)值模擬，得到盾構(gòu)開挖前、后的沉降差，即盾構(gòu)掘進引起的地面最大沉降。4個工況同一斷面(泵房中間位置5.0 m處)的地表沉降曲線(沿橫向，即垂直于盾構(gòu)掘進方向)如圖2所示。

a) 工況1

b) 工況2

c) 工況3

d) 工況4圖2 盾構(gòu)施工引起的地表沉降曲線

由圖3可以發(fā)現(xiàn)：

(1) 未采取加固措施時，工況1的地表沉降槽曲線呈左右對稱的V形，最大地表沉降值為-9.41 mm；工況2的地表沉降槽曲線則呈左右對稱的W形，最大值為-11.07 mm，略大于前者，說明雙線盾構(gòu)施工存在著相互影響。

(2) 采用高壓旋噴樁加固后，工況3的地表沉降槽曲線基本呈左右對稱的V形，形狀不如工況1有規(guī)律，高壓旋噴樁后面的沉降值明顯減小，最大地表沉降值為-8.91 mm，略小于工況1；工況4的地表沉降槽曲線基本呈左右對稱的W形，形狀也不如工況3規(guī)則，最大地表沉降值為-10.66 mm，也略小于工況2。

(3) 隧道兩側(cè)4D之外區(qū)域的地表沉降為零，地表最大沉降發(fā)生在兩個盾構(gòu)隧道的正上方區(qū)域，也就是說，地鐵盾構(gòu)掘進施工的影響區(qū)域主要集中在每個盾構(gòu)隧道中心線左右兩側(cè)的4D范圍之內(nèi)。

通過計算得到的4個不同工況下地表與泵房的最大沉降數(shù)值如表3所示。

表3 地表與泵房最大沉降數(shù)值(數(shù)值模擬)

由表3可以看出，未采取加固措施時，泵房為I級風險源，泵房的最大最大傾斜率為0.79 ‰。根據(jù)相關(guān)規(guī)范[8]，最終確定泵房的最大傾斜率控制值為1.0%，地面累計沉降控制值為-15.0 mm，沉降速率報警值為-2.0 mm/d，最大累計沉降控制值為-12.0 mm。表3給出的計算結(jié)果中，未采取加固措施時泵房的最大沉降為-9.06 mm，接近報警值12.0 mm；而采取加固措施后，最大沉降減小至-3.31 mm，降低了62.4%，加固效果非常理想，滿足了相關(guān)規(guī)范[8]的要求。

4 盾構(gòu)施工過程控制措施

為確保盾構(gòu)能夠安全側(cè)穿污水泵站，在掘進之前對污水泵站及污水管采取保護措施，嚴格控制盾構(gòu)掘進參數(shù)，加強實時監(jiān)測手段，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)分析動態(tài)調(diào)整給定的施工技術(shù)措施。

4.1 污水泵站預加固措施

現(xiàn)場勘察和相關(guān)調(diào)查資料顯示，污水泵站基礎(chǔ)為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，污水泵站基礎(chǔ)尺寸為10 m×10 m，盾構(gòu)隧道從污水泵站南側(cè)側(cè)面穿過?？刂拼胧閷ξ鬯谜緟^(qū)域和隧道正上方污水管進行加固，具體加固形式如圖3所示。

圖3 污水泵站加固示意圖

加固方式選擇旋噴樁加固，水平加固范圍為沿隧道平行方向長30 m、寬1.5 m，豎向加固范圍為從隧道底下3 m至頂，高壓旋噴樁與盾構(gòu)外邊線的距離為0.8 m。污水管加固為寬度從左側(cè)3 m到右線右側(cè)3 m范圍，斜向打孔，角度控制在45°～60°，加固長度為為21 m，加固深度約為3.7 m。加固后的土體應(yīng)有良好的均勻性、止水性、自立性及穩(wěn)定性。其滲透系數(shù)k≤1.0×10-7cm/s，無側(cè)限抗壓強度qu≥1.0 MPa。

根據(jù)前期掘進試驗及經(jīng)驗，旋噴時的技術(shù)參數(shù)設(shè)為：水壓力26～30 MPa，流量70～80 L/min；壓縮空氣壓力0.6～0.8 MPa，流量1～3 m3/min；水泥漿壓力1.5～2 MPa，流量90 L/min，水灰比1:1；旋噴管提升速度8～12 cm/min，旋轉(zhuǎn)速度8～12 r/min；水嘴直徑16 mm，噴嘴夾角180°；水泥用量70.65 kg/m。

4.2 盾構(gòu)掘進控制措施

4.2.1 掘進線距控制

由于左右線盾構(gòu)隧道同時掘進且距離間距太小時對污水泵站的影響較大，因此，施工過程中要嚴格制定控制措施，確保左右線距離在控制范圍內(nèi)。其目標是保證先施工引起的隧道地表沉降穩(wěn)定后再施工的另外一條線，間隔時間不少于1個月。這樣可以充分保證地面的穩(wěn)定和泵站的沉降、位移及傾斜可控。

4.2.2 渣土改良措施

完整的渣土改良方案有利于隧道的快速和勻速施工，不留下安全隱患。泡沫劑的使用是常見的改良方法，但泡沫劑的使用成本是關(guān)鍵。泡沫劑可以依據(jù)刀盤扭矩和出渣情況來隨時調(diào)整參數(shù)和配比,并通過盾構(gòu)機上的泡沫系統(tǒng)注入。根據(jù)盾構(gòu)第24—35環(huán)使用泡沫劑的試用情況,確定泡沫劑的使用參數(shù)調(diào)整如下：原參數(shù)為泡沫原液3%、水97%，修正為泡沫原液2%、水98%。泡沫劑使用參數(shù)的調(diào)整可保證每環(huán)泡沫劑注入量為200～400 L/m3，確保渣土的改良效果，使得出土比較順暢，不僅控制了地表的沉降，同時也降低了對刀具和其他設(shè)備的損耗。

4.2.3 施工參數(shù)控制

盾構(gòu)機在黏質(zhì)粉土地層中掘進，刀盤扭矩和螺旋機扭矩會偏大，切削的渣土表現(xiàn)出表面光滑核心不吸水現(xiàn)象，造成渣土在皮帶上打滑而壓住皮帶。為此，可加分散型泡沫劑改良渣土，并設(shè)刀盤扭矩為2 300～2 600 kN·m，推力為1 300～1 500 t，螺旋機扭矩為50～65 kN·m，掘進速度為65～75 mm/min。

4.2.4 同步注漿

為了使同步注漿漿液不對管片造成損壞，施工之前需嚴格制定試驗措施，保證漿液在理論情況下滿足要求。設(shè)漿液配合比=水∶水泥∶砂∶粉煤灰∶彭潤土=7.6∶1∶17.8∶8∶1.6；注漿體積量按照計算值的1.3～1.8倍，即Q=3.3～4.5 m3為合理值，壓力控制在0.25～0.3 MPa。

4.2.5 二次注漿

盾構(gòu)在通過風險源期間提前制定特殊管片，管片中間增設(shè)增設(shè)補注漿孔，同時劃定增設(shè)注漿孔的范圍，及時完成補充注漿。通過試驗研究和理論分析確定，多次補充注漿從盾尾后第4環(huán)管片開始依次注漿，壓力依照比同步注漿壓力稍高出0.01～0.03 MPa進行控制，同時補注漿管應(yīng)帶有止逆閥。試驗漿液參數(shù)為：補充漿液體積比=水泥漿∶水玻璃=2∶1；質(zhì)量比=水∶水泥=1∶1。

4.3 盾構(gòu)姿態(tài)控制措施

4.3.1 盾構(gòu)機姿態(tài)調(diào)整

盾構(gòu)機姿態(tài)的變化直接影響到土體原始應(yīng)力的變化，因此掘進姿態(tài)控制是盾構(gòu)施工技術(shù)的重點。實際上，掘進時盾構(gòu)機呈蛇形前進，此時如果盾構(gòu)機的運動軌跡上下波動和左右波動幅度過大，會加劇土層擾動，造成地表土體變化，影響土體的原始應(yīng)力，引起地表沉降。因此，在掘進過程中應(yīng)控制盾構(gòu)機的掘進姿態(tài)，做到緩糾慢調(diào)，使盾構(gòu)機掘進軸線擬合設(shè)計軸線，軸線偏差控制在±50 mm以內(nèi)。一旦出現(xiàn)偏差應(yīng)及時停機，待制定合理的糾偏方案，再按照方案逐步糾偏，并根據(jù)需要設(shè)置合適的掘進速度。

4.3.2 盾構(gòu)機姿態(tài)控制

為了減少盾構(gòu)機姿態(tài)波動對地層的擾動，在穿越污水泵站過程中應(yīng)做到： ① 提前了解設(shè)計曲線(如轉(zhuǎn)彎半徑、設(shè)計坡度)，做到心中有數(shù)，有的放矢； ② 盾構(gòu)機掘進之前檢查測量系統(tǒng)是否工作正常，如有異常及時通知測量人員完成校準； ③ 盾構(gòu)機掘進時盡可能使盾構(gòu)機前進線和設(shè)計軸線接近。通常做法是通過計算機將盾構(gòu)機的實際位置和姿態(tài)與設(shè)計軸線進行比較，找出偏差數(shù)值后進行修正，使盾構(gòu)機位置和姿態(tài)盡可能保持穩(wěn)定。盾構(gòu)姿態(tài)控制值為：垂直-20～0 mm、水平0～20 mm。如果超出控制范圍立即匯報并停止掘進，得到新的掘進指令后再進行掘進。

4.3.3 地面沉降監(jiān)測

建筑物沉降、地表沉降及水平位移為主要監(jiān)測項目。通過24 h巡視查看地面是否存在下陷，泵身是否產(chǎn)生裂縫。掘進期間，24 h觀測水位，如泵站內(nèi)積水應(yīng)及時抽排，確保泵站內(nèi)無水。

5 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

5.1 旋噴時數(shù)據(jù)分析

監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示泵房在旋噴加固過程中無變形，說明旋噴加固措施安全合理。

5.2 盾構(gòu)穿越數(shù)據(jù)分析

在地鐵盾構(gòu)掘進施工之前，對污水泵房及盾構(gòu)對應(yīng)地表布設(shè)沉降監(jiān)測點，部分測點如圖4所示。

盾構(gòu)左線在2005年3月28日—4月12日側(cè)穿泵房，右線在4月22日—5月2日側(cè)穿泵房。左線盾構(gòu)施工時，控制掘進速度，對地表和泵房進行沉降監(jiān)測分析，獲得經(jīng)驗參數(shù)后，右線盾構(gòu)掘進速度適當加快。盾構(gòu)掘進期間泵房沉降曲線如圖5所示。

3月29日，盾構(gòu)刀盤距建筑物10 m時，建筑物沉降呈上抬趨勢，最大累計值為0.82 mm。4月1日，刀盤下穿建筑物時段，泵房沉降呈明顯下沉趨勢，日變量最大值為-1.03 mm(測點JCJ-1)。4月2日，盾構(gòu)拼裝至第68環(huán)，刀盤位于第72環(huán)，此時盾構(gòu)機已完全拖出污水泵房，污水泵房的沉降日變化量有所增大，最大日變量為-0.69 mm。4月9日，污水泵房的沉降測點數(shù)值呈持續(xù)增長趨勢，日變化量為0.10 mm。4月10日—4月12日，污水泵房沉降變化速率在緩慢減小。4月12日后，數(shù)據(jù)顯示泵房沉降趨于穩(wěn)定，最大沉降值為-2.81 mm。

圖4 污水泵房及地表沉降監(jiān)測點布置圖

圖5 污水泵房沉降曲線

4月22日，右線盾構(gòu)側(cè)穿污水泵房期間，污水泵房的沉降在逐漸增大。5月7日，污水泵房的沉降變化逐漸趨于穩(wěn)定，但測點JCJ-1的沉降變化值依然是最大，為-3.77 mm。根據(jù)施工工序安排，右線盾構(gòu)施工時，由于其他因素，造成污水泵房的沉降變化值為-0.96 mm。

盾構(gòu)隧道雙線依次側(cè)穿污水泵房時(對應(yīng)于數(shù)值模擬的工況4)的沉降監(jiān)測主要依據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)。盾構(gòu)隧道由于存在對稱性，地面布設(shè)監(jiān)測點也相應(yīng)存在對稱性，因此，本次研究分析主要選取斷面測點為DB75-1—DB75-6，共6個測點。對地表沉降值進行匯總，并繪制雙線側(cè)穿后地表沉降曲線圖，如圖6所示。

圖6 雙線側(cè)穿后地表沉降曲線

實時監(jiān)測數(shù)據(jù)分析顯示，雙線側(cè)穿后地表的沉降曲線與污水泵房的沉降曲線相似，其累計沉降曲線如圖6所示。通過圖6可以看出，沉降量最大累計值為-8.65 mm，但累計沉降量隨隧道軸線垂直距離的增大而減小。圖6中沉降監(jiān)測點依次為DBZ75-1、DBZ75-2、DBZ75-3、DBZ75-4，與隧道軸線距離由近到遠，沉降值累計最大依次為-1.89 mm、-3.19 mm、-6.38 mm、-9.51 mm。通過圖7可以看出，越靠近隧道中心線，沉降量變化越大，與地表沉降槽曲線的數(shù)值模擬曲線相一致。盾構(gòu)隧道左線在4月2日—4月8日穿越污水泵房時，地表沉降變化最大沉降量為-6.90 mm；盾構(gòu)隧道右線在4月25日—5月1日穿越污水泵房時，最大地表沉降量為-9.51 mm，同時地表產(chǎn)生瞬間(增加)沉降值(-2.86 mm)，說明盾構(gòu)隧道左右線同時施工或者依次施工時相互之間存在影響。

由圖5和圖6可知，實測左線穿越泵房時的泵房和地表沉降曲線大致可劃分為以下4個階段：

(1) 第1階段是在盾構(gòu)到達該斷面之前。此時若盾構(gòu)控制土壓不足或過大(期間總推力一直保持在1 100～1 400 t)，則該斷面正前方因土體塑性變形引起建筑物和地表的隆起或沉降，最大變化量在1～-2 mm之間。

(2) 第2階段是盾構(gòu)機在通過該區(qū)間風險源時。由于區(qū)間線路軸線的糾偏、刀盤對土體的超欠挖、盾構(gòu)設(shè)備與土體的摩檫等原因，引起建筑物和地表沉降，最大變化量在-2～-3 mm之間。

(3) 第3階段是盾構(gòu)機通過該斷面后。由于土體產(chǎn)生彈塑性變形，襯砌后面的空隙不能及時充填，造成地層應(yīng)力釋放，進而引起建筑物和地表沉降。該階段是地表沉降變形最大階段，最大日變量在-3～-4 mm之間。因此，盾體脫出管片之后，應(yīng)根據(jù)變化量及時進行二次注漿，阻止周圍土體再次下沉。

(4) 第4階段是盾構(gòu)機通過該斷面后發(fā)生的后續(xù)沉降。后續(xù)沉降在砂性土或密實硬黏性土中基本不會發(fā)生，而在軟弱黏性土地層中最為明顯。本文實例場地地質(zhì)條件屬于前者，故地表后續(xù)沉降量微小。

圖5和6中實測泵房和地表最大沉降分別為-3.77 mm和-9.51 mm，與數(shù)值模擬結(jié)果-3.43 mm和-9.06 mm基本接近。通過對比分析，兩者數(shù)據(jù)相差不大，表明數(shù)值模擬是合理的，所制定的盾構(gòu)穿越風險源控制措施是可行的。

6 結(jié)論

(1) 污水泵房為混凝土結(jié)構(gòu)，屬II級風險源，與左線隧道的豎向凈距為5.16 m，水平凈距為3.24 m。為保證盾構(gòu)施工的安全，采取了在泵房與盾構(gòu)隧道之間設(shè)置高壓旋噴樁的加固措施。

(2) 采用FLAC 3D軟件建立三維模型，計算設(shè)置和不設(shè)置高壓旋噴樁時盾構(gòu)和地表的最大沉降。計算結(jié)果表明，采取高壓旋噴樁加固措施后，泵房最大沉降-3.43 mm，減少了62.4%，有效地控制了泵房沉降和變形。

(3) 盾構(gòu)隧道掘進完成后，通過對泵房和地表的監(jiān)測顯示，污水泵房周邊地表的最大沉降量為-9.51 mm，污水泵房的最大沉降量為-3.77 mm，均未達到預警值上限，說明對風險源進行的高壓旋噴樁預加固措施有效。