盾構(gòu)下穿公路隧道微擾動控制技術(shù)研究

李記軍 惠子華 肖亞俊

(1.無錫地鐵集團有限公司，江蘇 無錫 214000； 2.中鐵十七局集團上海軌道交通工程有限公司，上海 200000)

0 引言

區(qū)間隧道盾構(gòu)法施工因其施工速度快、安全性高、成本相對低等眾多優(yōu)點，在城市地鐵施工中應用越來越廣泛。由于新時代對城市交通需求的增加，新建地鐵線路(特別是主城區(qū))不可避免的要穿越既有建筑物及構(gòu)筑物。區(qū)間隧道在穿越建構(gòu)筑物期間對建構(gòu)筑物沉降控制提出很高的要求[1]，盾構(gòu)機掘進過程姿態(tài)控制、漿液選擇、刀盤扭矩及推力控制等成為較為棘手的技術(shù)難題[2]，本文通過一個實際案例分析了盾構(gòu)隧道近距離穿越建構(gòu)筑物時針對沉降控制采取的技術(shù)措施。

1 工程概況

1.1 工程簡介

無錫市軌道交通3號線永樂東路站—金海里站區(qū)間盾構(gòu)下穿太湖大道隧道約27.5 m。區(qū)間以R=400 m穿越太湖大道隧道底，太湖大道底板厚1 000 mm，隧道頂距底板底5.222 m～5.56 m，底板下有長12 m φ1 000工程樁，區(qū)間自樁中間穿越(穿越樁間距12.3 m，盾構(gòu)直徑6.440 m)，距離工程樁最小距離為2.22 m，如圖1所示。

根據(jù)勘察報告，盾構(gòu)在太湖大道隧道位置穿越主要土層上部為④2粉砂層，中下部為⑤1粉質(zhì)粘土層和⑥1粘土層。

擬建工程沿線地下水類型為松散巖類孔隙水，包括潛水(二)、微承壓水(三)1及第Ⅰ承壓水(三)2。

潛水(二)賦存于①1雜填土，隔水底板為③1-1粘土、③1粘土、③2粉質(zhì)粘土。

微承壓水(三)1含水層賦存于④1粘質(zhì)粉土、④2粉砂夾粉土層中，其隔水頂板一般為③1粘土、③2粉質(zhì)粘土，隔水底板為⑤1粉質(zhì)粘土、⑥1粘土、⑥2粉質(zhì)粘土。

第Ⅰ承壓水(三)2主要賦存于深部的砂性土⑥3粘質(zhì)粉土、⑦2粘質(zhì)粉土層中，賦水性中等，具有相對較好的封閉條件。

1.2 隧道下穿太湖大道重難點分析

盾構(gòu)機在該區(qū)域施工的過程中，如果土艙壓力設(shè)置過大、螺旋排土器排土量少，會對開挖面前方土體造成擠壓作用，使其土水壓力進一步增大，造成開挖面上方土體因擠壓產(chǎn)生土體變形，致使隧道底板隆起變形；若土艙壓力設(shè)置過小，掘進過程中易產(chǎn)生局部超挖情況，進而造成盾構(gòu)開挖面前面土體塌方現(xiàn)象，塌方地層上部應力松弛而產(chǎn)生變形，太湖大道隧道底板因地層變形將產(chǎn)生較大沉降[3]。如何保證隧道穿越時土體穩(wěn)定，控制太湖大道隧道沉降量不超允許值[4]，是本工程施工控制的重點及難點。

2 隧道穿越過程管控措施

由以往施工經(jīng)驗和該隧道特征，工程將盾構(gòu)穿越分為A區(qū)(試推進段)、T區(qū)(盾構(gòu)穿越段)和B區(qū)(盾構(gòu)穿越后段)三個區(qū)段。

將穿越太湖大道隧道前45環(huán)～5環(huán)作為穿越前推進試驗段，即左線237環(huán)～277環(huán)，右線246環(huán)～286環(huán)。在兩個試驗段的施工過程中，以控制太湖大道隧道沉降變形為主要目標。

穿越段開始于盾構(gòu)切口到達管道前5環(huán)，結(jié)束于盾尾脫出管道范圍5環(huán)后，共35環(huán)(盾構(gòu)穿越太湖大道隧道管片環(huán)數(shù)左線為277環(huán)～301環(huán)，右線為286環(huán)～310環(huán))。利用試推進段施工情況及以往施工經(jīng)驗，得出合理的施工參數(shù)，應用于施工中。

穿越后階段定為盾尾脫出太湖大道隧道后6環(huán)～20環(huán)，總計15環(huán)，長度為18 m。

3 隧道下穿具體施工技術(shù)

為了探索盾構(gòu)穿越太湖大道隧道穿越段適用的關(guān)鍵施工技術(shù)和施工參數(shù)[5]，保證新建隧道順利通過太湖大道隧道，在盾構(gòu)穿越太湖大道隧道前進行兩次試驗段關(guān)鍵施工控制技術(shù)研究。

3.1 施工關(guān)鍵參數(shù)設(shè)定

開挖面及土艙壓力的平衡設(shè)定是土壓平衡盾構(gòu)施工的關(guān)鍵，其中包括推力、推進速度和出土量三者相互關(guān)系，其對盾構(gòu)施工地層變形量的控制起主導作用[6]。通過在試驗段進行施工關(guān)鍵參數(shù)的調(diào)整及測試，施工時地表沉降變形及建構(gòu)筑物沉降均處于安全可控范圍內(nèi)，其主要參數(shù)如表1所示。

表1 盾構(gòu)穿越太湖大道隧道試驗段施工參數(shù)

3.2 盾構(gòu)隧道下穿同步注漿技術(shù)

試驗段同步注漿采用“準厚漿”，準厚漿其漿液粘稠，填充效果好，無滲漏現(xiàn)象發(fā)生，泌水性?。粷{液有較好的抗?jié)B漏性能，漿液的后期強度高；結(jié)合前期施工經(jīng)驗，最初的注漿壓力是根據(jù)理論的靜止水壓力確定，取1.1倍～1.2倍的靜止水壓力，該段推進過程注漿壓力控制在0.3 MPa～0.5 MPa范圍內(nèi)，注漿量控制在5.5 m3/環(huán)～6.0 m3/環(huán)。

在穿越段施工前，對漿液配合比進行不同的試驗調(diào)配及性能測試，如表2所示，結(jié)合粉細砂地層特點優(yōu)選出滿足使用要求的配方，如表3所示。

表2 同步注漿漿液初步配比

表3 同步注漿漿液性能表

3.3 盾構(gòu)隧道下穿二次注漿技術(shù)

為了提高止水效果且減少施工后期土體沉降的影響，在脫出盾尾的第3環(huán)～4環(huán)起，經(jīng)管片預留注漿孔進行二次補漿作業(yè)，對空隙部分二次填充，每環(huán)注漿量控制值為1.2 m3左右，因二次注漿為隔環(huán)注漿，因而每次注漿量初步定為2.4 m3，注漿壓力控制為0.4 MPa。

二次注漿采用水泥—水玻璃雙液漿作為注漿材料，漿液的凝膠時間為30 s～1 min。

漿液配比為水玻璃用水稀釋成1∶3，水泥漿水灰比1∶1，水泥漿與水玻璃體積比1∶1，具體參數(shù)如表4所示。

表4 雙液漿漿液配比表

3.4 盾構(gòu)下穿姿態(tài)軸線控制技術(shù)

1)盾構(gòu)穿越太湖大道隧道時，施工管理人員根據(jù)測量及反饋的數(shù)據(jù)信息，及時下達操作指令，勤加跟蹤調(diào)整。

2)在穿越段施工時做到實際與設(shè)計軸線偏差±30 mm以內(nèi)，堅持“小糾偏，勤糾偏”的原則，控制好盾構(gòu)糾偏量。

3)通過組合不同的千斤頂實現(xiàn)糾偏，相對區(qū)域油壓差控制在5 MPa以內(nèi)，伸出長度差小于2 cm，避免發(fā)生糾偏過大的情況，造成對正面土體的偏向擠壓和不均勻擾動。

4)結(jié)合工程地質(zhì)情況，提前考慮掘進過程中將產(chǎn)生的偏差，做好盾構(gòu)姿態(tài)糾偏準備，實現(xiàn)盾構(gòu)機身與設(shè)計線路夾角控制在0.3%以內(nèi)。

4 盾構(gòu)隧道下穿地表沉降監(jiān)測分析

依據(jù)本單位盾構(gòu)穿越建筑物的施工經(jīng)驗，將盾構(gòu)施工影響范圍內(nèi)長度再加上前100環(huán)管片寬度(120 m)和后30環(huán)管片寬度(36 m)的范圍劃為沉降控制區(qū)域，并再次細分，將隧道寬度及前方12 m以及后方36 m定義為一類控制區(qū)，其他區(qū)域定義為二類控制區(qū)。

因左線首先下穿公路隧道，穿越段共設(shè)有3個與隧道軸線方向垂直的監(jiān)測面，每個監(jiān)測面設(shè)10個沉降監(jiān)測點，如圖2所示。根據(jù)中間一個監(jiān)測面的沉降點監(jiān)測沉降情況如下：11月10日盾構(gòu)開始下穿隧道，地表出現(xiàn)較大的沉降值變化，隨著盾構(gòu)的施工，地表沉降出現(xiàn)較大差異，部分監(jiān)測點出現(xiàn)隆起現(xiàn)象，施工期間共對監(jiān)測點進行54 d的記錄，從最終沉降可以看出，地表沉降趨于穩(wěn)定，最大沉降量小于4 mm，在規(guī)范控制值范圍內(nèi)，這也充分說明盾構(gòu)下穿掘進過程中采用的施工參數(shù)和技術(shù)措施對地表沉降起到了很好的控制效果。

5 結(jié)論與建議

針對砂土地層盾構(gòu)穿越建構(gòu)筑物，通過設(shè)置試驗段的測試和穿越段的應用，探索出以下適合的施工參數(shù)：

1)盾構(gòu)掘進過程中的平衡壓力設(shè)定值宜為0.20 MPa～0.22 MPa、刀盤轉(zhuǎn)速取0.9 rpm～1.3 rpm、土量控制在36.74 m3/環(huán)～37.50 m3/環(huán)；

2)盾構(gòu)推進過程的同步注漿壓力控制在0.3 MPa～0.5 MPa范圍內(nèi)，注漿量控制在5.5 m3/環(huán)～6.0 m3/環(huán)，二次注漿每次注漿量為2.4 m3，注漿壓力控制為0.4 MPa；

3)盾構(gòu)糾偏過程中，相對區(qū)域的千斤頂油壓差應小于5 MPa，伸出長度差小于2 cm。

砂土地層盾構(gòu)穿越已有建構(gòu)筑物時宜采用“先試驗、多注漿、慢速度、勤測量、少糾偏、二次補”的動態(tài)控制理念進行沉降控制，將主動(試驗段摸索施工參數(shù))控制措施和被動控制(通過監(jiān)測數(shù)據(jù)動態(tài)調(diào)整施工參數(shù))措施相結(jié)合，不僅能有效地控制穿越過程中建構(gòu)筑物的沉降，也可以控制隧道后期的沉降變形。上述成果為類似砂土地層盾構(gòu)下穿建構(gòu)筑物施工提供了重要的實踐依據(jù)。