臨江環(huán)境下穿盾構(gòu)隧道施工誘發(fā)透水的風(fēng)險(xiǎn)分析與評(píng)估

艾萬民

（廣東省重工建筑設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510640）

城區(qū)環(huán)境下穿地鐵隧道建設(shè)面臨諸多風(fēng)險(xiǎn)，施工過程中的任何輕微擾動(dòng)均可能造成既有結(jié)構(gòu)的較大變形甚至災(zāi)害或事故。盾構(gòu)隧道掘進(jìn)開挖極易引起掘進(jìn)面一定范圍內(nèi)的土體應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，其中高度近接基礎(chǔ)是這種變化最易影響的地下結(jié)構(gòu)體。建筑物結(jié)構(gòu)不均勻變形通常是由地基基礎(chǔ)承載力變化導(dǎo)致，下穿施工對(duì)既有上部結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)易產(chǎn)生承載能力弱化影響，影響輕時(shí)會(huì)影響建筑物的正常使用，嚴(yán)重時(shí)會(huì)危及建筑物結(jié)構(gòu)的安全。通常情況下，近接及下穿隧道有關(guān)上述影響的研究，核心目標(biāo)是控制既有結(jié)構(gòu)上部的變形和位移，采取防控措施是將其限制在安全運(yùn)營(yíng)許可的范圍內(nèi)，保證既有上部結(jié)構(gòu)的常規(guī)力學(xué)安全。

1 臨江臨河富水環(huán)境概況

臨江臨河富水環(huán)境指陸域和水域兩種地貌過渡區(qū)域，具有高度水力聯(lián)系、擁有密集滲流輸水通道、巖土材料遇水易分解、地層地質(zhì)易變異等典型特征，巖土體具有孔隙率大、滲透系數(shù)大、含承壓水等特點(diǎn)。施工過程中，下穿隧道對(duì)既有結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的地質(zhì)影響易被忽視。富水環(huán)境隧道開挖擾動(dòng)極易導(dǎo)致掘進(jìn)面區(qū)域發(fā)生臨空面失穩(wěn)破壞，誘發(fā)涌水涌砂等災(zāi)害，如不加控制極易造成地面塌陷、隧道塌方等工程事故[1]。臨江富水環(huán)境隧道施工存在引起周圍地層擾動(dòng)及改變水力聯(lián)系的潛在風(fēng)險(xiǎn)，極易引發(fā)安全事故。盾構(gòu)隧道施工過程中特殊巖土地層地質(zhì)體是透水災(zāi)害的重大風(fēng)險(xiǎn)源，也曾出現(xiàn)過一些重大事故。

目前，富水環(huán)境隧道施工對(duì)巖土介質(zhì)的影響及風(fēng)險(xiǎn)控制的研究較少，對(duì)既有地面結(jié)構(gòu)的影響程度及其變形規(guī)律的研究不夠明確，特別是極度近接地下結(jié)構(gòu)的變形影響及其帶來的潛在透水突水風(fēng)險(xiǎn)的研究更為缺乏。以往研究近接施工對(duì)隧道影響的較多，但對(duì)盾構(gòu)施工誘發(fā)塌陷機(jī)理及基礎(chǔ)附近地層塌陷機(jī)理的認(rèn)識(shí)和研究尚屬起步階段[2]。

珠江三角洲地區(qū)地質(zhì)較復(fù)雜，地下水位潛水面高且地下水高度聯(lián)系，致使地下施工災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)較大。文章依托廣州首條市域地下快速鐵路，重點(diǎn)針對(duì)臨江富水環(huán)境區(qū)間下穿隧道施工對(duì)近接預(yù)應(yīng)力管樁基礎(chǔ)的潛在透水風(fēng)險(xiǎn)展開分析和評(píng)估，并采用有限元數(shù)值計(jì)算方法，模擬盾構(gòu)隧道開挖對(duì)樁基位移效應(yīng)的影響，分析下穿隧道對(duì)周邊巖土體結(jié)構(gòu)的損傷過程和演化特征。

2 工程概況

廣州市軌道交通十八號(hào)線是目前國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)時(shí)速最快的高標(biāo)準(zhǔn)地鐵市域快線，是廣州地鐵線網(wǎng)中首條時(shí)速達(dá)160km的全地下快速軌道交通。其中，琶洲西區(qū)站—冼村站區(qū)間是全線首期開通線路的核心地帶，為全線建設(shè)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)和重難點(diǎn)區(qū)段。該區(qū)間將下穿廣州母親河——珠江，過江段隧道長(zhǎng)達(dá)1500m，全線穿越2個(gè)地層斷裂帶，采用2臺(tái)直徑8.8m土壓平衡盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行施工。

下穿區(qū)間位于密集城區(qū)且跨越陸域水域，2個(gè)地貌單元過渡區(qū)，如圖1所示。過江區(qū)段需盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)中下穿珠江前航道約1600m（長(zhǎng)距離），分2次以半徑約600m（小半徑）進(jìn)行轉(zhuǎn)彎（“S”彎）。這種長(zhǎng)距離、小半徑穿越珠江水系的施工尚屬首次，技術(shù)難度、施工水平要求、施工風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)、外界環(huán)境敏感度在國(guó)內(nèi)同類型施工中可謂首屈一指，也是廣州地鐵史上首次面臨盾構(gòu)機(jī)長(zhǎng)距離、小半徑穿越珠江的挑戰(zhàn)。

圖1 廣州軌道交通十八號(hào)線過江段地貌過渡區(qū)

珠江啤酒博物館位于地鐵隧道入江前的陸域與水域連接過渡區(qū)，是下穿隧道對(duì)上部區(qū)域有最大潛在影響的上部建筑。博物館緊鄰珠江南岸，總建筑面積約8138m2，由3個(gè)展覽廳和1個(gè)多功能廳（桶形建筑）組成，為鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，采用靜壓φ400mmPHC預(yù)應(yīng)力管樁（管樁基礎(chǔ)），樁長(zhǎng)為15～20m，承臺(tái)厚度為1.0～1.2m。

3 盾構(gòu)隧道與珠江啤酒博物館近接關(guān)系

下穿區(qū)間隧道以半徑600m的平面曲線從博物館下部經(jīng)過。下穿區(qū)間與博物館的平面衛(wèi)星圖與近接結(jié)構(gòu)關(guān)系如圖2所示。博物館基礎(chǔ)采用預(yù)應(yīng)力管樁，左線正下穿管樁樁數(shù)為37根，右線正下穿樁數(shù)量為6根。下穿隧道（左右線）與管樁基礎(chǔ)近接關(guān)系縱剖面圖如圖3所示。

圖2 下穿區(qū)間與博物館的平面結(jié)構(gòu)關(guān)系圖

圖3 下穿隧道（左右線）與管樁基礎(chǔ)近接關(guān)系縱剖面圖（單位：m）

3.1 潛在透水風(fēng)險(xiǎn)

下穿隧道管片外邊緣與博物館預(yù)應(yīng)力管樁基礎(chǔ)屬高度近接，潛在透水風(fēng)險(xiǎn)較大。盾構(gòu)施工對(duì)樁基的干擾，會(huì)削弱預(yù)應(yīng)力管樁樁基原有承載力。參考城市軌道交通地下工程建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)管理規(guī)范，下穿隧道區(qū)間近接施工的主要風(fēng)險(xiǎn)分析如下：

（1）左線隧道下穿博物館時(shí)，隧道頂與建筑樁基豎向間距僅為1.21m，盾構(gòu)通過時(shí)，存在房屋開裂、不均勻沉降等風(fēng)險(xiǎn)。

（2）上部預(yù)應(yīng)力基礎(chǔ)在施工壓樁過程中對(duì)樁周巖土體和樁端巖土施加側(cè)切力和豎向壓力，對(duì)巖土體的結(jié)構(gòu)及滲流特性產(chǎn)生影響，形成高滲透性、多裂隙的輸水通道。砂層上覆填土，局部直接與地表水體相連，地表水與第四系孔隙水存在較強(qiáng)的水力聯(lián)系[3]。

（3）盾構(gòu)法施工在掘進(jìn)中，刀盤產(chǎn)生旋切力，掌子面壓力急劇變化，對(duì)隧道周邊巖土體的結(jié)構(gòu)完整性、水力連通性造成潛在影響。

（4）施工開挖過程中，在水頭差作用下，土體可能產(chǎn)生滲透變形。由于場(chǎng)地地下水具有承壓性，強(qiáng)風(fēng)化巖、殘積土等含砂量較高，容易遇水軟化崩解，細(xì)顆粒粉黏?？赡鼙凰w帶走，地層可能發(fā)生坍塌、土體變形等，土體流失可能引起隧道失穩(wěn)、結(jié)構(gòu)破壞和地面坍塌等。

3.2 水文地質(zhì)環(huán)境

近接區(qū)域場(chǎng)地為海陸交互相沖積平原地貌，緊鄰珠江黃埔水道。地下水為第四系松散層孔隙水和基巖裂隙水。上覆填土含水層松散，局部覆蓋軟土、粉質(zhì)黏土等隔水層，在珠江底部直接連通地表水，孔隙水主要為潛水，局部地段為承壓水?；鶐r裂隙水主要賦存于泥質(zhì)粉砂巖強(qiáng)風(fēng)化帶、中等風(fēng)化帶，地下水的賦存不均[4]。局部地段基巖頂部與砂土直接連通，砂層與填土、地表水連通。地下水水位埋藏淺，地表水、第四系孔隙水以及基巖裂隙水之間連通性好，水位趨于一致，初見水位埋深為0.40～6.20m，穩(wěn)定水位埋深為1.10～7.00m，滲透系數(shù)為0.3～0.5m/d。含水層之間存在高度水力聯(lián)系，屬典型臨江富水環(huán)境。典型鉆孔巖土特征如圖4所示。

圖4 典型鉆孔巖土特征圖

4 施工透水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

4.1 巖土性質(zhì)分析

原位勘探延續(xù)下穿隧道行進(jìn)方向展開，測(cè)試區(qū)域?yàn)橄麓┧淼狼昂笠槐抖軜?gòu)頂面至地面范圍。選取左右線（MRZ3-PX-26和MRZ3-PX-29）近接鉆孔，鉆孔揭露地面往下依次為2.8m的素填土、7.2m的淤泥質(zhì)粉細(xì)砂、1.0m的淤泥質(zhì)土、1.9m的淤泥質(zhì)粉細(xì)砂、5.6m的強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、8.5m的中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、以下是微風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖。盾構(gòu)隧道區(qū)域全部處于中風(fēng)化及微風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖中。近接區(qū)間基本位于裂隙發(fā)育基巖區(qū)內(nèi)，基巖裂隙水不均勻，地下水在基巖裂隙中富集，地層基巖易軟化，存在基巖裂隙。

4.2 隧道施工擾動(dòng)控制

下穿隧道開挖會(huì)導(dǎo)致地層應(yīng)力二次分布，被擾動(dòng)地層巖土力學(xué)特性易發(fā)生改變。盾構(gòu)近接、下穿上部結(jié)構(gòu)涉及盾構(gòu)機(jī)-土體-隧道結(jié)構(gòu)多元相互作用問題。盾構(gòu)掘進(jìn)產(chǎn)生擾動(dòng)源，擾動(dòng)源經(jīng)過土體介質(zhì)的傳播與上部結(jié)構(gòu)發(fā)生作用，影響上部結(jié)構(gòu)及其基礎(chǔ)的豎向承載能力。隧道開挖引起地層變位的理論方法已經(jīng)有諸多成果，大部分理論計(jì)算方法適用于二維平面空間，而盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)地層的影響是一個(gè)三維動(dòng)態(tài)、多因素綜合作用的過程，大部分理論沒有充分考慮盾構(gòu)掘進(jìn)的空間特性，忽略了盾構(gòu)附加支護(hù)壓力、盾殼摩擦以及刀盤扭轉(zhuǎn)等因素的影響，計(jì)算結(jié)果與工程實(shí)際特征狀態(tài)有所偏差[5]。

盾構(gòu)隧道施工干擾控制，將下穿隧道施工擾動(dòng)因素值控制在限制以內(nèi)是常采用的辦法。參照廣東省建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范，施工擾動(dòng)控制限制值如下：

（1）框架結(jié)構(gòu)相鄰柱基沉降差，中、低壓縮性土為0.002l，高壓縮性土為0.003l。

（2）多層和高層建筑物基礎(chǔ)的傾斜，中、低壓縮性土和高壓縮性土均為0.004mm。

4.3 數(shù)值分析

（1）數(shù)值模擬巖土參數(shù)。依據(jù)原位勘探與室內(nèi)試驗(yàn)，數(shù)值模型所用巖土材料特征參數(shù)如表1所示。

（2）下穿隧道工況數(shù)值模型。參照博物館的管樁布置和樁頂豎向力、盾構(gòu)施工參數(shù)、材料參數(shù)、珠江啤酒博物館管樁和盾構(gòu)隧道的空間關(guān)系，使用Midas GTSNX 2018建立三維模型，模擬下穿盾構(gòu)施工過程對(duì)周邊巖土、預(yù)應(yīng)力管樁的變形影響。建模范圍與模型尺寸如圖5所示，模型信息如圖6所示。將盾構(gòu)隧道所下穿的管樁進(jìn)行編號(hào)，統(tǒng)計(jì)各管樁位移量，各管樁編號(hào)如圖7所示。模型邊界條件：約束模型底部Z方向、模型前后面Y方向、模型左右面X方向、約束樁的Z方向旋轉(zhuǎn)；適度減少模型自由度，以符合實(shí)際下穿隧道施工狀態(tài)。盾構(gòu)隧道施工對(duì)預(yù)應(yīng)力管樁基礎(chǔ)影響分為初始應(yīng)力場(chǎng)分析、盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)、管片拼裝3個(gè)狀態(tài)。模擬工況：初始地應(yīng)力場(chǎng)分析，位移清零；注漿啤酒博物館施工，位移清零；盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)，施加掘進(jìn)壓力，土體開挖；施加千斤頂力，拼裝管片，施加掘進(jìn)壓力，進(jìn)行下一次土體開挖；重復(fù)進(jìn)行盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)，施加掘進(jìn)壓力，土體開挖，進(jìn)行盾構(gòu)隧道開挖和管片拼裝，直至完成盾構(gòu)隧道施工[6-7]。

表1 數(shù)值模擬巖土材料參數(shù)取值表

4.4 透水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

數(shù)值模擬得出各管樁樁頂盾構(gòu)隧道開挖過程中的豎向位移值Tz、水平方向位移值Tx和Ty以及總位移值。盾構(gòu)隧道下穿博物館管樁，全部管樁的最大總位移為-0.74mm，全部管樁的最大豎向位移為-0.73mm。樁頂最大豎向位移如圖8所示。

圖5 三維有限元整體模型

圖6 三維有限元模型細(xì)部軸視圖

圖7 盾構(gòu)隧道下穿管樁關(guān)系圖

圖8 各樁樁頂最大豎向位移分布圖

盾構(gòu)隧道下穿施工過程中，博物館的管樁樁頂模擬計(jì)算的最大豎向位移為-0.59mm，最大總位移為-0.59mm，相鄰樁基最大沉降差為0.19mm。各相鄰樁基沉降差如圖9所示。參照廣東省建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范關(guān)于建筑物地基變形的允許值，模擬計(jì)算值遠(yuǎn)小于規(guī)范規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)值，下穿施工滿足要求結(jié)構(gòu)安全要求。預(yù)應(yīng)力管樁側(cè)周巖土體的巖土性質(zhì)未變異情況下，隧道施工不危及博物館結(jié)構(gòu)安全、原有樁基安全基本得到保障。

圖9 相鄰樁基沉降差

管樁豎向位移隨盾構(gòu)下穿施工過程呈現(xiàn)曲線變化形式，大體為S形。隨盾構(gòu)掘進(jìn)，管樁沉降和豎向位移的變化隨施工步的推進(jìn)，呈現(xiàn)出先緩后急再緩的特征。曲線的斜率絕對(duì)值最大，即管樁沉降速率最快，出現(xiàn)在管樁正下方管片段拼裝工況[8]；管樁沉降開始出現(xiàn)，為盾構(gòu)下穿前、距離管樁約5環(huán)管片距離；駛離管樁10環(huán)管片的距離后，管樁的沉降趨于穩(wěn)定。建議刀盤距離管樁5環(huán)距離時(shí)，加大樁基同步施工監(jiān)測(cè)頻率，及時(shí)監(jiān)測(cè)近接基礎(chǔ)潛在變形，避免發(fā)生水力通道演變及薄弱巖土體透水災(zāi)害。

盾構(gòu)隧道下穿誘發(fā)珠江啤酒廠管樁基礎(chǔ)頂端的最大總位移為-0.59mm，相鄰樁基最大沉降差為0.19mm，遠(yuǎn)小于規(guī)范對(duì)建筑物地基變形的允許值，施工導(dǎo)致博物館管樁基礎(chǔ)出現(xiàn)被動(dòng)變形可能性較小。

數(shù)值模擬計(jì)算是建立在管樁基礎(chǔ)周圍介質(zhì)未被擾動(dòng)，巖土物理力學(xué)性質(zhì)未發(fā)生變異的假定條件，隧道上部區(qū)域巖性存在高度水力聯(lián)系，具有較高透水風(fēng)險(xiǎn)，下穿隧道周邊巖土被擾動(dòng)程度及巖土體性質(zhì)變異的可能性[9-10]。防范透水事故發(fā)生，建議采取如下針對(duì)性措施：

（1）地表水、第四系孔隙水和基巖裂隙水之間存在一定的水力聯(lián)系，開倉(cāng)換刀及掘進(jìn)停止及掘進(jìn)面泄壓風(fēng)險(xiǎn)較大時(shí)，應(yīng)采取適當(dāng)保壓供壓措施，避免潛在水力通道持續(xù)演變惡化。

（2）盾構(gòu)掘進(jìn)過程，應(yīng)進(jìn)行掘進(jìn)系統(tǒng)參數(shù)的跟蹤監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)分析盾構(gòu)及刀盤數(shù)據(jù)，超出風(fēng)險(xiǎn)管控值時(shí)，采取必要補(bǔ)救措施；加強(qiáng)對(duì)博物館房屋、周邊其他建（構(gòu)）筑物沉降及裂縫的監(jiān)測(cè)，開展地表隆陷、沉降槽監(jiān)測(cè)，超警戒值時(shí)應(yīng)及時(shí)分析原因并采取防止惡化演變的措施。

（3）盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，加強(qiáng)隧道內(nèi)部管片的水平與豎向位移、管片襯砌凈空收斂監(jiān)測(cè)和管片外注漿壓力的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，及時(shí)識(shí)別透水可能及啟動(dòng)區(qū)。

（4）合理控制注漿壓力極限值及掌子面泥水壓力，控制刀盤掘進(jìn)對(duì)上覆巖土體、上覆管樁基礎(chǔ)側(cè)巖土體的“二次擾動(dòng)”，必要時(shí)采用超前注漿措施、增加止?jié){環(huán)或采用管片外地層填充注漿措施等。

5 結(jié)語(yǔ)

珠江三角洲地區(qū)地質(zhì)較復(fù)雜，地下水位潛水面高且地下水高度聯(lián)系，致使地下施工災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)較大，研究臨江富水環(huán)境區(qū)間下穿隧道施工對(duì)近接建筑的潛在透水風(fēng)險(xiǎn)具有重要意義。希望文章研究能給相關(guān)人員研究工作提供有價(jià)值的參考。