卵石地層盾構(gòu)施工地層分層沉降特點及減沉技術(shù)

萬朝棟

(中鐵十八局第四工程有限公司,天津 300350)

盾構(gòu)隧道施工技術(shù)由于其安全、高效、經(jīng)濟(jì)等特點，在近幾十年來得到了廣泛應(yīng)用。由于施工技術(shù)和地層條件的限制，盾構(gòu)開挖不可避免地形成對地層的擾動。對于卵石地層，由于其低粘結(jié)力及易于擾動等特點，盾構(gòu)在該地層施工很容易形成地下空洞，造成大量地層損失，引發(fā)滯后沉降。在成都典型的砂卵石地層盾構(gòu)施工引發(fā)的地表坍塌比較頻繁。圖1為成都地鐵1號線施工半年后引起的地表坍塌。

圖1 成都地鐵1號線人南路坍塌[1]

對于砂卵石地層盾構(gòu)施工引起地表沉降的機(jī)理以及處理措施，很多學(xué)者開展了大量的研究。江英超[2]認(rèn)為盾構(gòu)施工工藝是砂卵石地層產(chǎn)生滯后沉降的原因之一，認(rèn)為空洞的自穩(wěn)與隧道埋深關(guān)系比較大，埋深較小時很難形成冒落拱，土體移動可以直接發(fā)展到地表，造成地面突發(fā)沉降。徐凱[3]認(rèn)為砂卵石地層中空洞的形成與擴(kuò)散機(jī)理是由于超挖形成空洞，空洞周圍應(yīng)力集中超過地層強(qiáng)度，空洞向上發(fā)展，當(dāng)發(fā)展到地表依然不能穩(wěn)定時就形成突發(fā)性的坍塌、沉陷。文獻(xiàn)[4-8]對砂卵石地層盾構(gòu)掘進(jìn)施工引起的地表滯后沉降的原因進(jìn)行了分析，并提供了一些應(yīng)對策略。GAO等[9]認(rèn)為，砂卵石地層中盾構(gòu)施工，空洞的形成位置具有一定的隨機(jī)性。針對此假設(shè)，通過對隧道上方設(shè)置了三個不同位置的空洞通過顆粒流軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，認(rèn)為地層沉降區(qū)域影響范圍為隧道中心線兩側(cè)2D的區(qū)域范圍內(nèi)。業(yè)界普遍認(rèn)為該種地層，由于其較低的初始粘結(jié)力，容易受盾構(gòu)掘進(jìn)施工擾動，但是由于卵石骨架的存在，地層擾動不會在盾構(gòu)施工后很快發(fā)展到地表，而是在施工結(jié)束一段時間后由于外力擾動等造成地表突發(fā)沉降。

范建國等[10-11]通過室內(nèi)模型試驗對砂卵石地層中圓形隧道施工引起的地層運移特點進(jìn)行了研究，認(rèn)為地層損失是土體松動、塌落的主要原因。盾構(gòu)施工引起的地表沉降其根本原因是由開挖擾動造成地層損失引起的。因此只要地表沉降的根本原在于開挖造成的地層損失，包括超挖與二次固結(jié)等。從盾構(gòu)施工的原理來看，由于開挖引起的地層松動以及土體超挖，從理論上難以避免。從該角度來看，只要損失的地層在沉降發(fā)生在地表之前能夠得到有效補(bǔ)償，地表沉降就可以得到控制。軟土地層的沉降主要發(fā)生在隧道掘進(jìn)初期，地層作為整體沿地層損失的方向移動的，因此該類型地表沉降的治理方法主要是同步注漿和二次注漿。與軟體地層變形特點不同，砂卵石地層滯后沉降的特點給盾構(gòu)施工后期的地層補(bǔ)償提供了充裕的時間。

地層損失的補(bǔ)償關(guān)鍵在于比較明確地了解空洞的時空發(fā)展規(guī)律，并根據(jù)此規(guī)律對地層損失進(jìn)行一定補(bǔ)償。既有研究針對砂卵石地層盾構(gòu)施工典型滯后沉降的機(jī)理，采用數(shù)值模擬及試驗手段進(jìn)行了大量研究。而對于該地層條件下，具體工程的空洞分布時空規(guī)律研究較少?；诖搜芯楷F(xiàn)狀，本文以成都地鐵6號線某標(biāo)段區(qū)間隧道作為工程背景，通過分層沉降實測建立該施工條件下的地層運移時空規(guī)律?；谠撘?guī)律提出了地表注漿充填減沉措施，通過對比采取和未采取該措施的工后沉降，可以認(rèn)為該方法能夠在很大程度上避免地表突然坍塌。該研究可以為后續(xù)砂卵石地層滯后沉降控制提供一定的借鑒作用。

1 工程背景

成都地鐵6號線天宇路至犀浦區(qū)間,，盾構(gòu)隧道穿越砂卵石地層施工。隧道埋深12.6 m,盾構(gòu)開挖半徑為6 m。管片外徑5.75 m、內(nèi)徑5.45 m、管片厚度300 mm、幅寬1.5 m、雙線中心間距14 m。盾構(gòu)隧道平均推進(jìn)速度8～10環(huán)/d(12～15 m/d)。地層與隧道關(guān)系如圖2所示。

圖2 隧道與地層關(guān)系

2 數(shù)值模擬

2.1 模型簡介

采用顆粒流軟件PFC3D,模擬盾構(gòu)隧道開挖后的地層運移規(guī)律。顆粒越多對計算機(jī)性能要求越高，計算速度越慢。因此此模型尺寸為20 m×12 m×20 m，顆粒數(shù)量為190 600，數(shù)值模型如圖3(a)所示。

刀盤直徑為6 m,轉(zhuǎn)速為24 r/min,推進(jìn)速度為0.25 cm/min。盾構(gòu)機(jī)推過后，按照9.8 %地層損失量對刀盤外的顆粒進(jìn)行二次刪除再進(jìn)行計算，觀察地層運移規(guī)律。

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果

由圖3(b)可以看出，在無超挖條件下，由于盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)過程中的擠壓作用，隧道上方土體呈現(xiàn)隆起的變形特點。

由圖3(c)可以看出，在隧道超挖以后，隧道上方地層距離隧道越近下沉量越大，地表沉降在此階段并不明顯。數(shù)值模擬可以對盾構(gòu)隧道施工引起的地層運移進(jìn)行定性描述。

圖3 數(shù)值模擬及結(jié)果

3 分層沉降

文獻(xiàn)[12]通過對成都地鐵7號線的兩個區(qū)間分層沉降的監(jiān)測，將盾構(gòu)施工引發(fā)的分層沉降分為五種類型，分析了地面坍塌的原因，并根據(jù)分層沉降的不同特點提供了避免地表坍塌的解決方案。為了解在砂卵石地層中盾構(gòu)施工引起的地層運移規(guī)律，尤其是地層沉降發(fā)展到地表之前的規(guī)律，因此對地表以下各個分層的垂直位移進(jìn)行監(jiān)測。

3.1 監(jiān)測方案

監(jiān)測地層分層沉降，在拱頂與拱腰對應(yīng)的位置一共設(shè)置兩個分層沉降監(jiān)測管，監(jiān)測管長度為7 m，從地表到地下6 m每隔1 m設(shè)置一個磁環(huán)(圖4)。監(jiān)測時間從刀盤通過監(jiān)測斷面的前一天開始，通過后的15 d結(jié)束，監(jiān)測頻率為1 次/d。

圖4 分層沉降監(jiān)測方案

3.2 分層沉降規(guī)律

從圖5中可以看出，盾構(gòu)隧道在砂卵石地層中施工，地層運移基本特點為，在刀盤通過監(jiān)測斷面前，地層表現(xiàn)為隆起，在刀盤通過監(jiān)測斷面后隆起量開始減小。

(a)拱頂測點分層沉降監(jiān)測結(jié)果

在監(jiān)測期間，地層分層差異沉降最明顯的層位在地表以下5 m與6 m分層之間，該分層的最大差異沉降發(fā)生在刀盤推過監(jiān)測斷面后的10 d左右。隨著刀盤繼續(xù)推進(jìn)，5 m與6 m之間的分層差異沉降值開始減小，但其絕對值仍然大于其他分層之間的差異沉降值。

由圖5(a)可以看出，拱頂位置分層沉降在刀盤通過9 d后，5 m分層與6 m分層之間的差異沉降值達(dá)到最大，最大值為16 mm。此后這兩個分層之間的差異沉降值開始減小，4 m與5 m分層之間的差異沉降值開始增加。

由圖5(b)可以看出，拱腰位置分層沉降在刀盤通過11 d后，5 m分層與6 m分層之間的差異沉降值達(dá)到最大，最大值為8 mm。此后這兩個分層之間的差異沉降值開始減小，3 m與4 m分層之間的差異沉降值開始明顯增加。

根據(jù)監(jiān)測結(jié)果表明，在既有的掘進(jìn)條件下，地層分層沉降最大的層位為5 m與6 m分層之間，其時間為刀盤推過監(jiān)測斷面的10 d左右。因此，利用該差異沉降進(jìn)行地層損失充填補(bǔ)償?shù)臅r機(jī)和層位應(yīng)與該規(guī)律一致。

4 地表注漿充填及沉降控制效果

文獻(xiàn)[13]在成都地鐵2號線在隧道洞內(nèi)通過深孔對隧道上覆地層松散體進(jìn)行充填注漿，并取得了較好防坍塌效果。但是該方法由于在隧道洞內(nèi)施工，由于洞內(nèi)空間限制，會對正常的軌道運輸造成干擾，而且鉆孔以及注漿的質(zhì)量受空間限制其質(zhì)量難以保證。地表施工中空間幾乎不受限制，能夠充分發(fā)揮人員、機(jī)具的效率，因此地表充填注漿的可靠性較洞內(nèi)充填具有一定優(yōu)勢。

在卵石地層盾構(gòu)隧道施工過程中地層反復(fù)受到多次擾動，刀盤到達(dá)前(隆起)，刀盤通過后(下沉)。如果在刀盤通過后再在地面進(jìn)行鉆孔施工，很容易再次大范圍地層的擾動，不利于地層中空洞或松散體的穩(wěn)定，因此在刀盤到達(dá)一周前完成注漿鉆孔施工。

在分層差異沉降中該差異值可能存在空洞與松散體共存的狀態(tài)，二者由于其空隙特征不同而對注漿材料要求不同。超細(xì)水泥是一種超微粒水泥基注漿材料[14]，平均粒徑小、可以直接摻水注漿。本文中所用的超細(xì)水泥的強(qiáng)度等級為32.5，平均粒徑小于2 μm，最大粒徑小于8 μm。由于是充填注漿，注漿壓力設(shè)置為地層壓力的1.2倍即0.12 MPa。通過對該區(qū)間每隔30 m在拱頂設(shè)置一個注漿鉆孔充填注漿后，經(jīng)過一年的監(jiān)測，該區(qū)間未發(fā)生突發(fā)性的坍塌事故。

5 結(jié)論

(1)采用顆粒流軟件PFC3D對砂卵石地層盾構(gòu)隧道施工過程進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果表明，在無地層損失時隧道上方地層在盾構(gòu)機(jī)推力的作用下表現(xiàn)為上移。在地層損失為9.8 %時，隧道上方地層開始下沉，但地表沉降并不明顯，表現(xiàn)出一定的滯后性。

(2)現(xiàn)場分層實測結(jié)果表明，盾構(gòu)掘進(jìn)過程中相對分層沉降最大值發(fā)生在刀盤推過監(jiān)測點10 d左右，差異沉降最大的層位在5～6 m的層位，最大差異沉降為拱頂位置其值為16 mm，拱腰處的分層沉降規(guī)律與拱頂類似，但其差異沉降值較拱頂略小。

(3)根據(jù)分層沉降實測所得差異沉降最大的位置及相對于刀盤的相對位置，在地表提前施工注漿鉆孔待刀盤刀盤推過實測距離后利用差異沉降形成的空洞或松散體采用超細(xì)水泥進(jìn)行充填注漿。注漿結(jié)果表明，地面充填注漿也能夠有效避免地表突然坍塌的事故發(fā)生。