海底隧道盾構(gòu)與礦山法對接段的變形控制與施工方法

朱志祥

（中鐵二局集團(tuán)第二工程公司， 四川 成都 610031）

1 引言

越來越多的江底、 海底隧道正在或即將建設(shè)［1］，水底隧道工程正在向超大斷面、 大埋深、 超長等方向發(fā)展， 隧道在穿越地質(zhì)條件復(fù)雜、 多變的同時， 其承受的水壓將進(jìn)一步加大［2］。 當(dāng)前， 隧道的技術(shù)革新如火如荼， 越來越多的創(chuàng)新型工法的出現(xiàn)使得隧道建設(shè)效率越來越高。 水底隧道多采用盾構(gòu)法施工， 必然涉及到盾構(gòu)接收問題［3］。

在軌道交通、 公路交通等領(lǐng)域， 盾構(gòu)的接收井多為明挖結(jié)構(gòu)［4］， 在軟弱土層中， 需要對先行建設(shè)接收端地層進(jìn)行加固［5］， 并采用鋼套筒等輔助接收措施［6］。 盾構(gòu)接收時， 其施工引起的縱向、 橫向的變形和受力需要格外關(guān)注［7］， 可以通過理論公式計算和數(shù)值模型計算等方式進(jìn)行研究［8］。 當(dāng)前盾構(gòu)井的加固范圍的確定多以經(jīng)驗法為主， 根據(jù)地質(zhì)條件和參數(shù)計算典型斷面的土壓力和水壓力的分布曲線和合力， 再通過理論公式計算法， 可對盾構(gòu)井加固范圍進(jìn)行分析［9］。 而對于深層海底礦山法修建的盾構(gòu)接收段， 可借鑒的經(jīng)驗有限， 其加固措施、 加固力學(xué)機(jī)制、 施工關(guān)鍵技術(shù)等需要進(jìn)一步系統(tǒng)研究。

海底隧道盾構(gòu)與礦山法隧道的對接施工， 屬于高風(fēng)險的海底隧道施工作業(yè)， 目前在海底高水壓作用下用礦山法接收段對盾構(gòu)進(jìn)行接收的研究還不全面。 本文結(jié)合青島市地鐵8 號線大洋站～青島北站區(qū)間海底盾構(gòu)與礦山法接收節(jié)點工程，采用數(shù)值方法研究了接收段礦山隧道加固效果，詳細(xì)分析了節(jié)點工法各個步驟， 最后通過現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)驗證了施工方法的有效性。

2 工程及地質(zhì)概況

青島市地鐵8 號線線路全長61.4km， 是一條連接青島市政府到新機(jī)場的最高運行速度120km/h的快速骨干線路。 大洋站～青島北站區(qū)間線路起自青島市城陽區(qū)紅島街道岙東南路的大洋站， 沿岙東南路向東下穿東大洋村及河?xùn)|路匝道橋后，在膠州灣大橋紅島收費站東側(cè)入海， 區(qū)間下穿膠州灣海域， 后接入青島端青島北站。 本區(qū)間為青島地鐵8 號線重要節(jié)點工程， 全長約7.8km， 其中海域段5.4km， 是國內(nèi)最長的過海地鐵隧道。

礦山法區(qū)間段隧道穿越地層主要為中～微風(fēng)化安山巖、 流紋質(zhì)凝灰?guī)r， 洞身地質(zhì)條件較好、圍巖透水性較差， 但其穿越F5～F9 共4 條斷層破碎帶， 海域F5 斷層破碎帶寬約370m； 斷層破碎帶內(nèi)巖體破碎、 自穩(wěn)能力差， 施工中極易發(fā)生坍方， 斷層破碎帶地下水滲透性增強， 海域段上覆無限海水， 施工風(fēng)險高。 區(qū)間礦山法隧道洞身大部分處于海平面或地下水位以下， 海水深度大部分在2～6m 左右， 海域段地下水和海水總水頭在50～63m 左右。 海底對接段位于里程YDK42+473～YDK42+763， 海底對接段總長33.37m， 需完成礦山法開挖支護(hù)24.7m， 礦山法開挖直徑8.5m， 高8.51m 該段圍巖等級為Ⅲ2b， 采用全斷面法開挖方法。 礦山法海域段（1#風(fēng)井至盾構(gòu)對接段）， 隧道穿越段以微風(fēng)化凝灰?guī)r和微風(fēng)化安山巖為主， 強度以30MPa～50MPa 為主， 局部近70MPa。 對接段隧道埋深約60m 之間， 如圖1 所示。

圖1 海底對接段地質(zhì)縱斷面圖

鑒于工程位置和地質(zhì)特點， 工程采用了盾構(gòu)與礦山法對接的方式進(jìn)行盾構(gòu)接收。 大體步驟如下：

（1） 采用礦山法先行施做盾構(gòu)接收擴(kuò)大圓形斷面， 進(jìn)行初期支護(hù)， 完成盾構(gòu)隧道與礦山隧道工法對接處超前加固注漿；

（2） 在擴(kuò)大斷面內(nèi)澆筑混凝土形成箱體， 并用鋼筋混凝土墻封閉箱體， 在接收箱體內(nèi)部填筑水泥砂漿；

（3） 盾構(gòu)機(jī)破巖從另一側(cè)進(jìn)入接收箱體；

（4） 人工鑿除封閉混凝土墻， 并從該側(cè)拆解盾構(gòu)機(jī)， 但保留盾殼（接收段部分拼裝管片， 機(jī)頭位置則為盾構(gòu)機(jī)殼代替）， 并在盾殼背后壓注豆礫石混凝土；

（5） 在管片 （或盾殼） 內(nèi)側(cè)模筑混凝土二襯。

3 海底盾構(gòu)—礦山法對接的變形控制

3.1 對接段注漿加固數(shù)值分析

由于處于海面以下且埋深大， 礦山法接收段不易進(jìn)行地面加固， 故采用洞內(nèi)注漿加固的方式， 提高圍巖的穩(wěn)定性。 海底對接段位于里程ZDK42+749～ZDK42+754， 采用礦山法先行施做盾構(gòu)接受擴(kuò)大圓形斷面， 進(jìn)行初期支護(hù)， 完成盾構(gòu)隧道與礦山隧道工法對接處超前加固注漿。 因?qū)佣蝺蛇厰嗝嫘螤睢?大小差異， 在接合部可能產(chǎn)生結(jié)構(gòu)上的受力轉(zhuǎn)換或存在不利影響， 在無措施或施工方法不當(dāng)時， 可能會引起圍巖失穩(wěn)或產(chǎn)生差異沉降等后果。 通過數(shù)值模擬方法對海底連接段結(jié)合部進(jìn)行分析， 研究注漿加固效果， 并未設(shè)計和施工提供指導(dǎo)。

由于海底連接段埋深為56m， 為深埋。 假定地層土體各項均質(zhì)， 本文采用地層—結(jié)構(gòu)模型，因此模型的兩側(cè)寬度、 上下長度和模型進(jìn)尺長度都取5 倍洞徑， 如圖2 所示。

圖2 海底對接段數(shù)值計算模型

使用摩爾庫倫準(zhǔn)則作為圍巖的本構(gòu)關(guān)系， 超前支護(hù)、 初支混凝土按彈性材料考慮。 Ⅲ級圍巖具體計算參數(shù)見表1。 計算時， 鋼拱架的作用采用剛度等效方法予以考慮， 即將鋼拱架、 混凝土支護(hù)剛度折算為初期支護(hù)、 臨時支護(hù)中統(tǒng)一的等效支護(hù)剛度參數(shù)。

表1 數(shù)值模型計算參數(shù)表

利用上述模型， 計算了注漿加固后的結(jié)構(gòu)和圍巖受力及變形情況， 計算結(jié)果云圖如圖3 所示。

圖3 注漿長度12m （厚度3m） 開挖后豎向位移和應(yīng)力云圖

分析計算結(jié)果可知， 接收段注漿加固并開挖后， 最大應(yīng)力均發(fā)生在對接處， 且會出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象， 最大應(yīng)力范圍明顯比其他位置范圍較廣， 最大位移不一定發(fā)生在對接處。 礦山法的應(yīng)力和位移對對接處的穩(wěn)定性起到主導(dǎo)作用。 注漿層厚度采用3m、 注漿層長度設(shè)置為12m 時， 海底對接處的應(yīng)力集中現(xiàn)象和最大應(yīng)力均能得到較好的改善， 施工相對安全。

3.2 盾構(gòu)—礦山法對接段預(yù)注漿加固

分段超前預(yù)注漿工藝流程見圖4 所示：

圖4 分段注漿工藝流程圖

采用兩臂鑿巖臺車和潛孔鉆機(jī)相互配合， 注漿孔開孔直徑Φ130， 終孔直徑Φ108， 注漿前在止?jié){墻或止?jié){盤內(nèi)埋φ100 焊接鋼管作為孔口管。成孔以后及時采用高壓水進(jìn)行清孔， 并及時安裝鋼管或止?jié){塞。 采用全斷面帷幕注漿， W/c=0.6～1.2， 具體注漿范圍為隧道開挖線以外3m， 注漿段長度為12m， 開挖至礦山法最后5m 時， 注漿孔自掌子面沿開挖方向， 以隧道中軸為中心呈傘狀布置， 注漿孔終孔位置距區(qū)間隧道外輪廓線5.4m， 鉆孔最大外插角為47°。

注漿順序的選擇從外圍上講應(yīng)達(dá)到 “圍、堵、 截”， 在內(nèi)部應(yīng)達(dá)到“填、 壓、 擠”。 注漿及注漿孔打設(shè)施工中對八個原則應(yīng)引起高度重視，即分區(qū)注漿（打孔） 原則、 跳孔注漿原則、 由下游到上游原則、 由下到上原則、 由外到內(nèi)原則、約束發(fā)散原則、 定量定壓相結(jié)合原則、 多孔少注原則。 在注漿施工中， 并不是每一個原則在單項工程施工中都能用到， 應(yīng)根據(jù)工程特點確定3～5種原則進(jìn)行應(yīng)用， 這對提高注漿效果十分有利。

鉆孔快完成時， 開始拌制水泥漿液， 應(yīng)先加水后加水泥， 水泥漿液水灰比按配比拌和10～20min。 水泥漿液制漿機(jī)現(xiàn)場制備， 并通過濾網(wǎng)過濾后通過漿液池輸入注漿機(jī)內(nèi)進(jìn)行注漿。 拌制超細(xì)水泥漿液時， 應(yīng)加入緩凝劑并采用高速攪拌機(jī)， 高速攪拌機(jī)轉(zhuǎn)速應(yīng)大于1200r/min， 攪拌時間應(yīng)通過試驗現(xiàn)場確定。 超細(xì)水泥漿液的攪拌，從制備至用完的時間宜小于2 小時。

注漿速度的控制根據(jù)不同情況采取不同的控制措施， 注漿速率主要取決于地層的吸漿能力（即地層的孔隙率） 和注漿設(shè)備的動力參數(shù)。 在擴(kuò)大斷面內(nèi)澆筑混凝土形成箱體， 并用鋼筋混凝土墻封閉箱體， 在接收箱體內(nèi)部填筑水泥砂漿。

盾構(gòu)機(jī)破巖從另一側(cè)進(jìn)入接收箱體， 人工鑿除封閉混凝土墻， 并從該側(cè)拆解盾構(gòu)機(jī)， 但保留盾殼 （接收段部分拼裝管片， 機(jī)頭位置則為盾構(gòu)機(jī)殼代替）， 并在盾殼背后壓注豆礫石混凝土，在管片（或盾殼） 內(nèi)側(cè)模筑混凝土二襯。

4 海底隧道盾構(gòu)-礦山法對接段變形

如圖5-圖6 所示， 在施工階段， 對礦山法接收段的結(jié)構(gòu)進(jìn)行變形監(jiān)測。 “SL42705 左～SL42745 左” 對 應(yīng) “DK42+705 ～DK42+745”，“SL42700 右～SL42740 右” 對應(yīng) “DK42+700～DK42+740”， 表示了礦山法盾構(gòu)接收段的變形監(jiān)測。

圖5 對接段凈空累計收斂隨時間變化曲線圖

圖6 對接段凈空累計拱頂沉降隨時間變化曲線圖

由圖5 和圖6 可知， 對接段未見異常情況，左線隧道在水平收斂和拱頂沉降上都表現(xiàn)出比右線更大的離散性， 各測項測值均在控制范圍內(nèi)。通過實踐表明， 在海底盾構(gòu)的接收施工， 通過礦山法修建接收段， 并進(jìn)行洞內(nèi)注漿加固的方式，可有效控制接收階段變形。

5 結(jié)論

本文結(jié)合青島市地鐵8 號線大洋站～青島北站區(qū)間海底盾構(gòu)與礦山法接收節(jié)點工程， 采用數(shù)值方法研究了接收段礦山隧道注漿加固的變形規(guī)律。 隨后詳細(xì)梳理了盾構(gòu)-礦山法對接段預(yù)注漿加固和盾構(gòu)接收流程。 最后研究了對接段礦山法隧道的現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)， 發(fā)現(xiàn)各測項測值均在控制范圍內(nèi)， 有效驗證了礦山法結(jié)合洞內(nèi)預(yù)注漿加固進(jìn)行海底盾構(gòu)接收的合理性。 可供類似工程參考。