淺覆土多盾構(gòu)平行始發(fā)施工技術(shù)

黃雪梅

(北京住總集團(tuán)有限責(zé)任公司軌道交通市政工程總承包部，北京 100021)

0 引言

隨著城市地鐵一體化建設(shè)的發(fā)展，各大城市開始大力建設(shè)綜合性大型交通樞紐，多隧道盾構(gòu)共用一個始發(fā)車站的現(xiàn)象也越來越多。受始發(fā)場地和交通樞紐綜合功能需求的影響，同一車站盾構(gòu)、淺覆土、大縱坡同時始發(fā)或接收的幾率也逐步增加。馬義平[1]介紹了雙線小縱坡始發(fā)施工條件下閥管注漿加固和地面鋼板反壓技術(shù)，可減小淺覆土施工影響；姜以安等[2]介紹了雙線、小凈距始發(fā)條件下地面堆載+洞內(nèi)水平注漿加固+先行隧道內(nèi)鋼拱架支撐加固+盾構(gòu)始發(fā)坡度分解施工技術(shù)，可解決雙線、小凈距、淺覆土施工難題；李乾等[3]通過數(shù)值模擬分析雙線隧道淺覆土施工技術(shù)對隧道沉降的影響。以上研究成果均對淺覆土、大縱坡條件下盾構(gòu)始發(fā)技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)研究，北京地鐵八通線施園站—環(huán)球影城站盾構(gòu)區(qū)間工程通過采用科學(xué)的始發(fā)順序、合理的盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)、地面預(yù)壓等輔助措施完善了多臺盾構(gòu)機(jī)淺覆土、大縱坡、同站平行始發(fā)難題下的施工技術(shù)。

1 工程概況

八通線施園站—環(huán)球影城站盾構(gòu)區(qū)間總長1 369.782m， 隧道拱頂埋深2.8～18m，區(qū)間由四線隧道組成，采用4臺土壓平衡盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)施工，四線隧道平面布置如圖1所示。4臺盾構(gòu)機(jī)交替從環(huán)球影城站始發(fā)，八通線施園站接收，始發(fā)段相鄰隧道最小間距僅10m。

圖1 四線隧道線路

施園站—環(huán)球影城站區(qū)間盾構(gòu)左、右線始發(fā)段埋深2.8～6.0m，覆土深度最小2.8m，不足1倍洞徑，屬于淺覆土始發(fā)，且始發(fā)后即進(jìn)入首寰開發(fā)酒店基坑(基坑深4.3m，已回填2m厚砂卵石級配混合料)，左、右線淺覆土范圍為1～102環(huán)。始發(fā)段縱向坡度為2.198%。八通線南延盾構(gòu)區(qū)間在里程K21+105—K21+210疊落，左線在下，右線在上，交叉段最小豎向距離為3.8m。

隧道頂區(qū)間所在土層主要為雜填土①1、砂質(zhì)粉土②、粉質(zhì)黏土②1、粉細(xì)砂②2，區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)始發(fā)段所在土層主要為黏質(zhì)粉土②1、粉細(xì)砂②2、粉質(zhì)黏土③1。

隧道范圍內(nèi)水文地質(zhì)情況：①潛水(二) 水頭埋深 8.60～12.88m，水頭標(biāo)高7.720～9.680m，含水層為粉土③、粉細(xì)砂③2；②承壓水(三) 水頭埋深 15.59～23.57m，水頭標(biāo)高-2.910～3.600m，含水層為中粗砂③3、粉細(xì)砂④2。實(shí)際潛水水位標(biāo)高為11.500m，位于結(jié)構(gòu)線附近。

2 工程重難點(diǎn)分析

1)淺覆土掘進(jìn)的盾構(gòu)，上下受力不平衡，盾構(gòu)姿態(tài)上揚(yáng)，在2.198%下坡掘進(jìn)時，壓坡困難、盾構(gòu)機(jī)上浮，推進(jìn)軸線難以控制[4]。

2)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)會造成土體損失，淺覆土情況下易出現(xiàn)沉降大或冒頂現(xiàn)象；淺覆土土壓不足導(dǎo)致成型隧道上浮，進(jìn)而造成地面隆起[1]。

3)拼裝完成的管片脫開盾尾后，隧道被包圍在壁后注漿的漿液中，受到漿液的浮力；盾構(gòu)推進(jìn)挖出土方導(dǎo)致地基卸載，隧道會受地基回彈作用向上偏離中心軸線，以上情況均會導(dǎo)致成型隧道結(jié)構(gòu)上浮[5]。

4)在淺覆土條件下掘進(jìn)，盾構(gòu)正面壓力小，管片縱向壓緊力不足，易造成管片拼裝整體性較差、結(jié)構(gòu)防水難度加大，若不采取相應(yīng)的加固措施，極易引起隧道局部開裂、漏水[4]。

5)多線始發(fā)，間距為10m，相鄰地層間存在干擾[2]。

3 數(shù)值模擬分析

為研究4臺盾構(gòu)機(jī)淺覆土并行始發(fā)對隧道本身的影響，利用MADIS按四線并行施工從不同始發(fā)順序、不同始發(fā)距離、淺覆土堆載3方面對地面沉降進(jìn)行數(shù)值分析。

3.1 模型建立

采用土體彈塑性本構(gòu)模型，并基于莫爾-庫侖準(zhǔn)則。按巖土勘察報告進(jìn)行參數(shù)選取，地層參數(shù)如表1所示。模型材料力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表1 數(shù)值模型地層參數(shù)

表2 模型材料力學(xué)參數(shù)

4條隧道直徑D均為6m，位于同一水平線上，相互平行，間距分別為19，16.4，18.8m，埋深為4m。

隧道模型如圖2所示。模型x方向?qū)?0.3m，y方向長500m，z方向深25.6m。

圖2 隧道模型(單位：m)

模型的邊界條件為：土層底部為固定邊界，限制水平和垂直移動；土層左、右兩邊為水平向約束，限制水平移動；土層上表面為地表，設(shè)為自由邊界[6-7]。

3.2 模擬結(jié)果分析

3.2.1不同施工順序?qū)Φ貙映两档挠绊?/p>

不同施工順序會導(dǎo)致不同的土體擾動，影響地表沉降。設(shè)置2組計算模型：①工況1 按預(yù)設(shè)施工順序開挖，即7右(即7號線東延右線，余同)、8左(即八通線南延左線，余同)、7左、8右(2-3-1-4)，其余參數(shù)不變；②工況2 按錯開步驟開挖，7左、8左、7右、8右(1-3-2-4)，其余參數(shù)不變。兩種始發(fā)順序地表沉降變化曲線如圖3，4所示。

圖3 10m處中心沉降點(diǎn)兩種始發(fā)順序地表沉降量

圖4 100m處中心沉降點(diǎn)兩種始發(fā)順序地表沉降量

由圖3，4可知，采用2-3-1-4，1-3-2-4的順序開挖，分別掘進(jìn)10m，地表最終沉降值均為15.2mm，影響不大；采用2-3-1-4，1-3-2-4的順序開挖，分別掘進(jìn)100m，地表最終沉降值分別為19.1，17.9mm，對地表沉降影響也不大。

綜上可知，由于相鄰兩線相距較遠(yuǎn)，超過1倍洞徑，只要錯開前后施工距離，2種開挖順序?qū)Φ乇碜罱K沉降的影響差異約1mm，說明開挖順序?qū)Φ乇沓两涤绊懖淮蟆?/p>

3.2.2不同始發(fā)間距對地層沉降的影響

其他條件不變的情況下，選擇2-3-1-4始發(fā)順序，按四線始發(fā)間距80，100m進(jìn)行模擬，不同始發(fā)間距地表最終沉降曲線如圖5所示。由圖5可知，8右線盾構(gòu)通過50m處，始發(fā)間距的變化對地面最終沉降影響不大，均為18mm；8右線盾構(gòu)通過100m處，始發(fā)間距為80，100m的地面最終沉降值分別為19.5，17.9mm，相差1.6mm，說明加大始發(fā)間距有利于控制地表沉降。

圖5 不同始發(fā)間距地表最終沉降曲線

3.2.3未施加外部荷載的施工模擬

采用2-3-1-4的始發(fā)順序，按間距100m進(jìn)行模擬。10，50m處的地表沉降如圖6所示。

圖6 2-3-1-4始發(fā)順序下100m始發(fā)間距地表最終沉降(單位：m)

由圖6可知，最大沉降點(diǎn)均在中間2條線的中線上，即八通線左線和7號線右線中心線。始發(fā)10m處，7右、8左線地表最大沉降值分別為22.30，22.20mm；始發(fā)50m處，7右、8左線地表最大沉降值分別為21.40，18.80mm。根據(jù)坡度計算可知，10m處比50m處覆土增加0.88m，每增加0.88m，沉降減少1.04～3.4mm，每增加1m沉降減少1.18～3.86mm，符合PECK原理。地表最終沉降值均<30mm，滿足設(shè)計要求。在注漿充分、及時、凝結(jié)時間滿足設(shè)計要求的情況下，可按此方案施工。

3.2.4施加外部荷載的施工模擬

因四線盾構(gòu)始發(fā)處<1倍洞徑，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[1,3]，可通過增加負(fù)荷減小管片上浮，擬采用80cm厚鋼板進(jìn)行壓重。模擬結(jié)果如圖7所示。

圖7 施加外部荷載后地表最終沉降

由圖7可知，始發(fā)10m處，8左線地面最終沉降從22.20mm下降到15.70mm；始發(fā)50m處，7右線地面最終沉降從21.40mm下降到16.90mm，說明增加荷載能有效降低地表沉降。80cm厚鋼板質(zhì)量約為3.1m厚覆土深度的質(zhì)量，即增加3m厚覆土，地表沉降4.35～6.29mm。由于鋼板太厚不易施工，因此采用等效替代，如采用增加硬化路面厚度、堆載管片、結(jié)合鋼板等反壓措施增加荷載。

綜上所述，盾構(gòu)施工可按2-3-1-4的順序、間距100m先后始發(fā)，為減少淺覆土質(zhì)量損失，采取等荷壓重施工措施。

4 施工技術(shù)

由于八通線線路中部存在疊落交叉，八通線左線下行，雙線交互后7號線東延右線與八通線右線在接收端水平相隔僅3.8m，同時7號線因始發(fā)場地等限制需先施工右線，以減少近距離施工相互干擾、隧道開挖先下后上為原則，按7號線東延右線→八通線南延左線→7號線東延左線→八通線南延右線順序進(jìn)行掘進(jìn)，與模擬結(jié)果2-3-1-4的順序一致，每條線始發(fā)間隔≥100m。

4.1 始發(fā)井端頭地層加固技術(shù)

始發(fā)端地層加固范圍為隧道結(jié)構(gòu)線上、下3m，左、右3m，長8m，即為12m×12m×8m加固體。采取深孔注漿進(jìn)行加固，考慮現(xiàn)場水位較高，盾構(gòu)淺覆土掘進(jìn)開挖土方卸載后易造成突涌，結(jié)合現(xiàn)場情況進(jìn)行井點(diǎn)降水。

4.2 淺覆土地面加載技術(shù)

根據(jù)設(shè)計圖紙?jiān)谑及l(fā)淺覆土區(qū)域采取壓重、鋪鋼板等措施。參考數(shù)值模擬結(jié)果每增加1m覆土，地表沉降減少1.18～3.86mm。施工淺覆土區(qū)域沿隧道長約102m，圍擋范圍內(nèi)左、右線場地面積不大，而場區(qū)外行車道路范圍交通不能中斷，因此圍擋內(nèi)采用混凝土地面、鋼板壓重、管片，場外行車道路位置采用鋼板壓重，使上方負(fù)重為相同開挖直徑的覆土質(zhì)量，達(dá)到平衡。盾構(gòu)通過淺覆土段后，逐步卸載減少淺覆土區(qū)域的額外增加荷載，防止成型隧道結(jié)構(gòu)變形[1,3]。

混凝土地面厚200mm，混凝土強(qiáng)度等級為C25，配置φ8@150×150鋼筋網(wǎng)(道路分幅施工)。右線影響區(qū)域(覆土約4m)混凝土地面上鋪設(shè)40mm厚鋼板。圍擋內(nèi)左線隧道上方堆放3層管片壓重，圍擋外左線隧道上方路面(覆土約5m)鋪設(shè)40mm厚鋼板壓重，鋼板間利用鋼筋幫條焊形成整體，鋼板鋪設(shè)范圍為隧道結(jié)構(gòu)邊線各1m(總寬度8m)。

基坑范圍內(nèi)采用黏性土回填密實(shí)，壓實(shí)度達(dá)95%。

4.3 大坡度盾構(gòu)始發(fā)技術(shù)措施

1)始發(fā)架、反力架位置設(shè)置 始發(fā)處于2.198%大坡度下坡位置，盾構(gòu)刀盤重，極易發(fā)生“磕頭”現(xiàn)象，同時為防止盾構(gòu)大坡度始發(fā)滑出始發(fā)架，盾構(gòu)需“抬頭”始發(fā)。在始發(fā)基座前段墊1層20mm厚鋼板墊片，共4排，合計4塊，使前端比后端高20mm左右。根據(jù)始發(fā)坡度安裝反力架，保證反力架法面與推進(jìn)軸線垂直。

2)千斤頂油缸 下坡掘進(jìn)時，受刀盤自重影響，易造成盾構(gòu)機(jī)栽頭，需平衡盾構(gòu)機(jī)刀盤自重，因此在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，需加大下部千斤頂推力，以抵消刀盤自重，將盾構(gòu)姿態(tài)調(diào)整至設(shè)計坡度趨勢時，保持設(shè)計軸線趨勢方向前進(jìn)，上下油壓差保持最佳平衡狀態(tài)。掘進(jìn)時在中盾位置堆壓管片，防止扎頭。姿態(tài)調(diào)整過程中遵循“勤糾偏、少量糾偏”的原則，避免快調(diào)、猛調(diào)[2]。

3)管片拼裝 下坡掘進(jìn)時多選下部點(diǎn)位進(jìn)行拼裝。每環(huán)推進(jìn)結(jié)束后，須擰緊當(dāng)前環(huán)管片連接螺栓，并在下環(huán)推進(jìn)時進(jìn)行復(fù)緊，克服作用于管片推力產(chǎn)生的垂直分力，減少成環(huán)隧道浮動。清除盾殼內(nèi)雜物，盡量做到盾殼內(nèi)管片居中拼裝，同時保證環(huán)面平整度[4]。

4.5 盾構(gòu)掘進(jìn)控制技術(shù)

4.5.1盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)確定

1)盾構(gòu)土壓力

當(dāng)始發(fā)位置h≤D，σv=γH，采用主動土壓力計算方法計算：

P=γHtan(45°-φ/2)2-2c[tan(45°-φ/2)]

(1)

式中：γ為掘削地層土體容重；H為上層覆土厚度(刀盤上部距地面3.8～6m)；c為土體黏聚力；φ為土體內(nèi)摩擦角。

經(jīng)計算P=0.012 2～0.044 6MPa；盾構(gòu)掘進(jìn)實(shí)際土壓力(刀盤上土壓) 控制在1.3倍理論值左右，即0.016～0.058MPa。

本始發(fā)位置上層土以粉質(zhì)黏土②1為主。因施工覆土非常淺，開挖面壓力允許管理范圍較小，小誤差會給開挖面帶來非常大的影響，應(yīng)控制好壓力波動，緩慢從0.016MPa增加到0.058MPa。

2)盾構(gòu)機(jī)推力

Fd=F1+F2+F3+F4+F5+F6

(2)

式中：F1為盾構(gòu)外殼與周圍地層的摩擦阻力；F2為盾構(gòu)正面刀盤面板推進(jìn)阻力；F3為管片與盾尾間摩擦阻力；F4為切口環(huán)貫入地層的貫入阻力；F5為變向阻力；F6為后接臺車的牽引阻力。

經(jīng)計算盾構(gòu)機(jī)的推力為9 475.57kN，盾構(gòu)推進(jìn)推力應(yīng)控制在9 500kN以下，緩慢增加，嚴(yán)格控制。

3)開挖土方量

以左線為例，V虛=KπD2L/4=(1.15～1.2)×π×6.182×1.2/4=(41.37～43.17)m3，其中K為土體松散系數(shù)，取決于土質(zhì)、盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)、土體改良情況等，本工程土質(zhì)為粉質(zhì)黏土、粉土和砂土，綜合松散系數(shù)K取1.15～1.2；D為盾構(gòu)機(jī)開挖直徑(m)；L為每環(huán)掘進(jìn)長度，取1.2m。

因覆土淺，需嚴(yán)格控制土方開挖量，防止超挖，實(shí)際施工中不得超過43m3。

4.5.2同步注漿漿液

每推進(jìn)一環(huán)的建筑空隙為：

(3)

式中：D1為盾構(gòu)外徑，取6.18m；D2為管片外徑，取6m；L為管片寬度，取1.2m。

每環(huán)壓漿量一般為建筑空隙的130%～180%，Q注漿=(1.3～1.8)Q；淺覆土注漿漿液體積控制在180%以上，約3.72m3。盾尾進(jìn)入連續(xù)墻洞門后進(jìn)行同步注漿，注漿壓力控制在0.20～0.35MPa，觀察洞門漏漿情況，待盾尾距洞門6～8環(huán)時，進(jìn)行集中多次補(bǔ)漿，補(bǔ)漿壓力控制在0.4MPa以內(nèi)。

同步注漿采用預(yù)拌砂漿。砂漿配合比為干拌料∶水=6.5∶3.5；干拌料配合比為水泥∶礦物摻合料∶砂∶外加劑=15∶54∶30∶1。

4.5.3二次補(bǔ)漿

二次補(bǔ)漿量原則上為同步注漿量的30%，一般為1.2～1.5m3，二次補(bǔ)漿施工過程以注漿壓力控制為主，注漿壓力控制在0.25～0.30MPa。

4.5.4徑向注漿

脫離盾尾8～9環(huán)后，采取壁外上半斷面徑向深孔注漿加固，補(bǔ)償?shù)貙映两祿p失，同時控制地層壓力不足造成的管片上浮。在隧洞管片注漿孔內(nèi)打入2.5m長φ42×3.75注漿管，其中2m在管片外側(cè)，為鋼花管；0.5m在管片內(nèi)側(cè)，為無孔鋼管。注漿壓力0.5～0.8MPa，漿液采用水泥漿。注漿后采用快速堵漏劑封堵注漿孔，抹平后用管片吊裝孔螺母封口。

5 沉降分析

現(xiàn)場掘進(jìn)前100m監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)如圖8所示。

圖8 地面監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)

根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，選取典型斷面DB-05，繪制不同時間沉降曲線，如圖9所示。

圖9 典型斷面沉降

由圖9可知，通過井點(diǎn)降水、壓重、背后注漿及合理調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)等，可將本工程始發(fā)區(qū)域的沉降量控制在15mm以內(nèi)；始發(fā)50m后，八通線左線中心線DB-05-03最終沉降為14.2mm，比未加荷載的理論值18.80mm降低4.58mm。由于相鄰隧道7號線右線先行施工，八通線左線地表沉降量略大于右線施工沉降；后續(xù)沉降可通過徑向注漿控制，同時徑向注漿可減少盾構(gòu)管片上浮。

選取八通線左線中心監(jiān)測點(diǎn)，繪制地表沉降隨時間變化曲線，如圖10所示。

圖10 八通線左線中心監(jiān)測點(diǎn)地表沉降變化曲線

由圖10可知，除去剛進(jìn)洞的DB-01-03點(diǎn)和進(jìn)入后固結(jié)區(qū)域的DB-07-01，DB-08-01，DB-09-01，DB-10-01點(diǎn)，其他點(diǎn)的地面沉降均得到有效控制；監(jiān)測點(diǎn)DB-01-03最大沉降值約27mm，是由于盾構(gòu)機(jī)頭進(jìn)入加固段同步注漿壓力不宜較大，發(fā)生注漿漿液不飽和現(xiàn)象，導(dǎo)致地表沉降較大，可通過后續(xù)補(bǔ)漿穩(wěn)定地面沉降；監(jiān)測點(diǎn)DB-08-01，DB-09-01，DB-10-01因處于2m的后填土基坑內(nèi)，屬于新近未完全固結(jié)土層，地表沉降較大；監(jiān)測點(diǎn)DB-02-01，DB-02-02，DB-03-01在施工圍擋內(nèi)，除鋪設(shè)鋼板外，另外有3層管片壓重，因此地表沉降能控制在15mm以內(nèi)。

6 結(jié)語

1)結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際狀況進(jìn)行數(shù)值模擬，在北京地區(qū)砂黏性土層中，能將4m原狀淺覆土地層大坡度多隧道并行始發(fā)盾構(gòu)施工地表沉降控制在15mm以內(nèi)。

2)通過合理安排施工順序，調(diào)整施工間距，能使此類淺覆土大坡度多隧道盾構(gòu)施工地表最終沉降減少3～5mm。

3)地面通過反壓加載可減少沉降，<6m的此類性質(zhì)淺覆土地層，每增加1m土層壓重即可減少沉降1.18～3.86mm。實(shí)踐證明，增加荷載能減少地層沉降。

4)徑向注漿能在此類淺覆土地層中起到控制盾構(gòu)管片上浮、減少后續(xù)沉降的作用。