超大直徑泥水盾構(gòu)下穿圍堰堰堤沉降規(guī)律分析

王國(guó)安， 張文新

（中鐵隧道局集團(tuán)有限公司，廣州 511458）

0 引言

隨著城市建設(shè)的發(fā)展，城市車流量增多，交通壓力增大，越江越海隧道工程因其不制約航運(yùn)、不受氣象條件影響、抗震性能好的特點(diǎn)廣泛應(yīng)用，隧道施工也采用了大直徑泥水平衡盾構(gòu)施工技術(shù)，提高通行能力。雖然盾構(gòu)法有機(jī)械化程度高、掘進(jìn)速度快、施工安全、對(duì)周圍環(huán)境影響小等諸多優(yōu)點(diǎn)，但仍不可避免地對(duì)周圍土體產(chǎn)生擾動(dòng)，引起周圍地層的移動(dòng)和地表沉降，過(guò)大的不均勻沉降會(huì)對(duì)江河大堤的安全構(gòu)成危害。國(guó)內(nèi)外隧道工程技術(shù)人員對(duì)大直徑盾構(gòu)隧道穿越大堤有一也總結(jié)和研究。例如，楊有詩(shī)等[1,2]對(duì)大直徑泥水盾構(gòu)通過(guò)長(zhǎng)江大堤施工參數(shù)設(shè)置和地層沉降及施工控制技術(shù)進(jìn)行了分析；張忠苗等[3-7]對(duì)杭州市慶春路過(guò)江隧道工程中的錢塘江大堤的沉降分析，提出了泥水平衡盾構(gòu)穿越大堤控制地表沉降的措施；陳欣[8]介紹了對(duì)AVN2440DS復(fù)合式泥水平衡盾構(gòu)機(jī)采取的掘進(jìn)施工技術(shù)和各種地面沉降控制辦法，確保盾構(gòu)機(jī)成功穿越；李磊等[9-14]分析大直徑泥水盾構(gòu)施工引起的地表沉降規(guī)律，對(duì)比理論和實(shí)際數(shù)據(jù)，及時(shí)總結(jié)為后續(xù)施工提供指導(dǎo)；江強(qiáng)等[15]考慮到施工質(zhì)量切口壓力欠壓率及注漿壓力超壓率等因素造成的等效地層損失，提出了GAP參數(shù)的修正公式。以上研究對(duì)于大直徑盾構(gòu)穿越海中圍堰沒(méi)有相應(yīng)的工程案例，也鮮和類似資料描述。

文中結(jié)合蘇埃通道工程大直徑泥水盾構(gòu)在海中圍堰內(nèi)始發(fā)，穿越人工圍堰堰體為依托，從圍堰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，盾構(gòu)穿越是的參數(shù)控制和圍堰沉降情況分析，總結(jié)其沉降變形規(guī)律，可為后續(xù)類似工程的設(shè)計(jì)、施工等積累經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況

1.1 隧道概況

汕頭蘇埃通道工程隧道分為東、西兩線，盾構(gòu)段長(zhǎng)度約為3047.5m。盾構(gòu)隧道從南側(cè)圍堰內(nèi)始發(fā)，到北岸華僑公園接收，隧道開挖直徑達(dá)到15.03m，隧道管片外徑14.5m，內(nèi)徑13.3m。

1.2 圍堰概況

（1） 圍堰位置及平面設(shè)計(jì)。汕頭市蘇埃通道圍堰工程位于已建海灣大橋和礐石大橋之間，南岸南濱路市跳水館西側(cè)海域內(nèi)，圍堰總長(zhǎng)950m，從南濱路起伸入海域312.5m，為盾構(gòu)機(jī)及后配套的拼裝和始發(fā)基坑施工提供場(chǎng)地。

圍堰內(nèi)坡腳距離盾構(gòu)井結(jié)構(gòu)外邊線最小距離按35m控制，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，東南側(cè)為避開水閘，平面布置進(jìn)行變更，變更后圍堰坡腳距離基坑邊線最小距離僅約24m。平面位置如圖1所示。

圖1 圍堰平面

（2） 盾構(gòu)穿越圍堰段地質(zhì)情況。盾構(gòu)施工段將要穿越的地層有：淤泥質(zhì)土、淤泥、中粗砂及粉質(zhì)粘土，隧道底板及以下分布花崗巖強(qiáng)-全風(fēng)化層，段洞身穿越地層為約在EK6+745處底板位置發(fā)現(xiàn)石英巖脈體，在EK6+807處底板位置處發(fā)現(xiàn)孤石，揭露孤石直徑不小于80cm。地質(zhì)剖面如圖2所示。

圖2 地質(zhì)剖面

（3） 隧道穿越段圍堰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。圍堰結(jié)構(gòu)北側(cè)盾構(gòu)隧道穿越段都采用高壓旋噴為基礎(chǔ)，上部填泥結(jié)石，設(shè)置放浪墻、排水溝等，坡比為1：1.5。其中，高壓旋噴樁根據(jù)剖面地質(zhì)深入高程為-25.00m，實(shí)際以深入巖層以下2m計(jì)量。布置原則為矩形布置，間距2m,采用單管旋噴法，噴漿壓力為20～30MPa，成樁直徑為0.8m。高壓旋噴樁樁體材料采用強(qiáng)度等級(jí)為42.5級(jí)以上的硅酸鹽水泥，水泥漿水灰比為1～1.5，注漿形成的加固體強(qiáng)度和范圍，應(yīng)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定并不小于4MPa。高壓旋噴樁總進(jìn)尺約12432.64m。圍堰結(jié)構(gòu)及加固如圖3所示。

圖3 圍堰穿結(jié)構(gòu)及加固

2 盾構(gòu)機(jī)穿越圍堰的參數(shù)設(shè)置

2.1 泥水壓力

東線盾構(gòu)機(jī)穿越圍堰段之前泥水壓力為1.46～1.52bar;在穿越圍堰時(shí)，為了平衡圍堰自重產(chǎn)生附加應(yīng)力，泥水壓力增大至1.81～2.10bar;穿越圍堰之后，泥水壓力沒(méi)有減小，增大到2.10～2.20bar之間；西線盾構(gòu)機(jī)穿越圍堰是壓力保持在1.8～1.7bar，變化較小。泥水倉(cāng)頂部壓力大，容易導(dǎo)致地面漏氣或漏漿，影響地層的沉降。泥水倉(cāng)頂部壓力隨盾構(gòu)掘進(jìn)環(huán)號(hào)的變化如圖4所示（兩虛線范圍內(nèi)，即43～58環(huán)對(duì)應(yīng)盾構(gòu)下穿大圍堰的范圍，下同）。

圖4 泥水倉(cāng)頂部壓力隨環(huán)號(hào)變化

2.2 掘進(jìn)速度

由于盾構(gòu)處于始發(fā)后的較近段落，掘進(jìn)速度整體較小。東線盾構(gòu)穿越圍堰之前，掘進(jìn)速度較快，控制在6.6～9.3mm/min;在下穿圍堰區(qū)段，根據(jù)各種施工檢測(cè)，渣樣反饋，掘進(jìn)速度先減小，后增大，又減小的形式，控制在5.3～13.5mm/min；西線盾構(gòu)機(jī)整體掘進(jìn)速度小于東線，在穿越圍堰時(shí)的掘進(jìn)速度也是先小后大的情況。通過(guò)圍堰堤之后，掘進(jìn)速度有所加快，為進(jìn)入海域淤泥質(zhì)軟土地段準(zhǔn)備。掘進(jìn)速度隨盾環(huán)號(hào)的變化如圖5所示。

圖5 掘進(jìn)速度隨環(huán)號(hào)變化

2.3 刀盤轉(zhuǎn)速

東線盾構(gòu)穿越圍堰時(shí)，刀盤轉(zhuǎn)速?gòu)?.6rpm增加到1.0rpm，并保持相對(duì)穩(wěn)定；西線線盾構(gòu)穿越圍堰時(shí)，刀盤轉(zhuǎn)速?gòu)?.69rpm增加到1.2rpm，并保持相對(duì)穩(wěn)定。刀盤轉(zhuǎn)速隨盾構(gòu)掘進(jìn)的環(huán)號(hào)變化如圖6所示。

圖6 刀盤轉(zhuǎn)速隨環(huán)號(hào)變化

2.4 同步注漿

東線盾構(gòu)穿越圍堰時(shí)，同步注漿量有所變化，維持在21.3～34m3之間，其中在58環(huán)的注漿量較大，達(dá)到38m3；西線盾構(gòu)穿越時(shí)，注漿量整體大于東線隧道，維持在35～40m3之間。注漿量的增大有助于填充隧道管片背后孔隙，減少地層沉降。注漿量隨盾構(gòu)掘進(jìn)的環(huán)號(hào)變化如圖7所示。

圖7 注漿量隨環(huán)號(hào)變化曲線

3 圍堰沉降情況分析

3.1 圍堰沉降測(cè)點(diǎn)布置

為了充分了解圍堰在大直徑泥水盾構(gòu)隧道掘進(jìn)前后的沉降情況，沿東、西線隧道掘進(jìn)影響范圍，在大堤布置了4排40個(gè)沉降觀測(cè)點(diǎn)，其中EK6+748.8、EK6+743.8、WK6+745、WK6+740兩排點(diǎn)位于圍堰頂路面，EK6+753.8、WK6+750 位于圍堰內(nèi)坡面，EK6+738.8、WK6+735位于圍堰外坡面。東線隧道施工中，圍堰監(jiān)測(cè)時(shí)間自2018年10月1日～2019年5月30日，西線觀測(cè)時(shí)間自2019年1月17日～同年5月30日。

3.2 圍堰堰堤沉降的組成

盾構(gòu)隧道通過(guò)后，造成上方圍堰堰堤產(chǎn)生沉降的原因，是由施工過(guò)程中的地層損失和對(duì)土層的擾動(dòng)影響因素造成，總結(jié)變形規(guī)律，圍堰沉降隨盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程影響可分為5個(gè)階段：①刀盤距測(cè)點(diǎn)在一倍洞徑范圍外先期沉降；②刀盤到達(dá)測(cè)點(diǎn)前的沉降；③刀盤到達(dá)后至盾尾到達(dá)測(cè)點(diǎn)期間；④盾尾到達(dá)至盾尾脫出60m（30環(huán)）范圍，主要為盾尾孔隙地層損失引起的沉降；⑤后續(xù)沉降。

3.3 圍堰的沉降歷時(shí)曲線

以位于圍堰路面中央處（里程為EK6+744.2和WK6+740）的1排監(jiān)測(cè)點(diǎn)為特征點(diǎn)，監(jiān)測(cè)西線和東線盾構(gòu)隧道穿越期間及后期的沉降歷時(shí)變化情況。圖8、圖9分別為西線和東線隧道完整穿越過(guò)程的圍堰監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降時(shí)程曲線（測(cè)點(diǎn)具有對(duì)稱性，僅繪出了隧道軸線一側(cè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降時(shí)程曲線）

圖8 西線隧道處圍堰沉降曲線

由圖8可見(jiàn)，西線隧道處的圍堰沉降基本上未受東線隧道先期掘進(jìn)施工影響，是由于圍堰結(jié)構(gòu)北側(cè)盾構(gòu)隧道穿越段都采用高壓旋噴為基礎(chǔ)，上部填泥結(jié)石，地層穩(wěn)定性較好,且圍堰處的兩條隧道中心間距約為洞徑的2倍，達(dá)到30m?？傻贸鰞伤淼涝谙嗑嘁欢ň嚯x時(shí)穿越地層穩(wěn)定,對(duì)圍堰的影響相互獨(dú)立。

由圖8、圖9可知，西線隧道引起的圍堰沉降量稍大于東線，二者引起的圍堰監(jiān)測(cè)點(diǎn)的累計(jì)沉降歷時(shí)規(guī)律基本一致：在盾構(gòu)距測(cè)點(diǎn)1倍洞經(jīng)范圍外的第I階段，圍堰出現(xiàn)了超前沉降量，當(dāng)數(shù)值較小,基本在5mm以內(nèi)；在第II、III、IV階段，圍堰整體上出現(xiàn)較大沉降，受盾構(gòu)掘進(jìn)快慢、泥水艙壓力、注漿量、注漿壓力等變化影響,偶有短暫隆起現(xiàn)象；在第階V段，圍堰繼續(xù)沉降，下沉速度較小，但持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，直至沉降基本穩(wěn)定。

圖9 東線隧道處圍堰沉降曲線

通過(guò)后續(xù)監(jiān)測(cè)，東線隧道和西線隧道通過(guò)后圍巖沉降穩(wěn)定所需時(shí)間約為4個(gè)月左右，圍堰的沉降影響均已趨于穩(wěn)定。這說(shuō)明了軟土地層沉降時(shí)序時(shí)間較長(zhǎng)，如果施工過(guò)程經(jīng)制不佳，造成圍堰產(chǎn)生較大的累計(jì)沉降量，由此導(dǎo)致圍堰沉降穩(wěn)定所需的時(shí)間也將越長(zhǎng)。

3.4 各階段沉降所占比例

分析隧道軸線正上方圍堰路面沉變形情況，東西線隧道5個(gè)階段的沉降量占總沉降量的百分比情況見(jiàn)表1、表2。在盾構(gòu)距測(cè)點(diǎn)1倍洞經(jīng)范圍外的第I階段，圍堰的平均超前沉降水平分別約占總沉降量的1.92%和5.31%,表明了大直徑泥水盾構(gòu)對(duì)圍堰的先期沉降量較為明顯。西線盾構(gòu)掘進(jìn)速度較慢，在總沉降量分布中，第I階段占5.9%,第II階段占26.14%,第III階段占總24.12%；第四階段和第五階段分別為23.15%和20.99%。而東線隧道掘進(jìn)較快，所表現(xiàn)出的規(guī)律與西線不同，主要體現(xiàn)在盾構(gòu)通過(guò)及后續(xù)階段，即第III階段占27.72%.第V階段占44.42%，得出了盾構(gòu)穿越圍堰速度的快慢對(duì)其不同階段沉降變化速度和占比有著較為明顯的影響。同時(shí)，盾構(gòu)掘進(jìn)快慢對(duì)第II、III、IV這3個(gè)階段的沉降量影響也不同（西線隧道合計(jì)為73.7%,東線隧道為53.6%）。

表1 東線隧道測(cè)點(diǎn)在各階段沉降量占總沉降量的百分比%

表2 西線隧道測(cè)點(diǎn)在各階段沉降量占總沉降量的百分比%

3.5 后續(xù)階段的橫向沉降槽特征

圖10分別為東、西線隧道穿越圍堰后的橫向沉降槽曲線。圍堰結(jié)構(gòu)北側(cè)盾構(gòu)隧道穿越段都采用高壓旋噴加固地層，上部填泥結(jié)石，地層穩(wěn)定性較好，西線隧道上方圍堰沉降槽基本未受到東線影響，圍堰沉降趨穩(wěn)后近似對(duì)稱分布，隧道中心位置的沉降量最大，距離隧道中心越遠(yuǎn)處，沉降越小。

圖10 隧道上方圍堰沉降曲線

由圖10可見(jiàn)，大直徑泥水盾構(gòu)的隧道開挖范圍與圍堰沉降槽分布范圍密切相關(guān)。東線和西線隧道兩穿越地層條件相同，西線隧道穿越后最大沉降量為138mm,東線的最大沉降量為159mm,并且二者沉降槽寬度較接近。對(duì)于大直徑泥水盾構(gòu)，合理控制掘進(jìn)參數(shù)，及時(shí)二次回填注漿，圍堰沉降量控制在較好的范圍內(nèi)，沉降槽分布也較均勻，經(jīng)過(guò)持續(xù)觀測(cè)，圍堰處于安全狀態(tài)。

4 結(jié)語(yǔ)

（1） 大直徑泥水盾構(gòu)施工中，合理的設(shè)置掘進(jìn)參數(shù)和掘進(jìn)速度，施工擾動(dòng)導(dǎo)致的超前沉降量主要集中在刀盤距測(cè)點(diǎn)15m（即1倍洞徑）范圍。盾構(gòu)隧道穿越圍堰中，盾構(gòu)施工穿越圍堰速度的快慢對(duì)第III、IV階段的沉降構(gòu)成影響較大。

（2） 東線盾構(gòu)因停機(jī)中漏氣、泥水艙壓力、注漿壓力、注漿量等施工參數(shù)控制不到位，使圍堰產(chǎn)生一定沉降。在西線盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)，吸取東線施工經(jīng)驗(yàn)調(diào)整了施工參數(shù)，尤其是加大了注漿量，及對(duì)管片孔隙進(jìn)行較好填充，使沉降有一定減小。

（3） 圍堰結(jié)構(gòu)北側(cè)盾構(gòu)隧道穿越段都采用高壓旋噴為基礎(chǔ)，上部填泥結(jié)石，圍堰沉降槽分布較窄，集中體現(xiàn)隧道中心兩側(cè)約1倍盾構(gòu)直徑范圍。東西線隧道穿越圍堰后沉降趨穩(wěn)歷時(shí)約4個(gè)月，所需時(shí)間符合軟土地層沉降特性。對(duì)圍堰的長(zhǎng)期觀測(cè)和臺(tái)風(fēng)季檢驗(yàn)，圍堰處于安全狀態(tài)。