深覆土高水壓下大直徑泥水盾構停機進倉方案研究

戴 勇

（中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北 武漢 430063）

引言

盾構停機開倉檢修一般采用常壓和帶壓進倉兩種方案。常壓進倉作業(yè)是在地層自穩(wěn)性較好條件下，直接或在輔助加固措施下進倉作業(yè)。帶壓進倉適用于軟巖、含水豐富地層，在保證刀盤前方土層和開挖倉滿足氣密性要求的條件下，通過在泥水倉內建立合理的氣壓來平衡刀盤前方水土壓力，達到穩(wěn)定開挖面和防止地下水滲入目的。

由于盾構機被迫停機的位置經常處于埋深較深、水文地質條件復雜或者江河底部等不利環(huán)境，在水土壓力作用下，開倉存在極大的安全風險［1］。對于深覆土、高水壓條件下的大直徑泥水盾構，其開挖面水土壓力更大，失穩(wěn)風險更高。停機進倉施工的地層加固措施要保證開倉安全性，也要考慮施工條件、經濟性因素，且斷面較大，進倉壓力控制難度更大。目前除了已建的上海市、南京市、武漢市穿越長江的3條重要隧道［2］，廣深港鐵路獅子洋隧道［3］，杭州市望江路隧道等［4］，國內大直徑泥水盾構工程案例仍然較少，且大多研究集中于某一項關鍵技術或施工工藝，鮮有在深覆土、高水壓條件下的停機進倉方案研究。

1 工程概況

1.1 大直徑泥水盾構概況

某穿河隧道總長3 890 m，盾構段長度為2 516.5 m，埋深26 ～50 m，開挖直徑15.76 m，管片外徑15.2 m，管片內徑為13.9 m，是公鐵合建的穿地上河隧道。

圖1 隧道盾構段標準橫斷面/mm

1.2 工程地質水文情況

1.2.1 地質條件

盾構隧道最小覆土11.2 m，最大覆土42.3 m，穿河段覆土25 ～38 m。隧頂距離最大沖刷包絡線約14.9 ～30.7 m。本工程河段隧道承受的最大水壓約0.65 MPa。盾構段穿越地層主要以粉質黏土為主，從上至下呈軟塑～硬塑狀，工程性質一般，承載力較低。

1.2.2 水文條件

工程區(qū)地下水主要分布在第四系地層，為孔隙潛水，水位埋深0.94 ～11.31 m；含水層主要為粉土、粉砂層。地下水補給來源主要為大氣降水及河水，孔隙潛水排泄以蒸發(fā)及開采、側向徑流為主。

盾構段主要地表水體為某地上河，勘察期間受中上游降雨等影響，水面高程及水量變化不規(guī)律。兩岸地下水埋深在1.50 ～11.50 m 之間。

1.2.3 擬停機點地質、水文情況

根據(jù)設計情況與施工安排，需要在盾構穿河段設置停機位進行為期數(shù)天的盾構維檢，停機點埋深約33.4 m，地下水埋深約10 m，距離刀盤深度約23.5 m。隧道周圍主要為粉質黏土層，地質剖面見圖2。

圖2 停機點地質剖面/mm

2 停機點進倉及地層加固方案

2.1 進倉方案比選

地面條件允許時，若常壓進倉方法通過合理的地層輔助加固能滿足施工安全，因其施工技術要求低，施工風險小，工程上通常優(yōu)先考慮。選用帶壓進倉方法的情況：當停機點地層條件不好而又必須進行維檢時，相對于常壓開倉方法可以一定程度上節(jié)省地面加固的時間及費用；當停機點地層條件不好，需地面輔助加固才能滿足開倉條件，但地表施工條件受到限制，只能進行帶壓進倉。

考慮本次停機點處于穿河段以下的富水軟弱地層，機身埋深達33.4 m，本身施工條件有限，且停機點水土壓力大。若采取常壓開倉方法，需進行高質量、高密度、大范圍的地層加固及深層輔助降水措施，經濟性較差、工期較長，對停機點的地層穩(wěn)定性也不利。綜合比選后，確定采用帶壓進倉方案。

2.2 地層加固方案

富水粉質黏土地層自穩(wěn)性差，為減少長時間停機后盾構的整體沉降，需對盾構停機周邊地層采取加固措施，以提高地層強度。地層加固方案可分為洞內加固和地面加固兩種，洞內加固地層只能通過超前注漿來實現(xiàn)，其加固地層不均勻、加固范圍較小、加固質量較差，很難保證施工安全。因此，地面若有施工條件，應優(yōu)先采取地面加固措施。地面加固措施見表1。

表1 地層加固方法

考慮到停機點處于粉質黏土等軟弱地層，埋深大、水壓高，旋噴加固和樁基加固法可以重點研究，在軟土地層其加固質量較好，加固深度范圍較大，若能解決其地面條件限制和對周邊環(huán)境影響較大的問題則可進行應用。為降低施工風險，預先在停機點周圍河床打設降水井進行適當降水。確定對地面條件要求和周邊環(huán)境影響較小的全套管施工鉆孔樁+MJS 工法旋噴的地層加固方案。在刀盤前方采用MJS 加固，加固范圍為刀盤上下各5 m，其中刀盤上方1 m 以上范圍采用MJS 旋噴加固，加固半徑為1 m，剩余加固范圍為MJS 擺噴，擺噴角度為150°；在MJS 南側補打U 型咬合樁一排，咬合樁直徑1 500 mm，間距1 100 mm，共29 根，樁為整體實樁，樁長為55.16 m，刀盤前方采用一葷一素搭配，間隔樁添加玻璃纖維筋以便刀盤破除推進。施工樁布置見圖3、圖4。

圖3 施工樁布置平面/mm

圖4 施工樁布置剖面/mm

3 氣倉壓力計算

3.1 理論計算

理論上，泥水倉氣壓值應根據(jù)掌子面中部的水土壓力值來確定［5］。氣壓設置采用靜止土壓力作為控制上限，主動土壓力作為控制下限?？紤]地下水位埋深為20 m 的工況時，應取埋深20 m 以上土層容重為天然容重，埋深20 m 以下土層容重為浮容重，水頭高度為21.26 m，由土壓力和靜水壓力公式計算得出理論氣壓區(qū)間為3.42 ～4.26 bar。

3.2 氣倉壓力設定值

實際情況下，由于停機過程中刀盤存在頂推力，再加上地層加固的影響，刀盤切口穩(wěn)定的實際氣倉壓力會低于理論計算值。因此，應參考數(shù)值模擬的計算結果進行合理取值，根據(jù)圖5 流程，應先設置較低氣倉壓力值進行試驗。降水至地面以下20 m 時，先設置氣倉壓力為3.2 bar，然后觀察氣泡倉液面2 h，看液面是否變化，如果變化再進行調整?，F(xiàn)場最終實施的氣倉壓力設定值為3.5 bar，順利完成了開倉檢修工作。

圖5 帶壓進倉作業(yè)流程

4 結語

（1）當停機點地層自穩(wěn)性差、水土壓力高，為節(jié)省地面加固時間及費用，盾構停機進倉優(yōu)先選用帶壓進倉方案。（2）深覆土高水壓條件下大直徑泥水盾構的停機檢修前，應進行適度降水與地面加固等輔助措施，施工深度超過30 m 且有一定地面條件的宜選用鉆孔樁、MJS 旋噴等地層加固措施，盡量減小對地層穩(wěn)定性和周邊環(huán)境影響。（3）實際情況下，由于停機過程中刀盤存在頂推力，再加上地層加固的影響，使得刀盤切口穩(wěn)定的實際氣倉壓力會低于理論計算值，建議結合理論計算方法并結合現(xiàn)場氣壓試驗情況進行合理取值。