某高速路改造工程盾構下穿商業(yè)綜合體試驗段沉降控制

柴東然

北京市首發(fā)高速公路建設管理有限責任公司 100166

1 工程概況

1.1 項目概況

北京東六環(huán)（京哈高速～潞苑北大街）改造工程全線分為直接加寬段和入地改造段。路線全長約16km，其中路基加寬段長約6.8km，隧道段長約9.2km（其中明挖段長約1.8km，盾構段長約7.4km）。全線設置互通立交4 座，加寬橋梁9座，橋隧比59.92%，見圖1。

圖1 工程總體平面圖Fig.1 Project general plan

盾構隧道分為東西線由北向南掘進，自京榆舊線北側始發(fā)井，穿越4769m后到達中間井，經(jīng)二次始發(fā)穿越2567m 后到達萬盛南街南側接收井，依次下穿“歡樂宋”商業(yè)綜合體、京榆舊線、高速公路、運潮減河、通胡路、高鐵線路、地鐵等風險源，見圖2。

圖2 隧道縱斷面Fig.2 Tunnel longitudinal section

1.2 工程概述

盾構隧道設計型式為分離式雙洞，單洞設置三車道，設計時速80km／h。隧道分為三層：頂層為排煙層、中間層為行車通道、下層為管線及疏散救援通道，見圖3。盾構隧道管片外徑15.4m，內(nèi)徑14.1m，厚度0.65m，管片環(huán)寬2m，采用C60 混凝土，抗?jié)B等級為P12。單襯砌環(huán)由10 塊管片拼裝而成，按“7 ＋2 ＋1”形式分塊，錯縫拼裝。單環(huán)管片采用86 根M36 斜螺栓連接，其中環(huán)向螺栓30 根，縱向螺栓56 根。

圖3 隧道結構型式示意Fig.3 Schematic diagram of tuber sheet structure form

1.3 “歡樂宋”商業(yè)綜合體概況

“歡樂宋”商業(yè)綜合體為鋼筋混凝土框架結構，無地下室，建筑總高度9.5m。天然地基、鋼筋混凝土十字條形基礎，基礎外輪廓尺寸約114m（沿線路方向）×111m。以西線為例，距離始發(fā)井僅193m，盾構始發(fā)后剛完成試掘進段施工就要穿越，無法滿足單獨進行“歡樂宋”試驗段，為保證順利平穩(wěn)穿越，“歡樂宋”試驗段要結合試掘進段共同進行，如圖4 所示。

圖4 商業(yè)綜合體及試驗段平面示意Fig.4 Commercial complex and test section plan

1.4 工程地質

盾構隧道始發(fā)由大里程向小里程方向掘進，試驗段穿越地質主要為粉細砂、粉土、粉質黏土層，見圖5 和表1。

表1 土層特征Tab.1 Soil layer characteristics

圖5 試驗段地質縱剖面Fig.5 Geological longitudinal section of the test section

2 下穿“歡樂宋”試驗段情況

2.1 試驗段選取

為保證盾構穿越“歡樂宋”風險源掘進參數(shù)更合理準確，盾構機始發(fā)出加固區(qū)后，選取地層更類似的非加固區(qū)段（距始發(fā)井22m ～192m）作為試驗段，長度170m，依次穿越出場區(qū)后穿越“歡樂宋”停車場，停車場下方為處理過的熱源井群，在到達“歡樂宋”分界里程后結束試驗段，場地布置情況見圖6。

圖6 試驗段地上情況Fig.6 Avove-ground situation of the test section

2.2 試驗段目的

盾構掘進控制沉降因素有多種，主要包括切口壓力、泥漿指標、克泥效注入、同步注漿、二次注漿、徑向注漿等，為充分驗證下穿“歡樂宋”掘進參數(shù)及沉降控制措施的合理性、準確性，結合盾構掘進的第一階段（盾構到達前），第二階段（刀盤到達前），第三階段（盾構通過時），第四階段（盾構通過后）以及第五階段。對各階段沉降控制要素進行驗證，取得盾構下穿“歡樂宋”最合理掘進參數(shù)及沉降控制措施。

2.3 試驗段設置

根據(jù)試驗目的，結合現(xiàn)場實際施工環(huán)境，下穿“歡樂宋”的試驗段需設置150m，模擬盾構機下穿“歡樂宋”掘進施工，試驗段里程為LZK13 ＋806 ～LZK13 ＋636，共劃分為3 個試驗單元，試驗段1 單元（LZK13 ＋806 ～LZK13 ＋746，11 環(huán)～40 環(huán)）驗證克泥效注入配合同步注漿的沉降控制措施是否滿足下穿“歡樂宋”的沉降要求；試驗段2 單元（LZK13 ＋746 ～LZK13 ＋706，41 環(huán)～60環(huán)）驗證克泥效注入配合同步注漿及深孔注漿的沉降控制措施是否滿足下穿“歡樂宋”的沉降要求；試驗段3 單元（LZK13 ＋706 ～LZK13 ＋656，61 環(huán)～85 環(huán)）驗證克泥效注入配合同步注漿及二次注漿的沉降控制措施是否滿足下穿“歡樂宋”的沉降要求。通過3 個試驗單元的沉降控制結果來分析確定下穿“歡樂宋”最合理的控制措施。具體掘進參數(shù)設計和試驗分段情況如表2 所示。

表2 試驗段分段參數(shù)Tab.2 Segment parameters of test section

試驗段1 單元（LZK13 ＋806 ～LZK13 ＋746）主要調(diào)整泥漿比重、泥漿粘度、切口壓力、掘進速度、刀盤轉速等掘進參數(shù)來適應地層，同時采用克泥效、同步注漿配合控制沉降。擬采取掘進參數(shù)及沉降控制措施如表3 所示。

試驗段2 單元（LZK13 ＋756 ～LZK13 ＋706）根據(jù)地層變化及時調(diào)整泥漿比重、泥漿粘度、切口壓力、掘進速度、刀盤轉速等掘進參數(shù)，同時在克泥效、同步注漿及時有效注入的基礎上增加深孔注漿輔助控制沉降。擬采取掘進參數(shù)及沉降控制措施如表3 所示。

試驗段3 單元（LZK13 ＋706 ～LZK13 ＋656）根據(jù)地層變化及時調(diào)整泥漿比重、泥漿粘度、切口壓力、掘進速度、刀盤轉速等掘進參數(shù)匹配，同時在克泥效、同步注漿及時有效注入基礎上增加二次注漿輔助控制沉降。擬采取掘進參數(shù)及沉降控制措施如表3 所示。

表3 單元沉降控制驗證Tab.3 Verification of unit settlement control

3 “歡樂宋”試驗段監(jiān)測

3.1 監(jiān)測點布設

試驗段監(jiān)測點布設時，在影響區(qū)域內(nèi)的監(jiān)測點位按照監(jiān)測斷面進行布設，地表監(jiān)測點共計36 個斷面，其中9 個大斷面（每個斷面9 個監(jiān)測點），27個小斷面（每個斷面3 個監(jiān)測點），共計161 個監(jiān)測點，大斷面間距為20m，小斷面間距為5m。

其線路中線布設1 個中心監(jiān)測點，然后向左右兩側各延伸6m、10m、18m、28m 處分別布設1 個監(jiān)測點；小斷面為3 個監(jiān)測點，其線路中線布設1 個中心監(jiān)測點，然后向左右兩側各延伸6m分別布設1 個監(jiān)測點。見圖7。

圖7 試驗段地表沉降監(jiān)測點布設Fig.7 Surface settlement monitoring points in the test section

3.2 監(jiān)測頻率

考慮始發(fā)過程中的不穩(wěn)定性，為保證施工安全，應加密監(jiān)測，同時考慮到下穿“歡樂宋”試驗段，要結合盾構機掘進里程進行針對性監(jiān)測，能夠反應各沉降階段特征，監(jiān)測頻率不少于6 次／天。若監(jiān)測過程中，出現(xiàn)數(shù)據(jù)異常突變，應繼續(xù)增加監(jiān)測頻率，及時了解數(shù)據(jù)變化并將數(shù)據(jù)進行反饋。

4 試驗段措施及沉降分析

盾構施工根據(jù)不同階段沉降控制需求在盾殼外部設置克泥效注入點同步注入克泥效，根據(jù)以往施工經(jīng)驗克泥效能很好地控制掘進過程中因盾構機自身的錐度導致的地表沉降，理論建筑空隙4m3／環(huán)。掘進過程中同步注漿系統(tǒng)采用雙液注漿方式，通過8 個注漿口注入土體，防止地面沉陷及對襯砌管片起到握裹、固定作用，施工過程中采取注漿壓力與注漿量雙控的原則注入，理論建筑空隙28.07m3／環(huán)。另外依據(jù)不同階段沉降控制需求，在管片脫出盾尾5 環(huán)之后開始進行深孔徑向注漿（管片背后5m 范圍），防止富水砂層在受到盾構掘進穿越擾動后土體的收斂造成地面沉陷，理論注漿量137m3／環(huán)。

4.1 試驗段措施

盾構下穿“歡樂宋”試驗段分為3 個單元，1單元（11 環(huán)～40 環(huán)）除常規(guī)掘進參數(shù)控制外，主要增加中盾注克泥效控制沉降，2 單元（41 環(huán)～60 環(huán)）在1 單元的基礎上增加深孔注漿措施，3單元（61 環(huán)～85 環(huán)）在1 單元的基礎上增加二次注漿措施。

4.2 試驗段沉降分析

根據(jù)試驗段盾構掘進過程中及時采集地表沉降數(shù)據(jù)，見圖8。根據(jù)沉降數(shù)據(jù)分析調(diào)整不同階段采取的措施，主要驗證3 個試驗階段措施的可行性，研究掘進參數(shù)及保護措施與沉降的基本關系。

圖8 注漿參數(shù)與沉降的關系Fig.8 Relationship of grouting parameters versus settlement

根據(jù)沉降數(shù)據(jù)表中的數(shù)據(jù)分析，試驗段1 單元（11 環(huán)～40 環(huán)）采取中盾注克泥效措施，地表累計沉降一般控制在8.5mm 左右，試驗段2 單元（41 環(huán)～60 環(huán)）采取中盾注克泥效措施和管片壁后徑向深孔注漿措施，地表累計沉降一般能控制在3mm左右，試驗段3 單元（61 環(huán)～85 環(huán)）采取中盾注克泥效措施及二次深孔注漿措施，地表累計沉降一般能控制在7mm左右。

同步注漿量按照監(jiān)測數(shù)據(jù)及時進行調(diào)整，通過前100 環(huán)試驗段數(shù)據(jù)及以上圖表分析可以看出，10 環(huán)～20 環(huán)同步注漿量為33m3（充盈系數(shù)為1.15）、克泥效注入量為4.8m3，地表最終沉降能控制在13mm左右，持續(xù)增加同步注漿量至39m3（充盈系數(shù)為1.4）地表最終沉降能控制在11mm左右，持續(xù)增加同步注漿量，注漿壓力開始持續(xù)增加，不適宜再增加；此時沉降并不能滿足控制指標，克泥效注入量偏小，應繼續(xù)增加注入量，以達到繼續(xù)降低沉降的目的。

克泥效同步由盾構機的徑向孔向盾構機的盾體外注入，及時填充開挖直徑和盾體之間的空隙，根據(jù)10 環(huán)～30 環(huán)的數(shù)據(jù)分析，克泥效注入量由4m3（填充系數(shù)1）逐步增加至5.2m3（填充系數(shù)1.3），地表沉降控制由13mm降至9mm，沉降發(fā)展趨勢減緩，另外驗證注入量增加至5.6m3（填充系數(shù)1.4）時，地表沉降控制效果相較于5.2m3并沒有較大改善，會造成浪費，不適宜再增加；此時沉降依然達不到沉降控制指標，應增加管片背后深孔注漿控制后續(xù)沉降。

由于隧道埋深較淺，土層較軟，地表對沉降靈敏度較高，前30 環(huán)因需要對各項掘進參數(shù)進行試驗，尋找最優(yōu)指標，所以會出現(xiàn)個別監(jiān)測點日監(jiān)測指標異常情況，比如圖9 中10 環(huán)～38 環(huán)沉降曲線出現(xiàn)明顯波動，可根據(jù)整體趨勢進行合理修正。30 環(huán)后試驗參數(shù)逐步摸索到位，根據(jù)40 環(huán)～80 環(huán)監(jiān)測數(shù)據(jù)反饋，當同步注漿基本保持在34m3左右，每環(huán)注入克泥效5.2m3時，沉降控制值不再出現(xiàn)較大波動。

圖9 深孔注漿對沉降趨勢的影響Fig.9 Effect of deep hole grouting on settlement trend

在試驗段41 環(huán)～60 環(huán)進行上半圓180°管片外輪廓5m范圍內(nèi)的深孔注漿試驗，考慮到盾構機1 號臺車頂部高壓柜的影響，頂部3 ～6 個注漿孔在管片需要脫出盾尾10 環(huán)左右開始深孔注漿，其余在管片脫出盾尾5 環(huán)開始進行深孔注漿，深孔注漿同樣采取壓力和流量雙控的原則注入。通過對41 環(huán)～60 環(huán)對應地表沉降監(jiān)測斷面（DB12 ～DB21）加密觀測通過數(shù)值曲線分析，深孔注漿能很好的控制管片脫出盾尾后隧道上方土體收斂引起的沉降，相較于不進行深孔注漿的8.5mm級沉降有了相當明顯的控制，沉降最大斷面23 環(huán)、24 環(huán)的沉降值為2.87mm。

掘進過程中根據(jù)各沉降監(jiān)測點的累計沉降值分析掘進措施是否有效，另外根據(jù)各沉降監(jiān)測點連續(xù)的沉降值分析盾構掘進過程中不同階段的沉降趨勢（圖10），通過數(shù)據(jù)分析，試驗段2 單元（41 環(huán)～60 環(huán)）沉降趨勢是最緩的。

圖10 注漿參數(shù)與沉降趨勢的關系Fig.10 Relation ship of grouting parameters versus settlement

通過每隔20m的大斷面沉降數(shù)值分析，橫斷面沉降基本以隧道軸線為中心，沉降數(shù)據(jù)逐漸減小，17 斷面和21 斷面的累計沉降值能控制在2mm以內(nèi)，此斷面恰處于41 環(huán)～60 環(huán)深孔注漿區(qū)域范圍。見表4 及圖11。

表4 橫斷面沉降統(tǒng)計（單位：mm）Tab.4 Cross section settlement statistics（unit：mm）

圖11 橫斷面沉降示意Fig.11 Cross-sectional settlement diagram

5 結論

盾構施工過程引起沉降大致分為盾構到達前、到達時、通過時、通過后及后期固結穩(wěn)定5 個階段，除常規(guī)的掘進參數(shù)控制，及時跟進同步注漿等措施外。對于第三階段（盾構通過時），變形原因為刀盤直徑到盾尾直徑的錐度所遺留的空間導致地層與盾體間存在間隙，會造成地層收斂，引起土層松動，采取的控制措施為在盾體中部注入永不固結但可承壓的“克泥效”材料，同步填充盾體錐度造成空隙。對于第五階段，變形原因為地層反應延遲、泥水壓力和注漿壓力逐步消散、被擾動的軟弱土層緩慢固結、歸于穩(wěn)定密實的過程，采取的控制措施為管片脫出盾尾5 環(huán)后及時實施洞內(nèi)徑向深孔注漿加固，以穩(wěn)定地層為主增加中盾注克泥效及管片壁后深孔注漿措施，能夠快速穩(wěn)定地層，有效控制地層沉降。