軟土和砂土液化地層盾構(gòu)隧道修建技術(shù)

伍偉林， 鄒 育

(1. 佛山市鐵路投資建設(shè)集團(tuán)有限公司，廣東佛山528000； 2. 中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川成都610031)

軟土和粉細(xì)砂層主要分布于沿海和河流三角洲地區(qū)，上海、佛山、寧波等城市是典型的軟土和粉細(xì)砂地區(qū)。目前軟土和砂土液化地層盾構(gòu)隧道施工和運(yùn)營問題較多，盾構(gòu)隧道施工階段中風(fēng)險主要表現(xiàn)為：在粉細(xì)砂地段存在涌水涌砂、掌子面失穩(wěn)、管片上浮及地表沉降大[1-3]；在軟土中姿態(tài)難以控制，易出現(xiàn)“磕頭”和“蛇形前進(jìn)”現(xiàn)象，管片錯臺量大，頂部裂縫多[4-5]。地鐵隧道在運(yùn)營階段中病害主要表現(xiàn)為滲漏水、結(jié)構(gòu)裂縫及損壞、隧道縱向沉降及橫向收斂變形等[6]。如上海一號線自1995年通車至今，最大沉降量超過300 mm，上海全網(wǎng)隧道滲漏水為隧道病害主要類型，占全部病害之比達(dá)71%，結(jié)構(gòu)損傷類病害占比為22%[7-9]；引起病害的主要原因有施工過程的質(zhì)量問題、地面區(qū)域沉降、列車振動和周邊物業(yè)開發(fā)等[10]。

為了減少施工及運(yùn)營期間地鐵隧道的病害和風(fēng)險，需對軟土和液化砂層區(qū)域的盾構(gòu)隧道采取更有效的設(shè)計方法和合理的施工參數(shù)。本文以佛山地鐵二號線一期工程為依托，對軟土和液化砂層區(qū)間盾構(gòu)隧道修建技術(shù)進(jìn)行研究。

1 工程概況

佛山地鐵二號線一期工程地下段全長25.31km，共14個地下區(qū)間，2個出入段線，地下區(qū)間以盾構(gòu)區(qū)間為主。地下區(qū)間沿線建構(gòu)筑物復(fù)雜，地質(zhì)條件較差，盾構(gòu)隧道主要穿越淤泥(流塑)、軟土(流塑—軟塑)、軟土(流塑—軟塑)、淤泥質(zhì)粉細(xì)砂、淤泥質(zhì)粉土及粉細(xì)砂層等不良地質(zhì)，隧道范圍軟土層厚達(dá)20～35 m，其中位于軟土和砂土液化地層的盾構(gòu)隧道約13 km，占全線盾構(gòu)區(qū)間長度51%(圖1)。

圖1 佛山二號線一期穿越軟土和砂土液化地層典型縱斷面

2 軟土和砂土液化地層盾構(gòu)隧道關(guān)鍵技術(shù)

2.1 長期運(yùn)營沉降控制

2.1.1 隧道設(shè)計

(1)隧道平面盡量遠(yuǎn)離重要性建構(gòu)筑及對沉降變形敏感區(qū)段，縱斷面“用足線路縱坡、困難情況下可適當(dāng)考慮加大車站埋深，減少隧道處于軟土和液化砂層地層，盡量讓隧道底位于穩(wěn)定持力地層”。

(2)深厚軟土或砂土液化地層采用內(nèi)徑6 m盾構(gòu)隧道，較常規(guī)內(nèi)徑5.4 m盾構(gòu)隧道，隧道限界預(yù)留300 mm的變形量，便于運(yùn)營階段調(diào)線調(diào)坡及為后期加固措施預(yù)留空間。

(3)隧道管片采用錯縫拼裝，確保圓環(huán)接縫剛度分布趨于均勻，增加隧道整體空間剛度，更有利于抵抗軟土和砂土液化地層中的隧道結(jié)構(gòu)變形。

軟弱地層及砂土液化地層中，為了提高襯砌的空間剛度，優(yōu)先采用錯縫式。

(4)在管片接縫之間設(shè)置中空的管狀構(gòu)件——裝配式定位榫，連接螺栓從管狀構(gòu)件中穿過，并與管狀構(gòu)件協(xié)同變形(圖2)。

圖2 裝配式定位榫安裝順序示意

湖綠區(qū)間右線隧道有20環(huán)管片應(yīng)用了定位榫，使用帶定位榫的管片平均錯臺量由10～15 mm減少為3～5 mm，且無滲漏水點(diǎn)，拼裝質(zhì)量較其他管片有較明顯的提高，同時通過對采用定位榫前后各20環(huán)成型隧道圓度進(jìn)行測量發(fā)現(xiàn)，定位榫段管片橢變更小(圖3)。

圖3 定位榫安裝對管片圓度的影響

2.1.2 地層加固設(shè)計

當(dāng)隧道軌面線以下無法避開軟土和砂土液化砂層時，需要對隧道周邊地層進(jìn)行加固處理。在地面有條件的情況下，優(yōu)先采用了地面加固措施，保證加固質(zhì)量。當(dāng)?shù)孛鏌o條件，且隧底軟土或砂土液化地層小于3 m時，可采用洞內(nèi)注漿加固。

針對深厚軟弱下臥層區(qū)段隧道，全斷面加固造成大量浪費(fèi)，采用上部格柵+下部點(diǎn)陣的加固方式，垂直于線路方向的三軸攪拌樁加固深度為地面至穩(wěn)定地層以下1 m，平行于線路方向攪拌樁加固深度為拱腰以上3 m至隧底以下3 m(圖4、圖5)。

圖4 上部格柵+下部點(diǎn)陣式三軸攪拌樁加固平面

圖5 上部格柵+下部點(diǎn)陣式三軸攪拌樁加固剖面

除軟土和砂土液化地層段，針對軟硬地層起伏較大或者車站與區(qū)間過渡區(qū)段，為了防止基底剛度差異較大引起差異沉降，導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)損壞，隧道加固方案應(yīng)與車站基底加固方案保持一致。同理，處于軟土和砂層液化地層聯(lián)絡(luò)通道加固方案應(yīng)該兼顧盾構(gòu)隧道加固。

通過建立三維有限元模型，研究列車振動荷載作用下，砂土液化地層改良前后隧道長期不均勻沉降變化。從圖中可以看出，砂土液化地層中隧道沉降量會隨著時間增加不斷地緩慢累計，在運(yùn)營初期發(fā)展較快，隨著運(yùn)營時間的增加，沉降發(fā)展逐漸變緩。當(dāng)對砂土液化地層進(jìn)行加固處理后，隧道結(jié)構(gòu)的長期沉降值明顯減少(圖6)。

圖6 砂土液化地層隧道沉降與運(yùn)營時間關(guān)系曲線

2.2 施工過程風(fēng)險控制

軟土和砂土地層盾構(gòu)施工過程考慮的主要風(fēng)險在于聯(lián)絡(luò)通道開挖，盾構(gòu)始發(fā)、接收和盾構(gòu)正常掘進(jìn)，其中聯(lián)絡(luò)通道開挖和盾構(gòu)始發(fā)、接收的安全與加固質(zhì)量有關(guān)，盾構(gòu)正常掘進(jìn)與盾構(gòu)選型和盾尾刷的密封性有較大聯(lián)系。

2.2.1 聯(lián)絡(luò)通道加固

二號線一期全線共7個聯(lián)絡(luò)通道位于砂層中，5個位于淤泥質(zhì)土層中。當(dāng)聯(lián)絡(luò)通道位于軟土地層時采用地面三軸攪拌樁加固，而對砂層地段聯(lián)絡(luò)通道，需再增加外包素連續(xù)墻，并素連續(xù)墻內(nèi)設(shè)置降水井。加固范圍都為結(jié)構(gòu)平面輪廓外擴(kuò)3 m，素連續(xù)墻深度由地面至進(jìn)入不透水層1 m(圖7)。

圖7 聯(lián)絡(luò)通道端頭加固設(shè)計方案

在地面加固實(shí)施后，并不能保證砂層地層聯(lián)絡(luò)通道施工安全，在進(jìn)行抽芯時發(fā)現(xiàn)芯樣中存在大量未加固的砂層，且水平探孔時部分探孔存在涌水涌砂情況，后通過采用地面注漿或冷凍法加固方才保證聯(lián)絡(luò)通道的施工安全。

針對富水砂層地段聯(lián)絡(luò)通道，建議優(yōu)先采用冷凍法加固法，既避地面加固效果難以保證，又可以減少管線遷改和交通疏解。

2.2.2 端頭加固

二號線一期全線共10個端頭含砂層，6個端頭位于淤泥質(zhì)土層中，盾構(gòu)區(qū)間端頭位于軟弱地層時，采取三軸攪拌樁加固；當(dāng)端頭范圍存在砂層時，新增外包素混凝土墻+一排旋噴樁咬合的加固方案，三軸攪拌樁加固范圍都為隧道上下左右各外擴(kuò)3 m，素連續(xù)墻深度由地面至進(jìn)入不透水層1 m。盾構(gòu)始發(fā)加固體厚度為10 m，盾構(gòu)接收加固體厚度為10.8 m(圖8)。

圖8 盾構(gòu)端頭加固設(shè)計方案

在地面加固實(shí)施后，并不能保證砂層地段的盾構(gòu)端頭安全，水平探孔時洞門處均發(fā)生了涌水涌砂，后通過地面補(bǔ)償注漿加固或鋼套筒才保證了盾構(gòu)安全始發(fā)、接收。

針對位于砂層的盾構(gòu)端頭，地面攪拌樁加固效果不佳，采用鋼套筒始發(fā)、接收更有利于保證施工安全。

2.2.3 盾構(gòu)選型設(shè)計

結(jié)合工程地質(zhì)及水文條件、周邊環(huán)境及施工場地等因素選用不同的盾構(gòu)機(jī)，針對滲透性和地下水壓力較大的地層，優(yōu)先采用泥水平衡盾構(gòu)。當(dāng)場地條件受限的情況時，通過對土壓平衡盾構(gòu)設(shè)置防噴涌裝置，采用雙螺旋輸送機(jī)、加強(qiáng)盾構(gòu)密封等措施，也能保證盾構(gòu)施工過程的安全，但地表變形將加大。

2.2.4 冷凍法更換盾尾刷設(shè)計

盾構(gòu)正常掘進(jìn)時，盾尾刷是保證盾構(gòu)內(nèi)部與外部隔離的一道重要的安全屏障，由于盾尾刷養(yǎng)護(hù)不當(dāng)或盾尾刷使用時間過長等原因，在盾尾刷密封性效果差的時候需要及時進(jìn)行更換，特別是在砂層地段容易出現(xiàn)重大安全事故。而地面加固在深厚砂層地段加固效果又難以保證，盾尾刷更換過程中又存在較大安全風(fēng)險。

湖綠區(qū)間右線隧道盾構(gòu)機(jī)采用4道盾尾刷，其中第1道、2道為可更換式，設(shè)計考慮了一次冷凍法更換盾尾刷。通過在預(yù)設(shè)的盾尾設(shè)置一塊全環(huán)鋼管片，利用鋼管片預(yù)留的水平孔凍結(jié)加固地層，使盾尾外圍土體凍結(jié)，形成強(qiáng)度高，封閉性好的凍結(jié)帷幕，阻止盾尾滲漏到盾構(gòu)隧道內(nèi)。在凍結(jié)體取芯孔無滲漏，整體凍結(jié)效果良好，進(jìn)行盾尾刷更換。湖綠區(qū)間右線隧道盾尾刷更換過程地面沉降小于3 mm，整體風(fēng)險可控(圖9)。

圖9 冷凍鋼管片測溫孔及取芯孔位置

2.3 施工參數(shù)控制

結(jié)合盾構(gòu)在軟土及砂土地層掘進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，盾構(gòu)施工過程同步注漿壓力為0.2～0.5 MPa，二次注漿壓力為0.3～0.4 MPa，注漿量往往達(dá)到理論計算空隙量的180%～200%，采用注漿壓力和注漿量雙指標(biāo)控制標(biāo)準(zhǔn)。

針對砂層中產(chǎn)生管片上浮的現(xiàn)象，同步注漿的水泥砂漿配合比適當(dāng)增加水泥摻量，采用早強(qiáng)水泥，減少膨潤土的摻量；二次注漿材料選用水泥-水玻璃雙液漿。砂層地層盾構(gòu)掘進(jìn)過程中對盾尾第4環(huán)管片進(jìn)行二次注漿，注漿點(diǎn)位主要在1點(diǎn)或者11點(diǎn)位置，避開封頂塊位置，注漿量按照每環(huán)0.2～0.3 t水泥，通過雙液注漿使管片盾尾同步注漿快速凝固，增加管片頂部抵抗力，抵抗管片的浮力。

除注漿參數(shù)，在軟土和砂土地層的盾構(gòu)機(jī)自身掘進(jìn)參數(shù)也非常重要，軟土和砂土地層的盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)參考值見表1。

表1 軟土和砂土地層的盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)參考值

3 現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)

軟土和砂土地層盾構(gòu)隧道施工過程除了保證自身安全，還需要保證周邊環(huán)境的安全，并通過地面監(jiān)測情況及時調(diào)整盾構(gòu)施工參數(shù)。根據(jù)軟土和砂土地層的盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)參考值，對未采用地面加固的位于全斷面淤泥質(zhì)土或粉細(xì)砂層盾構(gòu)隧道和采用地面加固的深厚淤泥質(zhì)土盾構(gòu)隧道的掘進(jìn)過程進(jìn)行地表沉降監(jiān)測分析。

粉細(xì)砂地層盾構(gòu)隧道掘進(jìn)過程中，地表沉降主要發(fā)生在盾構(gòu)刀盤前后10環(huán)，即盾構(gòu)刀盤和盾尾脫出盾構(gòu)機(jī)階段,盾構(gòu)通過后地表沉降很快趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定后最大沉降約29.2 mm,如圖10所示，滿足規(guī)范要求的30 mm控制值。

圖10 粉細(xì)砂層盾構(gòu)掘進(jìn)縱向地表沉降時程曲線

淤泥質(zhì)土盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，刀盤前方土體會發(fā)生隆起，刀盤后方土體出現(xiàn)沉降。如圖11所示，刀盤后方15環(huán)地表沉降發(fā)展較快，15環(huán)以后的地面沉降仍在繼續(xù)發(fā)展，即管片脫出盾尾后，所產(chǎn)生的地層沉降占施工導(dǎo)致的地層沉降的絕大部分，同時受盾構(gòu)施工擾動的淤泥質(zhì)土固結(jié)時間長，后續(xù)地表沉降持續(xù)增大。

圖11 淤泥質(zhì)土層盾構(gòu)掘進(jìn)縱向地表沉降時程曲線

當(dāng)淤泥質(zhì)土層采用地面三軸攪拌樁進(jìn)行上部格柵+下部點(diǎn)陣的加固方式后，由于加固區(qū)非滿堂加固，盾構(gòu)掘進(jìn)過程中掌子面的地層會不斷變化，強(qiáng)度差異較大，導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)土倉內(nèi)壓力難以控制。如圖12所示，由于盾構(gòu)前方未加固的土體受到一定擠壓而出現(xiàn)較大的隆起，最大隆起量約7.8 mm,而當(dāng)管片脫出盾尾后，地表沉降迅速發(fā)生沉降，但最終沉降量相對較少，最大沉降約5.3 mm，且盾構(gòu)通過后地表沉降很快趨于穩(wěn)定，體現(xiàn)了地面加固的效果。

圖12 加固后的淤泥質(zhì)土層盾構(gòu)掘進(jìn)縱向地表沉降時程曲線

4 結(jié)束語

軟土及砂土液化地層盾構(gòu)隧道存在施工階段風(fēng)險大、運(yùn)營過程變形大的問題。通過對佛山地鐵二號線一期工程的建設(shè)過程進(jìn)行研究和總結(jié)，得出一套適合軟土及砂土液化地層修建盾構(gòu)隧道的方法：

(1)軟土及砂土液化盾構(gòu)隧道施工過程地面變形也較大，采用地面加固后沉降發(fā)展很快趨于穩(wěn)定，但仍存在地表沉降和隆起現(xiàn)象，區(qū)間隧道設(shè)計時應(yīng)盡量位于穩(wěn)定持力地層中。

(2)深厚軟土地層盾構(gòu)隧道除采用加固措施外，建議加大隧道內(nèi)徑，方便后續(xù)調(diào)線調(diào)坡及后續(xù)隧道加固。

(3)軟土及砂土液化管片采用定位榫進(jìn)行拼裝，減少了軟弱地層中管片拼裝過程中的錯臺量和滲漏水病害，提高成型隧道質(zhì)量，保證了管片耐久性。

(4)砂層地層中三軸攪拌樁加固效果不佳，位于砂層地層中的聯(lián)絡(luò)通道建議優(yōu)先采用冷凍法加固，位于砂層地層中的盾構(gòu)端頭優(yōu)先采用鋼套筒始發(fā)、接收。

(5)盾尾刷為盾構(gòu)掘進(jìn)過程中最后一道安全保證，對長距離位于砂層中的盾構(gòu)隧道建議增加冷凍法更換盾尾刷。

針對軟土及砂土液化地層隧道的運(yùn)營沉降，目前只局限于理論計算模擬，最終的效果有待長期運(yùn)營的檢測。