盾構(gòu)區(qū)間穿軟土震陷帶沉降處置措施及施工控制要點(diǎn)

張海興

（中交第三航務(wù)工程局有限公司廈門分公司，福建 廈門 361006）

隨著城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)建設(shè)越來(lái)越密集，在地鐵施工中，采用最多的就是盾構(gòu)工法，掘進(jìn)速度快，安全系數(shù)高，質(zhì)量有保證。天津作為北方濱海軟土地層的代表，特別是地層中含有震陷帶，且隧道上方存在建筑物的情況較多，由于地層具有強(qiáng)度低、抗擾動(dòng)性能差、沉降反應(yīng)敏感等特點(diǎn)，給盾構(gòu)施工帶來(lái)了一定的風(fēng)險(xiǎn)[1]。因此施工過程中需要通過各種施工前期準(zhǔn)備、施工過程控制、以及后期工后沉降的控制措施來(lái)保障施工的順利。

1 工程概況

1.1 區(qū)間概況

天津地鐵11號(hào)線某區(qū)間左線存在一處短鏈0.957m，單線長(zhǎng)611.892m，右線單線長(zhǎng)612.849m。區(qū)間最小平面曲線半徑1000m，縱坡為倒“V”字坡設(shè)計(jì)，最大縱坡5.158‰；區(qū)間埋深約8.77～10.13m ，共設(shè)置1個(gè)聯(lián)絡(luò)通道。

本區(qū)間管片襯砌采用形式為通用楔形環(huán)襯砌，管片內(nèi)徑5500mm，外徑6200mm，厚度350mm，環(huán)寬1500mm，楔形量為30.3mm（雙面楔形）。

1.2 地質(zhì)概況

本區(qū)間場(chǎng)區(qū)位于華北地臺(tái)東北部的翼渤斷塊凹陷內(nèi)，新生代地震構(gòu)造十分復(fù)雜。區(qū)間洞身主要穿越⑥4粉質(zhì)黏土、⑦1粉質(zhì)黏土、⑧1粉質(zhì)黏土、⑨1粉質(zhì)黏土。以上均是軟土地層，具有高壓縮性、低強(qiáng)度以及低滲透性，根據(jù)巖土地質(zhì)勘查報(bào)告顯示其中還分布有震陷性的⑥2淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土帶，位于隧道上方，厚度為1.77～2.04m，長(zhǎng)度約30m，為盾構(gòu)施工控制帶來(lái)一定的困難。

2 沉降位置周邊環(huán)境情況及沉降過 大原因分析

2.1 沉降位置周邊場(chǎng)地情況

區(qū)間沉降位置為街道停車場(chǎng)內(nèi)，主要停放小型車輛，周邊空曠。此段盾構(gòu)隧頂埋深在9.92～9.97m，掘進(jìn)洞身地層以⑥4粉質(zhì)黏土、⑥2淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、⑦1粉質(zhì)黏土為主，隧道上部依次分布①2素填土、④11黏土、⑥1粉質(zhì)黏土、⑥2淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土。其中淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土距離隧道開挖范圍最近，受到的擾動(dòng)最大。區(qū)間穿越街道停車場(chǎng)平面與縱斷面相對(duì)位置見圖1。

圖1 區(qū)間穿越街道停車場(chǎng)平面與縱斷面相對(duì)位置(自繪）

2.2 地面沉降情況及沉降原因分析

（1）沉降情況

區(qū)間左線盾構(gòu)掘進(jìn)307環(huán)后，經(jīng)監(jiān)測(cè)得出最大沉降點(diǎn)ZDK40+568下沉42.3mm，周邊監(jiān)測(cè)點(diǎn)都有一定的沉降，沉降縱斷面及橫斷面圖見圖2、圖3。

圖2 地表縱斷面沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(自繪）

圖3 地表橫斷面沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(自繪）

（2）沉降過大原因分析

經(jīng)對(duì)沉降過大位置相對(duì)應(yīng)的地質(zhì)資料發(fā)現(xiàn)隧道上方存在厚度1.77～2.04m的⑥2淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層，巖土物理性能差，該地層受擾動(dòng)或震動(dòng)后易出現(xiàn)蠕變，同時(shí)對(duì)地面以下5m進(jìn)行探孔，通過已完成4個(gè)探孔，4個(gè)探孔均不同程度探明地下5m內(nèi)地層為松散雜填地層，存在回填不實(shí)的空隙，盾構(gòu)掘進(jìn)后對(duì)地層有一定擾動(dòng)，導(dǎo)致地面沉降過大。探孔位置詳見圖4。

圖4 探孔位置平面布置圖(自繪）

3 處置措施

3.1 隧道內(nèi)處置情況

（1）注漿

當(dāng)出現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)異常后，現(xiàn)場(chǎng)立即采用盾構(gòu)機(jī)上配置的同步注漿系統(tǒng)對(duì)區(qū)間沉降異常點(diǎn)位307環(huán)周邊（302～307）進(jìn)行注漿，由于沉降過大，為保證填充效果，注漿采用盾構(gòu)掘進(jìn)用的同步砂漿進(jìn)行填充，注漿壓力在1.0～2.0MPa。每環(huán)約注入1～2m3，注漿過程中安排技術(shù)人員對(duì)盾構(gòu)姿態(tài)、土壓力及盾尾及注漿范圍內(nèi)隧道管片進(jìn)行觀察，無(wú)明顯變化。

（2）管片姿態(tài)監(jiān)測(cè)

對(duì)管片姿態(tài)進(jìn)行加頻測(cè)量，管片姿態(tài)測(cè)量無(wú)明顯變化，具體管片姿態(tài)見表1、表2。

表1 注漿情況統(tǒng)計(jì)表

表2 管片姿態(tài)測(cè)量情況表

3.2 地面處置情況

（1）地面注漿

立即組織對(duì)停車場(chǎng)影響區(qū)域（20個(gè)停車位）進(jìn)行車輛疏散并采用水馬進(jìn)行圍擋，同時(shí)增設(shè)專職人員對(duì)地面進(jìn)行巡視，并對(duì)地面沉降過大位置采用鉆孔注漿形式開展注漿工作，每個(gè)孔位注入1m3水泥漿，并持續(xù)監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)沉降量未有收斂的情況下，再重復(fù)上面作業(yè)進(jìn)行注漿工作，通過地面向下注漿的方式有效填充地層中空隙，同時(shí)對(duì)易蠕變的震陷帶進(jìn)行加固效果。具體鉆孔布設(shè)形式及注漿順序見圖5。

圖5 鉆孔位置平面布置及注漿順序示意圖(自繪）

（2）注漿效果驗(yàn)證

通過地面注漿及沉降位置對(duì)應(yīng)的隧道內(nèi)管片注漿后，再對(duì)地面進(jìn)行監(jiān)測(cè)，沒有出現(xiàn)繼續(xù)沉降的趨勢(shì)。同時(shí)，注漿后為防止地層中其他位置漿液填充密實(shí)度不夠，對(duì)沉降預(yù)警點(diǎn)位前后（沿隧道掘進(jìn)方向）10m采取地面地質(zhì)雷達(dá)掃描的形式進(jìn)行掃描見圖6，并出具相應(yīng)報(bào)告，根據(jù)報(bào)告結(jié)論進(jìn)行最后補(bǔ)漿，確保沉降段地面穩(wěn)固、安全。確保地面的安全性滿足使用要求。

圖6 地質(zhì)雷達(dá)掃描示意圖(自繪）

（3）后面掘進(jìn)措施調(diào)整

①加強(qiáng)巡查，在后方軟土震陷帶的掘進(jìn)過程中必須保證地面人員時(shí)時(shí)觀察地面的情況。

②加大施工監(jiān)測(cè)頻率做到每環(huán)一監(jiān)測(cè)，一旦地表沉降較大及時(shí)反饋并進(jìn)行處置。

③加大同步注漿量，漿原來(lái)每環(huán)注漿量6.5m3，調(diào)整為10m3。經(jīng)過后期掘進(jìn)情況看10m3能較好地控制沉降。

④做好各項(xiàng)準(zhǔn)備工作，保障盾構(gòu)掘進(jìn)的連續(xù)性，避免不必要的停機(jī)，如無(wú)法避免必須停機(jī)時(shí)，做好盾體注入膨潤(rùn)土填充，盾構(gòu)司機(jī)做好盾構(gòu)保壓工作。

⑤做好隨時(shí)二次注漿的準(zhǔn)備，盾構(gòu)機(jī)上加裝二次注漿機(jī)，能滿足邊掘進(jìn)邊二次注漿的要求，如發(fā)現(xiàn)在沉降超限情況立即啟動(dòng)二次注漿。

⑥做好地面注漿應(yīng)急準(zhǔn)備，隨時(shí)備好注漿設(shè)備，以備應(yīng)急處置需求。

（4）經(jīng)過上述措施的處置的結(jié)果

經(jīng)過地面垂直注漿以及隧道內(nèi)管片徑向注漿的及時(shí)處置下，沉降得到有效的控制，且經(jīng)過該沉降分析總結(jié)的掘進(jìn)參數(shù)控制能有效防止后期掘進(jìn)過程中該類似情況的發(fā)生。對(duì)于地表沉降量較大的點(diǎn)進(jìn)行路邊破除重新澆筑混凝土硬化層，不影響地面停車場(chǎng)的正常使用。

4 針對(duì)軟土震陷帶盾構(gòu)施工控制總結(jié)

隨著城市軌道交通的發(fā)展，軟土地區(qū)的地鐵隧道近距離穿越施工愈來(lái)愈常見。由于軟土具有震陷性、觸變性及所謂“三高兩低”的工程特性，隧道穿越施工時(shí)往往會(huì)產(chǎn)生較大沉降，明顯增加盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)[2]。因此針對(duì)軟土震陷帶地層盾構(gòu)穿越施工更需要一套完整的控制措施，保障盾構(gòu)掘進(jìn)安全高效穿越。

4.1 技術(shù)準(zhǔn)備

（1）加強(qiáng)對(duì)軟土地層特性的了解

軟土地層具高含水量，高靈敏度、高壓縮性、低強(qiáng)度和觸變性及欠固結(jié)等特點(diǎn)，極易發(fā)生蠕動(dòng)和擾動(dòng)，工程性質(zhì)差。盾構(gòu)施工前應(yīng)結(jié)合地質(zhì)勘查報(bào)告了解各地層的巖土物理特性，必要時(shí)可通過鉆孔取土的方式對(duì)不良地層進(jìn)行試驗(yàn)，判定施工的風(fēng)險(xiǎn)程度。同時(shí)，可通過注漿加固的措施提前對(duì)工程性質(zhì)較差的位置進(jìn)行補(bǔ)充，避免盾構(gòu)施工到該地段時(shí)造成沉降或坍塌的風(fēng)險(xiǎn)。提前做好了解該地段周邊建筑物情況，提前做好應(yīng)急處置準(zhǔn)備。

（2）細(xì)致調(diào)查施工線路的周邊環(huán)境

目前由于城市化發(fā)展速度快，很多城市地鐵需面臨從各種建構(gòu)筑物下穿越，這為盾構(gòu)施工帶來(lái)越來(lái)越多的風(fēng)險(xiǎn)性[3]。對(duì)施工線路的周邊環(huán)境細(xì)致調(diào)查成為了減少風(fēng)險(xiǎn)事故發(fā)生的前提必要條件，更是施工風(fēng)險(xiǎn)控制的“源頭”。通過線路風(fēng)險(xiǎn)源的調(diào)查，找出施工對(duì)應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，再制定相應(yīng)的方案措施，能夠有效保證施工的安全性。

（3）認(rèn)真選取施工參數(shù)

盾構(gòu)穿越軟土震陷帶地層應(yīng)遵循“土壓低波動(dòng)、穩(wěn)定掘進(jìn)”的原則，加強(qiáng)盾構(gòu)數(shù)據(jù)分析。在盾構(gòu)施工過程中，每天都對(duì)盾構(gòu)機(jī)實(shí)際參數(shù)進(jìn)行整理和分析，結(jié)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，判別已經(jīng)施工的隧道的沉降數(shù)值、沉降趨勢(shì)、沉降速率，預(yù)測(cè)即將掘進(jìn)的隧道的地層情況和受干擾程度。及時(shí)調(diào)整盾構(gòu)施工技術(shù)參數(shù)，下達(dá)施工指令。

4.2 人員準(zhǔn)備

盾構(gòu)施工中人員是保證工程能否安全順利開展的重要因素。軟土地層盾構(gòu)施工中由于土層的特性，工后沉降很容易顯現(xiàn)出來(lái)，施工中不僅需要配備足夠的掘進(jìn)人員，還要預(yù)備一定數(shù)量的有經(jīng)驗(yàn)的注漿人員，隨時(shí)根據(jù)監(jiān)測(cè)信息對(duì)管片進(jìn)行二次注漿。同時(shí)，作為危險(xiǎn)性較大的盾構(gòu)施工項(xiàng)目，隨時(shí)可能出現(xiàn)應(yīng)急搶險(xiǎn)的情況，應(yīng)成立應(yīng)急搶險(xiǎn)救援隊(duì)，一旦發(fā)生險(xiǎn)情，可立即針對(duì)事故發(fā)生情況作出行動(dòng)。

4.3 設(shè)備準(zhǔn)備

盾構(gòu)施工中不僅只是盾構(gòu)機(jī)這個(gè)大型設(shè)備參與施工，很多輔助設(shè)備也在施工中擔(dān)任關(guān)鍵的角色。軟土震陷帶地層中掘進(jìn)由于地層強(qiáng)度低，盾構(gòu)一旦停機(jī)不僅會(huì)出現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)“磕頭”的情況，同時(shí)會(huì)引起隧道上部土體受擾動(dòng)后重新形成平衡狀態(tài)，此時(shí)會(huì)出現(xiàn)較大的沉降。能夠保證施工的連續(xù)性，就必須要求設(shè)備的故障率低，設(shè)備的日常維護(hù)保養(yǎng)不僅能夠有效促進(jìn)施工進(jìn)度的提高，也避免了因設(shè)備故障引起的施工風(fēng)險(xiǎn)。

4.4 應(yīng)急準(zhǔn)備

往往軟土地層中盾構(gòu)施工出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)是地面的沉降或隆起，但是沉降過大也會(huì)導(dǎo)致地面的坍塌和建構(gòu)筑物的傾倒破壞等事故。制定完善的應(yīng)急預(yù)案和應(yīng)急準(zhǔn)備是防止風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生后進(jìn)行補(bǔ)救的必要手段。同時(shí)，建立良好的應(yīng)急救援組織體系及應(yīng)急物資的完備和應(yīng)急設(shè)備的有效性能夠保證施工風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生時(shí)搶險(xiǎn)的快速高效。

軟土地層的特性研究已在20世紀(jì)80年代初期各種工程中進(jìn)行，但盾構(gòu)穿越軟土震陷地層目前仍無(wú)法完全對(duì)沉降進(jìn)行有效控制，需要從技術(shù)方面、設(shè)備性能方面、人員配置方面等進(jìn)行一系列的分析，從 “人、材、機(jī)”的準(zhǔn)備，應(yīng)急處理及后續(xù)處置措施進(jìn)行控制，逐步完善復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)穿越軟土震陷帶對(duì)沉降的控制要點(diǎn)。