盾構(gòu)下穿芙蓉大道隧道沉降控制技術(shù)研究

通過對(duì)無(wú)錫至江陰城際軌道交通工程盾構(gòu)區(qū)間在砂質(zhì)粉土層中近距離下穿芙蓉隧道的施工為案例基于闡述。由于黏質(zhì)粉土土層空隙率大，含水比較豐富，顆粒間作用力小，局部易液化，自穩(wěn)性極差，針對(duì)盾構(gòu)近距離穿越黏質(zhì)粉土地層對(duì)地層擾動(dòng)大、穿越風(fēng)險(xiǎn)高的特點(diǎn)［1］，通過選取試驗(yàn)段，選取合適的掘進(jìn)參數(shù)及控制措施；由現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)得出總結(jié)，確定了穿越過程中掘進(jìn)技術(shù)參數(shù)，將沉降控制在要求范圍內(nèi)順利穿越芙蓉大道。

地鐵隧道; 盾構(gòu)穿越; 黏質(zhì)粉土; 沉降控制; 注漿; 監(jiān)測(cè)

U455.43A

巖土工程與地下工程巖土工程與地下工程

［定稿日期］2023-02-28

［作者簡(jiǎn)介］武偉（1994—），男，本科，助理工程師，主要從事地下城市空間工程工作。

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Symbol`@@"" 工程概況

1.1" 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

南門站—汽車客運(yùn)站區(qū)間線路出南門站后向南拐入虹橋南路直行，側(cè)穿天虹橋，下穿華僑路下穿通道、側(cè)穿應(yīng)天橋后下穿虹橋隧道，之后沿虹橋南路直行進(jìn)入汽車客運(yùn)站。本區(qū)間采用三段曲線，曲線半徑分別為1 200 m、3 000 m、2 500 m。線路中心線間距為14～21 m。區(qū)間縱斷面成節(jié)能坡，線路出南門站以28‰坡度下降，然后以緩坡上升，最后再以28.5‰坡度上坡至汽車客運(yùn)站。隧道埋深為10.7～30.5 m。區(qū)間盾構(gòu)在左線ZJXDK6+322.3707—ZJXDK6+352.8204，右線YJXDK6+319.5295—YJXDK6+349.9973下穿芙蓉隧道，分別對(duì)應(yīng)環(huán)數(shù)為473～506環(huán)及471～504環(huán)（圖1）。

1.2" 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

1.2.1" 工程地質(zhì)

汽車客運(yùn)站—南門站區(qū)間主要穿越土層為②1淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、②3淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、②2-1黏質(zhì)粉土、②4粉質(zhì)黏土、⑥2黏土、⑥3T粉砂、⑥4粉質(zhì)黏土。地基土特征自上而下詳見表1。

1.2.2" 水文地質(zhì)條件

本標(biāo)段地下水根據(jù)其埋藏條件，分為潛水、微承壓水及承壓水。

潛水含水層主要存在于全新統(tǒng)Q4填土層、②2黏質(zhì)粉土層中，其透水性不均勻。主要接受大氣降水的入滲補(bǔ)給。

微承壓水含水層由④1黏質(zhì)粉土夾粉砂、④2粉砂夾黏質(zhì)粉土組成，具微承壓性。

承壓水賦存于⑦2粉土夾粉砂、⑧2粉質(zhì)黏土夾粉土、⑨2粉砂和⑩3粉砂中。含水層的補(bǔ)給來源主要為承壓水的越流補(bǔ)給及地下逕流補(bǔ)給。

1.3" 隧道下穿芙蓉大道工程難點(diǎn)分析

南門站—汽車客運(yùn)站區(qū)間盾構(gòu)下穿芙蓉大道隧道，該地層為黏質(zhì)粉土，其特性空隙率大，含水比較豐富，顆粒間作用力小，局部易振動(dòng)液化，自穩(wěn)性極差；芙蓉大道隧道為箱涵結(jié)構(gòu)，樁基礎(chǔ)，寬27.2 m，箱涵高度7.85 m，芙蓉大道下穿隧道的800 mm立柱樁從隧道底往下長(zhǎng)16 m，樁基礎(chǔ)底標(biāo)高約-22.029 m。

受影響樁基有Z9-A1、Z9-A2、Z9-A3、Z9-A4、Z9-B1、Z9-B2、Z9-B3、Z9-B4、Z9-C1、Z9-C2、Z9-C3、Z9-C4，樁徑均為800 mm，樁基距隧頂最近處約1.184 m（Z9-A3/B3/C3）。

盾構(gòu)穿越隧道過程中，若土壓過大、出土少，則對(duì)前方土體受到擠壓，土壓升高，芙蓉大道隧道原四周的受力狀態(tài)就會(huì)發(fā)生變化，產(chǎn)生變形。若土壓過小，就會(huì)發(fā)生局部超挖，造成開挖面土體坍塌，芙蓉大道隧道四周受力平衡受到破壞，發(fā)生沉降。盾構(gòu)穿越芙蓉大道隧道是保證隧道沉降不超允許值，是本工程施工控制的重點(diǎn)及難點(diǎn)。

芙蓉大道隧道與盾構(gòu)隧道關(guān)系見圖2、圖3。

2" 關(guān)鍵施工技術(shù)控制

2.1" 盾構(gòu)施工參數(shù)設(shè)定

盾構(gòu)穿越芙蓉大道隧道通過采用試驗(yàn)段的方法確定盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)和沉降控制，確保盾構(gòu)機(jī)安全平穩(wěn)的穿越芙蓉大道隧道。按照以往施工經(jīng)驗(yàn)確定穿越前50環(huán)為試驗(yàn)段長(zhǎng)度，即左線423～473環(huán)，右線421～471環(huán)為試驗(yàn)段（50環(huán)）。

試驗(yàn)段線路位于圓緩曲線上，右轉(zhuǎn)半徑為2 500 m，坡度從-28.583‰變?yōu)?24.083‰，隧道頂部覆土23.13～27.24 m。

巖土工程與地下工程武偉， 謝中文， 孟慶林： 盾構(gòu)下穿芙蓉大道隧道沉降控制技術(shù)研究

在試驗(yàn)段進(jìn)行盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)及沉降控制方法的調(diào)整及測(cè)試，正式穿越時(shí)，地表沉降變形及建構(gòu)筑物沉降均處在可控范圍內(nèi)［3］，主要施工參數(shù)如表2所示。

2.2" 同步注漿施工

隧道內(nèi)同步注漿采用“準(zhǔn)厚漿”，注漿壓力不得小于注漿量的最小值，結(jié)合試驗(yàn)段的經(jīng)驗(yàn)，掘進(jìn)過程中注漿壓力控制在為0.2～0.4 MPa［4］。注漿量控制在6 m3/環(huán)左右。

實(shí)際穿越芙蓉大道隧道中注漿速度隨掘進(jìn)速度實(shí)時(shí)調(diào)整。根據(jù)試驗(yàn)段掘進(jìn)參數(shù)并根據(jù)下穿芙蓉大道時(shí)掘進(jìn)速度與地面監(jiān)測(cè)及掘進(jìn)情況，嚴(yán)格控制推進(jìn)過程中注漿量、注漿壓力及注漿速度（包括漿液稠度嚴(yán)格控制在10～12.5之間），掘進(jìn)時(shí)具體參數(shù)見表3、表4。

2.3" 二次注漿施工

2.3.1" 二次注漿參數(shù)

（1）注漿漿液：采用水泥漿—水玻璃雙液漿，漿液配比∶雙液漿采用水玻璃用水稀釋1∶5，水泥漿水灰比1∶1，水泥漿與水玻璃體積比1∶1。單液漿水灰比1∶1。

（2）注漿壓力：注漿壓力控制在0.5～1 MPa。

（3）注漿時(shí)間：管片脫出盾尾6～8環(huán)開始注入，第8環(huán)管片脫出盾尾前注完，每環(huán)約注入1.5 m3，分別從左上、左下、右上、右下4個(gè)注漿孔注入。

（4）注漿量：每環(huán)控制在1.5 m3左右。

2.3.2" 二次注漿具體措施

2.3.2.1" 環(huán)箍施工

左線470環(huán)拼裝完成后，進(jìn)行464環(huán)環(huán)箍施工；471環(huán)拼裝完成后，472環(huán)掘進(jìn)的同時(shí)，對(duì)465環(huán)施工環(huán)箍。因479～480環(huán)管片位置位于芙蓉大道圍護(hù)樁，479～480環(huán)脫出盾尾6環(huán)后，環(huán)箍施工。同理，505～506環(huán)管片位置位于芙蓉大道圍護(hù)樁，505～506環(huán)脫出盾尾6環(huán)后，環(huán)箍施工。形成有效的閉合，阻止后方地下水流入前方，以免影響沉降。

右線468環(huán)拼裝完成后，進(jìn)行462環(huán)環(huán)箍施工，469環(huán)拼裝完成后，470環(huán)掘進(jìn)的同時(shí)，對(duì)463環(huán)施工環(huán)箍。因477～478環(huán)管片位置位于芙蓉大道圍護(hù)樁，477～478環(huán)脫出盾尾6環(huán)后，環(huán)箍施工。同理，503～504環(huán)管片位置位于芙蓉大道圍護(hù)樁，503～504環(huán)脫出盾尾6環(huán)后，環(huán)箍施工。形成有效的閉合，阻止后方漿液流入前方，以免影響沉降。

2.3.2.2" 超前注漿管注漿

在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，安排監(jiān)測(cè)人員跟機(jī)進(jìn)行芙蓉大道地表沉降點(diǎn)監(jiān)測(cè)，通過沉降數(shù)據(jù)，判斷盾構(gòu)開挖面是否出現(xiàn)較大沉降，通過超前注漿管對(duì)開挖面進(jìn)行注漿加固加以控制（圖4）。

盾構(gòu)穿越芙蓉大道前，按正常推進(jìn)，在穿越芙蓉大道隧道路段，為減小盾構(gòu)機(jī)殼與土體的摩擦阻力及對(duì)土體的擾動(dòng)，避免后期土體的固結(jié)沉降，故在穿越芙蓉大道時(shí)采用超前注漿管向外注射高濃度膨潤(rùn)土漿［12］，使盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)時(shí)與四周土體之間保持潤(rùn)滑。

2.3.2.3" 增設(shè)注漿孔二次注漿

考慮盾構(gòu)穿越芙蓉大道后防止后期地表出現(xiàn)沉降，特在盾構(gòu)下穿芙蓉大道隧道及其前后10環(huán)，采用增開注漿孔的特殊管片，每環(huán)增開10個(gè)注漿孔［8］，具體見圖5。

對(duì)盾構(gòu)下穿芙蓉大道隧道及其前后10環(huán)的部分采用增設(shè)注漿孔的管片進(jìn)行注漿加固。對(duì)脫出盾尾以的管片及時(shí)進(jìn)行二次或多次補(bǔ)漿，注漿采用雙液漿，注漿時(shí)應(yīng)遵循“多點(diǎn)、低壓、多次”注漿原則，采用“4步補(bǔ)漿法”［10］。注漿加固采用每隔1環(huán)進(jìn)行1次補(bǔ)漿，第1、2步在脫出盾尾后6環(huán)在4點(diǎn)、12點(diǎn)方向補(bǔ)漿，第3、4步在脫出盾尾后15環(huán)在4點(diǎn)、12點(diǎn)方向補(bǔ)漿。補(bǔ)漿采用注漿總量與壓力同時(shí)控制，每次補(bǔ)漿量為0.5～0.8 m3，補(bǔ)漿壓力為0.5～1 MPa［11］。確保每環(huán)的二次注漿量在1.5 m3左右。

2.4" 盾構(gòu)姿態(tài)控制

本區(qū)間線路含3段平曲線，穿越芙蓉大道曲線半徑為2 500 m［5］。根據(jù)試驗(yàn)段總結(jié)，為避免曲線掘進(jìn)增加地層損失，當(dāng)減小對(duì)土體的擾動(dòng)，作到少糾偏。具體措施如下：

（1）盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)，姿態(tài)控制在±30 mm以內(nèi)，在曲線轉(zhuǎn)彎點(diǎn)處應(yīng)多留±20 mm進(jìn)行糾偏。

（2）盾構(gòu)實(shí)際姿態(tài)與設(shè)計(jì)軸線不宜偏差過大，其夾角不得大于0.3%，本區(qū)間盾構(gòu)長(zhǎng)11.480 m，經(jīng)計(jì)算下穿芙蓉大道時(shí)，實(shí)際掘進(jìn)姿態(tài)與設(shè)計(jì)軸線偏差不得大于34.4 mm。

（3）盾構(gòu)掘進(jìn)中，糾正盾構(gòu)姿態(tài)時(shí)應(yīng)“勤糾偏、緩糾偏”，區(qū)域油頂壓力應(yīng)緩慢同時(shí)增加，千斤頂油壓差值不應(yīng)大于5 MPa，掘進(jìn)時(shí)推力不大于300 t，油頂伸出長(zhǎng)度值不大于20 mm。

（4）盾尾間隙差不得大于15 mm。

（5）盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)，根據(jù)實(shí)時(shí)參數(shù)，對(duì)管片適當(dāng)進(jìn)行糾偏，由掘進(jìn)方向，采用在管片外側(cè)貼片的厚度大小進(jìn)行糾偏，糾偏方向處貼片厚度不小于1 mm。

（6）下穿芙蓉大道段時(shí)，對(duì)盾構(gòu)機(jī)開挖面土體進(jìn)行改良，開挖面前出現(xiàn)超挖時(shí)及時(shí)通過注漿管進(jìn)行漿液充填。

（7）“勤測(cè)量”，根據(jù)實(shí)時(shí)測(cè)量的數(shù)據(jù)，經(jīng)計(jì)算后根據(jù)結(jié)果調(diào)整各區(qū)域的千斤頂?shù)目偼屏?，根?jù)掘進(jìn)中對(duì)地面監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降情況，及時(shí)對(duì)注漿參數(shù)調(diào)整，有效控制地表沉降［7］。

3" 盾構(gòu)下穿芙蓉大道沉降監(jiān)測(cè)及管控措施

3.1" 監(jiān)測(cè)范圍、頻率及警戒值

3.1.1" 監(jiān)測(cè)范圍

下穿芙蓉大道隧道前，提前與交通局等部門進(jìn)行溝通后，安排勘探人員對(duì)芙蓉大道地質(zhì)進(jìn)行詳勘，了解掌握芙蓉大道地質(zhì)情況，便于做出應(yīng)急措施。

根據(jù)本盾構(gòu)區(qū)間工程特點(diǎn)及地質(zhì)條件，盾構(gòu)施工期間監(jiān)測(cè)范圍為線路中心線左右各1.5H（H為隧道中心埋深）、盾構(gòu)切口前方30環(huán)至后方80環(huán)范圍內(nèi)，詳見圖6。

3.1.2" 監(jiān)測(cè)頻率

隧道內(nèi)視線較弱且車輛較多，考慮到人員儀器的安全，減少監(jiān)測(cè)受外界車輛振動(dòng)的干擾，確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。監(jiān)測(cè)頻率見表5。

裂縫觀測(cè)1～2考慮車流量較大保證早上5：00之前完成測(cè)量，如需加測(cè)晚上10：00以后進(jìn)行測(cè)量；如出現(xiàn)險(xiǎn)情請(qǐng)求總包單位協(xié)助指揮交通，并增加監(jiān)測(cè)頻率

3.1.3" 監(jiān)測(cè)報(bào)警值

監(jiān)測(cè)警戒值見表6。

3.2" 監(jiān)測(cè)結(jié)果

盾構(gòu)下穿芙蓉大道隧道期間，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降變化量均在可控范圍之內(nèi)，從2021年10月18日，截至2021年10月22日，最大變化量為SD17監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降值為-12.99 mm滿足穿越段控制要求（-30 mm，10 mm）。

3.3" 各階段管控措施

根據(jù)下穿越芙蓉大道隧道的工況及地質(zhì)特點(diǎn)，將下穿芙蓉大道分為3個(gè)階段，分別為盾構(gòu)穿越前試推進(jìn)階段（A區(qū)），盾構(gòu)穿越階段（特區(qū)）和盾構(gòu)穿越后階段（B區(qū)）。

3.3.1" 盾構(gòu)穿越前試推進(jìn)階段

掘進(jìn)時(shí)，盾構(gòu)切口至芙蓉大道隧道前50～10環(huán)時(shí)，作為盾構(gòu)試掘進(jìn)階段。

試掘進(jìn)階段，根據(jù)地面實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)情況沉降不斷調(diào)整、收集盾構(gòu)推力、推進(jìn)速度、泡沫量［9］、油脂兩、同步注漿和二次注漿的壓力與注漿量及出土量等［6］，在正式下穿芙蓉大道時(shí)，確定最合適的掘進(jìn)參數(shù)。

3.3.2" 盾構(gòu)穿越階段

芙蓉大道共33環(huán)，為保證穿越時(shí)進(jìn)行調(diào)整，選取芙蓉大道前后各10環(huán)范圍，共計(jì)約53環(huán)作為下穿芙蓉大道的穿越段。

下穿芙蓉大道時(shí)，先根據(jù)試掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行掘進(jìn)施工，再根據(jù)隧道內(nèi)測(cè)量及地表沉降數(shù)據(jù)對(duì)各施工參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。主要調(diào)整參數(shù)包含推進(jìn)速度、土壓、同步注漿和二次注漿量及出土量等主要施工參數(shù)。此外，還可通過增設(shè)注漿孔的管片及時(shí)對(duì)周圍補(bǔ)漿。確保穿越過程中芙蓉大道隧道的安全。

3.3.3" 盾構(gòu)穿越后階段

完成正式下穿芙蓉大道段后，選取盾尾脫出芙蓉大道隧道范圍后10～25環(huán)作為盾構(gòu)穿越后階段。

在穿越過程中，及時(shí)對(duì)盾構(gòu)四周土體進(jìn)行補(bǔ)漿，地表沉降較小，穿越后，漿液凝固脫水，可能產(chǎn)生后期地表沉降，對(duì)芙蓉大道隧道造成影響。故在穿越段后要根據(jù)沉降監(jiān)測(cè)情況進(jìn)行二次補(bǔ)漿。

4" 結(jié)論

黏質(zhì)粉土地層中穿越建筑物，采用“先詳勘、再試驗(yàn)、多注漿、勤測(cè)量、調(diào)參數(shù)、二次注漿”的動(dòng)態(tài)管理理念進(jìn)行沉降控制［3］，有效地控制穿越過程中建筑物的沉降。

在下穿芙蓉大道前設(shè)置試掘進(jìn)段，收集、整理黏質(zhì)粉土地層盾構(gòu)穿越建構(gòu)筑物沉降控制技術(shù)參數(shù)，總結(jié)合適掘進(jìn)參數(shù)。穿越時(shí)應(yīng)用同步注漿、超前注漿管、增設(shè)注漿孔等注漿措施控制隧道變形技術(shù)、控制盾構(gòu)掘進(jìn)速度及控制隧道沉降等技術(shù)，在施工過程中有效控制了沉降變形，為在黏質(zhì)粉土地層中盾構(gòu)下穿建筑物施工提供了一定的參考經(jīng)驗(yàn)。

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