地層加固對風險地段地鐵盾構隧道施工的影響

閆朝濤

(北京市市政工程設計研究總院有限公司，100082，北京∥高級工程師)

隨著城市軌道交通網絡的形成和城市現代化的發展，地鐵施工穿越鄰近構(建)筑物的現象越來越普遍，伴隨的施工風險也越來越高，而盾構法作為一種先進的施工方法也已廣泛地應用于地鐵區間隧道的施工中。在施工風險越來越大、盾構技術越來越成熟的當今，很多人過分看重或夸大了風險的存在，而忽視了盾構工法本身的風險控制能力，一味地強調增加輔助加固措施。殊不知，這樣不僅造成工程成本的增加、實施難度的加大，甚至可能對風險控制不利。本文結合具體工程的實施情況及監測結果，談談地層加固措施可能帶來的不良影響。

1 工程概況

北京地鐵某6 m直徑盾構區間穿越的橋梁為一座10 m+17 m+10 m三跨預應力連續梁結構，下部橋基為樁基礎，樁基上接承臺。其中，橋臺樁基的樁直徑為1000 mm，樁長16 m，為單排四樁承臺;橋墩樁基直徑為1000 mm，樁長22 m，為雙排四樁承臺。橋梁呈南北向布置，基本與東西向敷設的盾構區間呈十字交叉關系。盾構區間在橋區的埋深，左右線分別為9 m和14 m。兩線線間距約24 m，其中左線從1#、2#兩橋墩之間穿過，右線從0#橋臺南側(外側)穿過，其橋梁與盾構區間相對位置關系見圖1。

橋區由上而下的地層依次為①1雜填土、①素填土、③粉土、④粉質黏土、⑤1細中砂、⑥粉質黏土、⑦2粉細砂。其中，橋墩樁基底部位于⑦2粉細砂中，橋臺樁基底部位于⑤1細中砂中，盾構區間穿越地層為④粉質黏土、⑤1細中砂(見圖1)。

主要地層參數如下:

1)①1雜填土——容重 16.5 kN/m3，松散 ～中密;

2)①素填土——容重16 kN/m3，松散～中密;

3)③粉土——容重 20.3 kN/m3，中密，凝聚力c=16 kPa，摩擦角 φ =23°;

4)④粉質黏土——容重 19.7 kN/m3，軟塑，局部硬塑，c=19 kPa，φ =13°;

5)⑤1細中砂——容重21.0 kN/m3，中密 ～ 密實，c=0，φ =30°。

本場地有三層地下水，分別為上層滯水、潛水和層間水。上層滯水位于③粉土中，潛水位于⑤1細中砂中，層間水位于⑦2粉細砂中。

圖1 橋梁與區間隧道位置關系圖

根據橋區的地質水文條件、橋梁資料、區間與橋梁的位置關系等，確定施工風險最可能出現在盾構右線穿越橋區時，因此提出了如下幾種措施以保證橋梁的安全:

1)在盾構法施工區間合理調整掘進參數，控制盾構掘進姿態，以低速均勻通過橋區。

2)加固0#橋臺樁基底部的周圍土體，以減少橋基沉降變形(加固情況見圖2)。加固后的土體要求具有良好的均勻性、整體性，無側限抗壓強度為1.0 MPa。

3)設置支座千斤頂，控制橋面梁體變形。

圖2 0#橋臺樁基底部土體加固圖

2 施工情況

0#臺樁基底部土體加固采用袖閥管雙液漿定向定量加固技術。鉆孔采用全液壓RPD－130C鉆機斜向鉆進，共計150個孔，用時約20天。

左右線盾構區間施工分別由2家單位完成，其中左線采用面板式土壓平衡盾構機推進，右線采用輻條式土壓平衡盾構機推進。盾構刀盤轉速控制在0.9～1.2 r/min，掘進速度控制在 20 ～30 mm/min;同步注漿選用水泥砂漿，注漿壓力控制在0.16～0.2 MPa，二次注漿選用水泥水玻璃雙液漿，注漿壓力不大于0.4 MPa。盾構推進方向由東向西進行，左線盾構先行通過橋區，右線盾構后行通過橋區。兩線采用了不同的掘進模式施工，橋梁出現了不同的變形狀態，但地層變位及橋梁的變形均處在控制的指標范圍內。

3 監測

3.1 理論計算的地層變形量

根據北京地區修正的PECK公式計算結果，盾構掘進造成地面最大沉降量為8 mm;按FLAC軟件三維數值計算結果，盾構區間左右線推進產生的最大地層沉降量為9 mm，最大差異沉降量為2.4 mm。

3.2 橋梁變形控制指標的確定

根據上述計算結果并結合相關單位提供的橋梁評估報告，最終確定橋梁變形按如下指標控制:橋梁墩臺隆陷量為±10 mm;相鄰墩臺的差異沉降為5 mm，墩臺傾斜率為2/1000。

3.3 監測點布置

為了監控地層加固過程中和左右線盾構分別通過橋區過程中的橋梁變形情況，分別在橋梁各墩臺、橋梁兩側50 m范圍內的地面上布置了變形觀測點。對橋梁墩臺上的測點在土體加固、盾構通過前后進行重點觀測，對橋梁兩側地面上的測點在盾構到達前和通過后進行重點觀測，目的是獲得左右線盾構掘進對地層變形的影響，判斷盾構的行進姿態。

4 監測結果

根據第三方監測單位提供的監測數據，分析比較了土體加固、左右線盾構通過橋區三種工況下的地面及橋梁變形曲線圖，發現如下現象:

1)0#臺樁基底部土體加固使0#臺、1#墩產生較大變形，墩臺均出現4～5 mm的下降，變形曲線呈現加固開始時變形較大，而后逐漸變小的特點(見圖3、圖4)。這說明土體加固在其施工期間對橋樁影響是不同的:成孔時土體松馳橋樁受擾出現沉降，而注漿過程土體填充并受壓后帶動橋樁向上位移，并隨著漿液的凝固，使土體與樁體保持在一個穩定的狀態。

圖3 0#橋臺累計沉降變形曲線

圖4 1#橋墩累計沉降變形曲線

2)左線盾構在通過橋區過程中橋梁兩側地面一直處于隆起狀態(見圖5)。通過橋區時，左線區間兩側1#橋墩、2#橋墩均表現為隆起變形，最大隆起量5.7 mm，發生在左線二次注漿過程中。整個過程盾構姿態處在飽壓掘進狀態，土倉壓力大。圖6、圖7分別為1#橋墩、2#橋墩在左線盾構通過時的隆起變形曲線圖。

圖5 2#墩東側20 m處地面累計隆起變形曲線

圖6 1#橋墩累計隆起變形曲線

圖7 2#橋墩累計隆起變形曲線

3)右線盾構在通過橋區過程中橋梁兩側地面一直處于下沉狀態(見圖8)。通過橋區時，右線區間緊鄰的0#橋臺表現為沉降變形，最大沉降量為4.4 mm，發生在右線管片脫出過程中。整個過程盾構姿態處在欠壓掘進狀態，土倉壓力偏小。圖9為0#橋臺在右線盾構通過過程中的沉降變形曲線圖。

圖8 0#橋臺東側30m處地面累計沉降變形曲線

圖9 0#橋臺累計沉降變形曲線

5 結語

理論計算的地層變形與盾構施工實際監測結果并不相符，究其主要原因如下:

1)理論計算假設條件偏于理想，地層的實際狀態如不均勻性、各向異性、不連續性及地下水影響等均無法在計算模型中得到真實模擬;

2)實際施工中水土流失、掘進參數選用、時空效應、盾構施工操作人員的技術水平和熟練程度等都會直接影響地層最終變形的結果，這些因素在理論計算中也無法得到體現。

本工程的地層加固作為盾構區間施工的一項輔助措施，其對橋梁的影響不亞于區間盾構推進對橋梁的影響。這意味著土體加固可能是一個潛在的風險點，其危害程度同樣值得引起重視和研究。而類似的輔助措施可能會對保護對象產生不同的加強或消弱作用，破壞原有的平衡狀態，有時反而不利于施工風險的減少。

我國于1966年開始施工的第一條盾構隧道——上海打浦路過江隧道，距今有近50年的時間，在這幾十年的時間里，我國的盾構施工技術及管理水平有了長足的發展，積累了豐富的施工經驗，盾構施工的風險控制技術也愈加成熟。因此，盾構隧道的風險控制主要應考慮通過盾構自身的技術加以解決，而非盲目選用加固措施。

［1］張鳳祥，朱合華，傅德明.盾構隧道［M］.北京:人民教育出版社，2004.

［2］何川.水下隧道［M］.成都:西南交通大學出版社，2011.

［3］陳饋.盾構施工技術［M］.北京:人民教育出版社，2009.