超大直徑土壓平衡盾構復雜地層中下穿機場滑行道沉降控制技術研究

胡斌

（上海隧道工程有限公司，上海市200082）

0 引言

隨著城市化建設的發展，現代隧道工程除具備長大深的趨勢之外，在狹小空間的城市密集區、大型交通樞紐下穿機場等敏感地區進行大型隧道施工已無法避免，由此帶來的隧道周邊環境保護問題更加突出。而超大直徑土壓平衡盾構以其良好的地層沉降控制性能和較強的適應性正廣泛應用于城市密集區和環境保護敏感區的市政工程建設中。盾構隧道在含有微承壓水的灰色砂質粉土層中下穿機場滑行道，不可避免地會對周圍土體產生擾動，引起周圍地層損失及滑行道地基沉降，嚴重時會影響機場安全運營。因此，結合工程特點和實際地質條件，研究超大直徑土壓平衡盾構復雜地層中下穿機場滑行道的施工技術措施十分必要。

1 工程概述

迎賓三路隧道位于上海虹橋機場南側，沿東西走向，采用Φ14.27 m超大直徑土壓平衡盾構施工。隧道襯砌結構外徑13.95 m，內徑12.75 m，厚0.6 m，環寬2 m。盾構隧道主線最大縱坡為-5.5%，最小平曲線半徑為 R700 m，隧道全長1 860 m，管片共930環。根據工程設計施工圖，盾構在里程SK1+410～SK2+060即469環～793環將下穿機場滑行道，穿越機場滑行道段隧道上覆土厚度為22.891 m～27 m，如圖1、圖2所示。

圖1 盾構穿越機場滑行道示意圖

圖2 典型地層斷面分布圖

盾構下穿機場滑行道時，盾構主要在④T灰色砂質粉土，⑤31灰色粉質黏土夾粉砂，⑤3T灰色粉質黏土夾粉質黏土，⑦1T灰黃色粉質黏土夾粉砂，⑦2灰色粉細砂土層中掘進施工。根據該項目勘察測試結果，④T層微承壓水水位埋深5.83～5.76 m（-1.40～-1.53 m），⑦層承壓水水位埋深5.62～8.21 m（-1.62～-4.20m）。

該下穿段工程具有以下特點：

（1）穿越機場環境保護要求高、距離長。機場滑行道變形控制要求為：相鄰兩個坡度的差異沉降≤1.5‰；曲率半徑為變坡曲線的最小曲率半徑≥30 000 m。

（2）隧道軸線在下穿時平面位于R700左曲線上，豎直方向上則為-14‰～+3‰的變坡曲線段，雙向曲線段推進施工無疑給沉降控制和滑行道的保護帶來極大的挑戰。

（3）在位于滑行道下的盾構開挖面內分布著厚度3.1～12.9 m含有微承壓水的④T層（灰色砂質粉土）。該土層搖振反應迅速、干強度低、韌性低、滲透性強。飽和灰色砂質粉土開挖時，在一定水頭的動水壓力作用下易產生流砂、管涌現象，導致開挖面失穩；在地震等循環剪應力條件下有液化的可能，均對盾構施工沉降控制十分不利。

2 施工風險理論分析

PECK假定，盾構施工引起的地表沉降是在不排水情況下發生的，所以沉降槽體積等于地層損失的體積，并結合采礦引起地面位移的一種方法，提出了盾構施工引起施工階段地面沉降的估算方法。此方法假定地層損失在隧道上方均勻分布，地面沉降的橫向分布似正態曲線，如圖3所示。

圖3 地面沉降及沉降范圍預測橫向分析圖

此次盾構穿越段機場滑行道過程最淺覆土為25.9 m，按3‰的地層損失率控制來計算，地表的最大沉降為9.2 mm，最小曲率半徑為32 175 m，方能符合《國際民航公約附件十四》規定的機場跑道的控制標準（最小曲率半徑≥30 000 m）。

3 沉降控制措施

針對下穿盾構隧道各段埋深、地層情況不同，盾構施工參數必須根據各監測數據及時調整。為了能夠確定盾構下穿機場滑行道時的最佳施工參數，盡可能降低盾構下穿施工引起的地層沉降對滑行道的影響，將穿越機場滑行道控制區分為四段：盾構試驗段、穿越前控制段、穿越中控制段及穿越后控制段。

3.1 盾構試驗段

為了進一步研究施工參數對地表沉降的影響，在盾構穿越試驗段期間對土艙壓力、同步注漿量等關鍵施工參數進行調整（見圖4），為盾構穿越滑行道施工參數確定提供依據。

圖4 多點同步注漿示意圖

（1）在切口到達H96前，側壓力系數k在0.7～0.8之間小幅波動。切口到達H96后，側壓力系數k調整為0.86。切口前方土體由沉降逐漸過渡為微量隆起。

（2）H90后提高單環同步注漿量，注入率高達148%，且相同高度注漿管注漿量宜相同，由上而下注漿管注漿量比例為4：3：1.5：1。漿液采用新型的抗剪切砂漿，抗剪強度高，泌水率低，具有較好的抵抗周圍土體變形和管片上浮的能力。

對圖4各斷面地表沉降分析圖中切口到達前地表沉降發展趨勢進行對比分析可以發現，H90斷面在盾構切口到達前地表呈沉降趨勢，切口到達時的地表沉降量為顯著。其他斷面在盾構切口達到前呈先上抬后下沉的趨勢，H99斷面地表上抬量約4 mm。

盾構通過過程中各監測斷面地表均呈持續下沉趨勢。H96斷面受盾構停推和前期同步注漿效果欠佳的雙重影響，在盾構通過階段沉降增量最大（見圖5）。

從圖5可見，在盾尾脫出H90后四個監測斷面地表沉降曲線同時出現明顯的拐點。

3.2 穿越前控制階段

根據試驗段監測數據總結及參數反饋情況，制定正式穿越期間的合理施工參數，驗證土壓力設定、土體改良配比，進行改良漿液壓注操作，同時對盾構機進行一次全面檢查，排除一切故障隱患，進行磨合調整。

圖5 各斷面地表沉降分析圖

（1）開挖面穩定控制：驗證泡沫劑各項參數的準確性，保證穿越期間的土體改良效果均衡穩定，并將單環出土量與土壓力設定相結合，有效地控制欠挖或超挖。

（2）改良漿液質量：漿液的質量直接影響到管片與土體之間建筑空隙的填充效果，對控制滑行道沉降及自身隧道的上浮控制起到關鍵性作用。穿越過程中對于每環漿液進行指標（比重、坍落度）檢測，嚴格控制漿液質量。

（3）軸線控制：通過自動導向系統，嚴格控制各區油壓和千斤頂的行程，按照勤糾、少量的糾偏原則，使盾構沿設計軸線推進，避免盾構進行過大的糾偏。

3.3 穿越中控制階段

根據推進前控制段確定的各項參數進行均衡施工，同時根據實時自動化監測系統及人工復核情況對施工參數做微幅調整，降低盾構下穿施工引起的地層沉降。

（1）土倉壓力設定：土壓平衡盾構施工中正面土壓的設定至關重要。在試驗段的推進過程中，隨著盾構土倉土壓的增加，地表的沉降值明顯有減小。這主要是由于略大的正面土倉壓力迫使盾構切口前方土層產生一定的隆起，從而降低了后期的累計沉降。在過程中密切關注監測反饋信息，根據前期試驗段分析數據和穿越過程中沉降點的監測數據逐步微調土倉壓力，詳見圖6所示。

圖6 土艙壓力設置示意圖

（2）推進速度控制：盾構掘進速度控制在2 cm/min左右，盡量使盾構均衡、勻速地穿越機場滑行道，以減少對周邊土體的多次擾動影響，以免對其產生不利影響。

（3）同步注漿控制：注漿采用壓力、注漿量雙控原則，以壓力控制為主，注漿量控制為輔，以便對盾尾間隙產生最好的填充效果，減少盾尾土體損失。注漿壓力根據外界水土壓力加泵送管阻進行制定，并根據管片姿態及監測數據做適當微調。

（4）管片拼裝：嚴格控制管片的環面平整度及整圓度；通過封頂塊位置的合理選擇，控制盾尾間隙。減少拼裝和盾構停頓的時間，減少上方土體的沉降。當土倉壓力下降過大時，可通過推進模式摒土壓至設定值。

（5）隧道整體穩定性控制：盾構穿越滑行道區域所用管片內弧面縱、環向均布置預埋鋼板，管片拼裝完畢用鋼板將縱、環向預埋件焊接牢固。同時在管片端面安裝剪力銷，加強管片環與環之間的連接，提高隧道的自身剛度，控制隧道在可能液化土層④T層（灰色砂質粉土）中的穩定性，減少地表沉降。

3.4 穿越后控制階段

在該階段的施工過程中，合理逐步調整參數，使各項施工參數逐步過渡到常規段指標，同時密切關注滑行道穿越段的監測情況，必要時采用壁后壓力注漿應急措施。

若盾尾后沉降累積超過8 mm，即開始壁后壓力注漿施工。在管片內弧面預設的注漿孔位置插入鋅管，及時對隧道上方120°范圍土體進行深孔分層注漿，固定受擾動的土體，使地層及早地穩定，有效地減小地表的沉降。

考慮到盾構穿越的④T（灰色砂質粉土）土層位為微承壓水層，二次注漿漿液采用雙液漿。在注漿過程中，除嚴格控制水泥漿水灰比外，還應控制水玻璃的濃度和摻量，確保注入漿液初凝時間滿足配比要求，使漿液盡快凝固，減少漿液向周邊地層中的流失，同時避免地下水和漿液向隧道內的滲漏，如圖7所示。

圖7 注漿孔布置示意圖

通過以上沉降控制技術，Φ14.27 m超大直徑土壓平衡盾構下穿滑行道施工引起的累積沉降僅-9.03 mm，成功地將施工對滑行道的影響控制在保護標準（±10 mm）內。

4 結語

本文以上海虹橋樞紐內超大直徑土壓平衡盾構在含有微承壓水的④T（灰色砂質粉土）復雜地層中下穿機場滑行道盾構工程為背景，針對超大直徑土壓平衡盾構施工引起的地層沉降對滑行道影響，以及相應的控制措施進行了分析研究，得出如下結論：

（1）通過PECK法估算了盾構施工對機場滑行道的影響，并得知在只有當地層損失率需控制在3‰以內，方能將盾構施工對滑行道的影響控制在安全控制標準以內。

（2）通過對比分析試驗段各斷面的地表沉降曲線與盾構機相對位置關系，指出當超大直徑土壓平衡盾構在較厚的含有微承壓水的④T（灰色砂質粉土）地層中推進施工設定土倉壓力時，側壓力系數k應取0.86，高于以往上海地區的經驗取值（0.7～0.8）；同時單環同步注漿量已高達理論建筑空隙的150%，同樣高于以往110%～130%的經驗注漿率。這也說明了當盾構在較厚的含有微承壓水的④T（灰色砂質粉土）地層中施工時，盾構周圍的灰色砂質粉土很可能發生了液化，液化之后的土體強度急劇下降，呈流動狀，表現為土體側壓力系數k變大，同時漿液在很小的壓力下就劈裂了土體，導致同步注漿量增大。

（3）結合長距離下穿滑行道，沉降控制要求嚴，盾構軸線控制難度高等工程特點，除在草坪區布設盾構推進試驗段，還將盾構下穿施工分為三階段進行控制：穿越前控制段、穿越中控制段、穿越后控制段，分別制定施工措施，包括開挖面穩定控制、改良漿液質量、軸線控制、出土量控制、掘進速度、同步注漿控制、管片拼裝控制、隧道整體穩定性控制等，并給出具體的盾構施工參數。

（4）針對穿越后控制階段中累積沉降量過大時，提出壁后二次壓力注漿措施，布置增開注漿孔、進行深孔注漿，從而有效控制地表沉降。