天津地鐵首次下穿海河施工過程中的參數控制分析

□文/王延鵬

天津地鐵首次下穿海河施工過程中的參數控制分析

□文/王延鵬

天津地鐵2號線東南角站至建國道站區間盾構施工成功穿越了海河，為天津地鐵首次成功穿越河底復雜地質，對盾構掘進參數進行系統、合理的理論分析，確保了盾構施工的順利進行，為天津地鐵后續大規模建設穿越河流、湖泊的盾構區間提供了可靠、詳實的經驗。

地鐵；盾構隧道；穿越海河；參數控制

1　工程概況

天津地鐵2號線東南角站至建國道站區間左線長845.818 m（共計705環），右線長859.424（共計717環）；盾構隧道在始發后203～293 m（169～244環）穿越海河，穿越段長度90 m，河床底至區間隧道的最小覆土厚度僅為7m，見圖1。

圖1　海河河床標高

海河最低位置主要土層從上到下依次為淤泥（2.7 m）、粉土（1.2 m）、粉砂（2 m）、粉土（1.8 m）、粉砂（3.3 m）、粉質粘土（3.8m）。隧道掌子面土層主要是粉土和粉砂層，見圖2。

由于海河流速緩慢，河底淤泥層較厚，據地質勘查成果顯示，淤泥層厚度已達到3 m左右，而隧道的最小覆土厚度僅有7 m，實際有效最小覆土厚度為4 m。另外，隧道斷面范圍以內主要的土層為72、74粉土、粉砂層，其含滲透系數大，含水量豐富，對盾構施工極為不利。考慮到這些不利因素的存在必須在盾構掘進前進行系統的理論分析，確定最優的、科學合理的施工參數。

圖2　海河段地質斷面

2　土壓力的確定

根據經驗土倉壓力的計算公式為

式中：γ為土重度，可以對土層加權平均求得；h為隧道中心埋深；k為靜止側壓力系數，按天津地區經驗取0.5。

由于河床斷面形狀是不規則的，不能簡單的采用土體重度×深度的方法計算，必須綜合考慮漸變的覆土厚度所產生的靜止土壓力。

河兩側土體荷載直接為一常數，設為Q，但河底的荷載為一變量。依據法國學者布辛尼斯克解，地基表面作用一個豎向集中力P，則地基中任意一點的豎向附加應力為

式中：P為集中荷載；z為計算點埋深；R為計算點與荷載距離。

將河床底面以上部分的荷載均看做附加荷載，根據圖3，附加應力積分公式應為

由于在y軸方向，荷載為一固定值，式（3）可以化簡為以下形式

圖3　荷載簡化

根據實際測量，本區間過海河河底斷面類似于拋物線形，為此河道內的水土荷載可以設為f（ξ）=αξ2+ bξ+c。

為計算σx，首先必須得出f（ξ），g（ξ），根據實測海河河底標高進行擬合。按照一般情況下，最深處在河流的中部區域，因此設b=0，得出河床內的水土壓力函數如下

將f（ξ）代入式（4）中，得出附加荷載計算公式

由于積分后所得代數式冗繁，為此編制成計算程序計算，主要的計算參數見表1。

表1　土體側壓力計算參數

最后得出盾構隧道在距離海河中心的土壓力取值見圖4。

圖4　海河段土壓力取值曲線

實際在河底最低段操作時，土倉壓力的設定值稍大于理論計算，主要原因在于根據實際掘進過程中的分析，河底土層含水量比普通段稍大，考慮土體的側向壓力系數需上調，另外河水水位可能存在波動，為了防止水位上升造成壓力增加，導致設定的土壓力太小，出現超挖現象，適當將覆土厚度最小處土倉壓力增加了20kPa，即從河岸至河底段土倉壓力減小至0.16 MPa后不再繼續減小，直到通過最小覆土地段，土倉壓力值重新按照理論計算嚴格控制。

3　同步注漿量的確定

注漿壓力注漿量為試驗段的重點分析參數，該數值的準確分析直接關系著整條隧道的施工是否順利。一般來講地面沉降受到盾構施工對周邊土體擾動的影響、地層損失的影響、管片受力變形的影響還有地層自身的固結沉降，但起決定作用的還是地層水土損失，為此必須做好同步注漿。

一般情況下，注漿量m與地面沉降y應該成一條類似于反比例函數的關系式。根據大量施工經驗，y-m曲線都能較好的反應漿液注入率與地面沉降的關系，而且在y-m曲線上能反應出當注入率達到一定值后，再增加注漿量對沉降的貢獻已不明顯。

由于過海河段必須防止漿液擊穿河床，注漿壓力不允許過大，因此注漿量只要能達到填充即可。對應的在y-m曲線上找出曲線變化平緩段的起點作為注漿控制點即可。為了能更好找到控制點，可以繪制m-l ogy曲線。

東南角—建國道站區間右線盾構施工時，第1～50環姿態調整頻繁，而且盾構司機處于地質情況摸索階段，各類參數受到綜合因素的影響，為此選擇第65～100環數據進行分析，見表2。

表2　注入率與地面沉降關系統計

根據表2可繪制出曲線，見圖5。

圖5　注入率與地面沉降的實際關系

根據曲線可以分為3段。第1段為漿液不足階段，在此階段內漿液注入率不足，注入率的增大對地面沉降的抑制效果明顯，但仍未達到建筑空隙的充分填充。

第2階段為壓力增長階段，在此階段盾構同步注漿壓力會隨注漿量的增大而顯著的增大，但注入率的增加對地面沉降的抑制已放緩，說明建筑空隙已得到有效的填充。

第3階段，當注入率達到180%以后，再加大注漿量，地面沉降已基本不再減小，而此時對地面沉降起決定性作用的為盾構的其他方面控制。

為此在本區間過海河段的最大注入率即可初步控制在150%～180%，超過180%意義不大，而且還可能導致注漿壓力增大造成河底覆土擊穿。

4　同步注漿壓力確定

4.1注漿壓力值確定

盾構通過后，刀盤切削直徑為6.36 m，而管片的外徑為6.2 m，在管片與圍巖之間存在土體的損失，該損失由同步注漿進行彌補。注漿壓力也是一個重要控制參數。注漿的最佳狀態及開挖洞圈與管片之間體積無損失，即開挖后圍巖向隧道方向的力與面積變化完全由注漿抵消。一個可行的方法是分析注漿壓力與孔隙體積變化量的關系進行確定。

采用有限元分析軟件建立二維模型，土體單元采用修正劍橋模型，主要的計算參數見表3。

表3　土層計算參數

模型的計算分為2步。

第1步建立整體模型，進行初始平衡計算。第2步開挖隧道，直徑6.36 m，同時在開挖洞圈周邊施加注漿壓力，注漿壓力設定為0.2、0.3、0.4 MPa三種情況。

計算完成后，通過圍巖單元節點的位移情況判斷洞圈開挖后，同步注漿壓力能否保證地層無損失。以下是普通段地面（隧道埋深18 m）和在河底隧道埋深為7m情況下的兩種注漿壓力，見圖6。

圖6　注漿壓力與體積增量曲線

由圖6可以得出，在普通段注漿壓力應控制在0.28 MPa以上。而在過河段最小覆土厚度注漿壓力應控制在0.22 MPa左右。由于河底的覆土厚度是變化的，為此將注漿壓力與土倉壓力進行關聯。

為便于控制，實際施工中可將注漿壓力統一取為土倉壓力的1.5倍。另外由于盾構機所測定的注漿壓力并非注漿出口處的壓力，因此實際操作時的注漿壓力還必須適當增加0.05～0.1MPa左右。該0.05MPa可通過試驗段進行確定，依據表2繪制出注漿壓力與注入率的曲線見圖7。

圖7　注入率與注漿壓力曲線

由圖7可以看出，當注入率達到150%時，注漿壓力開始顯著上升，說明0.33MPa為應取的最小注漿壓力值控制值，而根據理論分析，所需的理論注漿壓力僅需要0.28 MPa。實際與理論存在0.05 MPa差別，可以認為是管路阻力造成。

4.2注漿實際數據統計

表4左線在河底最小覆土地段10環的注漿壓力與注漿量的統計。

表4　左線最小覆土厚度出注漿

根據表4，盾構在河底覆土最小地段的平均注漿壓力0.29 MPa，平均注漿量為2.82 m3，注入率基本等于150%。

5　盾構掘進速度的選擇

掘進速度的設定對盾構工程的進度安全均具有重要的意義，在海河河底的掘進應是平穩快速掘進或者是緩慢掘進，干干停停，但反復的調整反而是不利的。根據以往的大量施工經驗，認為盾構的掘進速度控制在50mm/min較為合適。

盾構雙線在穿越海河掘進過程平穩、順利，管片拼裝良好無滲漏，姿態符合規范，說明在河底選用快速通過原則可行，而且快速通過能減小風險暴露時間，防止風險情況的發生。

6　其他參數的選擇

6.1刀盤扭矩

為減少對開挖面和周圍土體的擾動，達到控制河床隆起和沉降的目的，刀盤采用低扭矩低旋轉速度向前挖土，刀盤轉速設定在0.7 MPa以內，扭矩設定在2000kN·m。

6.2千斤頂總推力

過河段原則上應采用低推力推進，減小對土體擾動，設定值＜20000kN。

6.3出土量

出土量控制原則是掘進時實際出土量略微小于理論值，即適當欠挖。

每環理論出土量π/4×D×L=3.14×6.362×1.2/4=38.10（m3）。

式中：D為盾構外徑，m；L為管片長度，m。

盾構正常掘進出土量宜控制在理論值的98%～100%，即37.34～38.10m3。

掘進過程中，出土量必須與土倉壓力、掘進速度相對應并在減速掘進時減小出土量，以保證姿態的平穩。

7　結論

東建區間盾構右線穿越海河整個過程，每日平均進度10環，最高12環；左線每日平均進度9環，最高13環。盾構的實際施工過程中，通過對海河的巡視，未發現海河河面出現異常，無任何氣泡產生，說明盾構運行平穩，對地層的影響極小，各種壓力參數分析正確，未出現河底異常。

通過對施工參數的研究，有效指導了盾構隧道順利通過海河，總結出了一套參數分析方法。

1）土倉壓力。應將河床實測深度擬合為函數曲線，最后利用布辛尼斯克解求解出變化段每一點的土倉壓力取值。

2）注漿量。主要通過收集試驗段注入率與地面沉降的數據，繪制出注入率與地面沉降曲線，找到第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ階段的分界點，作為注漿量的控制點。

3）注漿壓力。在試驗段主要通過繪制注漿壓力注入率曲線找出漿液壓力開始發生較大變化的點作為試驗段的注漿壓力控制值。

□DOI編碼：10.3969/j.issn.1008-3197.2015.01.016

□U45

□C

□1008-3197（2015）01-45-04

□2014-09-24

□王延鵬/男，1978年出生，工程師，中鐵一局集團天津公司，從事地鐵施工管理工作。