盾構小曲線半徑下穿注漿加固建筑群分析

董 禮

(中鐵二十局集團有限公司 陜西西安 710016）

1 引言

隨著我國城市化進程的加速推進，以盾構為代表的機械化施工在地鐵、綜合管廊等隧道工程中應用越來越多，在盾構掘進過程中，不可避免地要下穿纜線、管道及建筑物等，為了確保地下管線和地面建筑安全，需要對地層做預加固處理，并優化盾構掘進參數，控制沉降。

目前，國內外對盾構掘進過程影響研究主要集中在兩個方面:一方面是掘進過程中對周圍管線、道路及建筑物的變形破壞影響及控制，在盾構施工前對區域地層進行預加固處理，以保證其安全，并在加固方法上進行了大量研究[1-4]；另一方面是掘進過程中對盾構周圍土體變形機制研究，主要包括正常掘進直線段、特殊地質條件掘進段、曲線掘進段、小半徑曲率掘進段等。姜忻良等人[5-8]通過對盾構掘進過程的監控量測，研究了土體沉降和水平變形的規律；徐永福等[9]對直線段隧道盾構掘進過程中周邊土體的土壓力進行監測，根據土體應力狀態變化分析了土體的擾動程度。蔣洪勝和侯學淵[10]通過對直線段隧道盾構掘進穿越地下污水管道過程中周邊土體位移進行監測，分析了盾構穿越交疊隧道過程中對周邊土體的擾動規律。對小曲率半徑轉彎盾構隧道的研究，徐輝等人[11-12]從盾構機機械特性角度介紹如何實現和控制小曲率半徑轉彎。從以上研究中不難發現，目前研究方向主要集中在盾構直線段、曲線段及小曲線半徑掘進過程對擾動的位移、孔隙水壓力及加固后的建筑物變形監測，注漿加固后建筑物變形歸根到底還是由于掘進過程中對土體擾動引起的，同時對于預注漿加固后的建筑群，盾構機在小曲率半徑掘進過程中對土層的擾動情況存在空白，因此對該問題進行研究是十分必要的，對于類似工程盾構機的掘進速度及土倉壓力調整具有指導意義。

本文以石家莊地鐵三號線水上公園站-柏林莊站區間350 m半徑小曲率轉彎下穿預注漿加固建筑物為例，通過監測盾構機轉彎過程中土體的分層豎向變形及水平位移數據，研究其規律及特點，同時對比直線段及曲線段特征規律，提出該條件下土體變形特征，為該工況下掘進施工提供技術支撐。

2 工程概況

2.1 區間概況

石家莊地鐵三號線水上公園-柏林莊站區間位于聯盟西路下，呈東西走向，后右轉彎至中華北大街路下，呈南北走向，采用盾構法施工。區間隧道起點里程為左/右DK1+852.6～DK3+253.3，區間右線全長1 400.7 m，左線全長1 426.4 m(含長鏈25.7 m）。線路縱斷面呈V字形坡，線路最大縱坡為25‰上坡，最小曲率半徑為250 m，管片外徑為5 m，隧道頂板埋深為10.3～17.3 m。區間穿越地層約80%為砂層(細砂，中粗砂，含卵中粗砂），工程地質較差。隧道上方建筑物密布，多為磚混結構，條形或自然基礎。設計和安全評估要求建筑物變形控制標準為:地表沉降速率≤1 mm/d，累計沉降≤20 mm，建筑物局部傾斜≤0.002。考慮確保盾構準確掘進，實現沉降控制確保建構筑物安全，采取地表注漿加固后穿越，監測斷面位于高柱小區65號樓上行線，如圖1所示。

圖1 線路平面示意

2.2 建筑物地表注漿加固

注漿加固采用袖閥管注漿工法，袖閥管注漿工法是在內壓力的作用下，將包裹在PVC外的橡膠圈脹開和套殼料擠碎。當壓力逐漸增大到一定程度，被加壓的漿液就會沿著地層結構產生充填、滲透、壓密、劈裂流動，此時由于供漿量小于進入量，壓力會自動恢復到平衡狀態，續后的漿液在壓力作用下，使得劈裂裂縫不斷向外延伸，漿液在土體中形成固結體，從而達到增加地層強度，降低地層滲透性的目的。

本工程加固區主要為黃土狀粉質黏土和粉細砂，硬塑，弱透水及中等透水，具體參數見表1。

表1 高柱小區地下土層力學指標

主要通過滲透和劈裂方式加固土體。由于漿液在黃土中流動困難，因此漿液膠凝時間、注漿壓力取大值，注漿速度取小值。擴散半徑:擴散半徑指漿液能符合設計要求的擴散距離，跟注漿壓力、地層及漿液滲透系數、注漿時間、水灰比、漿液材料粒徑等相關，施工中按經驗值選取。一般粉細砂層0.5～0.8 m，本工程通過試驗確定擴散半徑選0.5 m。排孔布置，注漿孔位以1.414 m×1 m，梅花形布置，如圖2所示。

圖2 注漿排孔布置（單位：cm）

膠凝時間:根據設計說明，采用42.5普通硅酸鹽水泥單液漿，水灰比0.45∶1～0.55∶1，根據注入性，初凝時間取6～8 h。注漿速度:根據經驗，黃土狀粉質黏土層注漿速度取20～40 L/min，砂層取40～60 L/min。本段的注漿孔總計為108個，注漿孔深為17.9 m，注漿量705.3 m3，剖面如圖3所示。

圖3 高柱小區64號樓注漿加固剖面

3 監測方案及分析

3.1 測點方案

本次監測主要監測各層土體豎向位移、外側水平位移及內側水平位移，布設如圖4所示，豎向位移采用單點位移計進行布設，豎向每個3 m布設一個，水平間距為2 m，測量精度為0.01 mm，內、外水平位移采用測斜儀，測量精度為0.1 m，分別設在盾構兩側外1 m處。

3.2 盾構機掘進參數

本工程選用中鐵建重工ZT6250土壓平衡盾構機，采用輻板式刀盤，刀盤開口率和刀盤強度通過試驗調整了均衡參數，刀盤刀具配置、耐磨設計等按照滿足一次通過1.4 km密實砂層及小曲率半徑不換刀的要求設計。通過小半徑曲線時，中間及尾部鉸接形式為被動鉸接，鉸接油缸規格180/80 mm，鉸接最大收縮力為1 000 t，鉸接最大轉向角度1.3°，在使用1 500 mm管片時盾構最小轉彎半徑250 m。為了防止在刀盤內形成土拱，針對砂層自立性差及改良相對困難的特點，配置了膨潤土系統，膨潤土系統配置兩臺擠壓泵，最大注入流量10 m3/h，土倉壓力為5 MN，推進速度為4.0 m/h。

圖4 監測平面布置（單位：m）

3.3 預注漿段掘進監測分析

3.3.1 土體豎向分層位移

盾構掘進過程中主要分為5個階段，即刀盤預到達階段、通過階段、管片閉合階段、注漿加固階段及二次補注漿階段。預到達階段:刀盤壓力較小時，土體會產生沉降，壓力較大時會產生上拱。通過階段靠盾殼支撐土體較為穩定。管片閉合階段，由于管片與土體存在空隙，多數會存在沉降。注漿加固及二次補注漿階段填充管片與土體間空隙，加固土體。

盾構掘進過程中，隧道縱斷面土體變形如圖5所示，縱軸正值代表沉降，負值代表上拱，橫軸代表刀盤與監測斷面位置關系，負值代表未到達監測斷面，正值代表經過監測斷面。

圖5 盾構機掘進過程中各層土體分層變形值

第一階段豎向變形不明顯，上下波動在1～2 mm，主要原因是掘進還未對土體造成實際擾動，該階段位于盾構監測斷面之前，引起沉降是由地下水位沉降和開挖面過量取土引起的；第二階段盾構快要通過該斷面，由于土壓控制不足，土體變形引起沉降或隆起；第三階段由土體沉降轉變為上拱，較小且沉降逐漸收斂，這與未加固土體產生較大沉降相比，原因主要是土體一側進行了注漿加固時水泥漿液在土體中通過滲透進入了未加固土體；第四階段上拱持續發生且不收斂，達到20 mm；第五階段主要有上拱轉變為沉降變形，開始趨于穩定且收斂。

3.3.2 土體水平位移監測

盾構機掘進過程經過監測斷面時土體水平位移如圖6、圖7所示，其中圖6位移為建筑物地基加固側(外側）水平位移，距隧道軸線距離為4 m，圖7為隧道內側水平位移，距隧道軸線距離為4 m，位移向管道外側為正，向內側為負。

圖6 盾構外側土體水平位移

圖7 盾構內側土體水平位移

(1）盾構外側土體水平位移

由圖6可知，土體水平位移普遍存在上拱現象，盾構過程對上部土體擾動現象明顯大于側向，由于部分土體進行了預加固注漿，土體變形較為平緩，這與小曲率半徑掘進土體擾動情況有所不同，監測斷面土體變形主要分為5個階段:第一階段，盾構機尚未到達，隧道上部機側向變形較小，無明顯擠土現象；第二階段，變形逐漸變大，管片側向較為明顯，最大變形2.4 mm，變形不穩定且不收斂；第三階段，變形持續變大，最大變形3.9 mm，中后期變形開始收斂，變形收斂過程由盾構機側面向上部逐漸發展；第四、五階段，變形略有回縮，但是變形量很小，因該階段主要進行管道拼裝，對土體無明顯擾動。隧道轉彎時外側管片下側土體出現較小的位移，管片土體由近到遠上拱量依次減小，水平位移情況出現與之前研究直線段及曲線段土體擾動情況不同，主要是由于注漿原因引起的變化，管片側向土體強度大于上部土體強度，故產生了一定的上拱變形。

(2）盾構內側土體水平位移

由圖7可知，與外側土體擾動情況不同，隧道上部土體明顯小于側向土體，各層土體擾動向外位移，位移較為均勻，盾構機通過監測段面各階段情況如下:第一階段，變形量較小；第二階段，位移向外持續發生，盾構機側向土體變形最大為2.5 mm，上部土體變形明顯大于下部土體；第三階段，中后期變形開始收斂，最大值為2.7 mm，第四、五階段，變形略有震蕩，主要是由于安裝管片、注漿及二次補注漿引起。

4 結論

本文通過對盾構機以小曲率半徑穿越注漿加固建筑物的土體進行監測，得到如下結論:

(1）隧道上方土體受外側建筑預加固及小曲率轉彎雙重影響，豎向變形在直線段及曲線段存在明顯差異，以往盾構多是以控制沉降為主，而該工況下存在上拱，最大上拱量為40 mm，建議在該工況下減小刀盤土壓，降低速度。

(2）盾構外側土體水平位移主要發生在盾構上部土體，受預加固地基影響，下部無明顯變形，因此上部及下部位移不協調，上部最大位移3.9 m，下部最大位移1.5 m，這與以往是截然不同的。盾構內側土體水平位移主要發生在管片周圍，出現兩頭小中間大的趨勢，最大位移量為2.7 mm。

(3）盾構掘進對地下管線及地面建筑的影響，其本質是土層受到擾動的結果，本次研究可以得出在小曲率半徑穿越預加固建筑物時，水平位移不大，豎向向上位移較大，而且很容易引起地面上拱，因此施工中要引起注意。