泥炭土層盾構施工地表沉降控制措施

孟小榮

（西安市長安區大峪灌區管理站,陜西 西安 710103）

1 引言

盾構施工法是當前我國各大城市地鐵施工的主要方法,而土壓平衡盾構相較于泥水平衡盾構方法具有施工噪音小,施工環境好,安全性高等諸多優點,逐漸成為各地區地鐵施工主要采用的施工方法,尤其適用于黏土、軟土、泥炭土等軟質土層施工。昆明地鐵6 號線主要穿越泥炭土地層,土壓平衡盾構施工當然成為首選施工方法。泥炭質土由于其富含有機質以及高孔隙比、高含水率、高壓縮性的物理特性給土壓平衡盾構施工帶來前所未有的挑戰。各種地下隱伏工程施工所帶來的主要問題就是由于施工對原狀土層的擾動造成地表的不均勻沉降而對地表各種建筑的穩定產生影響,現實生活中,常見地鐵穿越區域上方道路出現坑陷,即是這種影響的常見表觀體現。研究土壓平衡盾構施工所造成的地表不均勻沉降對上方道路和臨近建筑產生的影響是當前研究重點,國內外也取得了不少重要成果[1-4]。探明在泥炭土層中進行土壓平衡盾構掘進施工的地表沉降的有效控制措施,能為今后在該類土層中進行土壓平衡盾構施工提供經驗以供參考。

本文利用Plaxis3D 數值模擬軟件開展了針對土壓平衡盾構隧道掘進過程中,同步注漿層（等代層）力學性質和二次注漿加固對地表沉降的影響,同時通過變換縱向掘進坡度,獲得昆明地區泥炭土掘進施工普遍適宜的等代層力學性質指標及下穿臨近建筑物時應采取的施工措施。

2 土壓平衡盾構和Plaxis3D

土壓平衡盾構施工通過盾構機前方刀盤旋轉切削土體,千斤頂不斷頂進向前掘進施工,刀盤直徑大于盾殼直徑,由此造成的土體和殼體之間的間隙通過同步注漿方式進行填充,從而使隧道上方底層不至于產生過大沉降變形,避免對地表各類建筑帶來安全隱患。掘進時,由于刀盤旋轉擾動土層,常使盾構上方土體發生塌方,造成單環掘進時,出土方量過大,而使該環上方出現較大空腔,工程師通常通過對各環掘進時出土方量的判斷而決定是否采取二次注漿對改環上方形成的土層進行加固。也即同步注漿和二次注漿是土壓平衡盾構掘進施工中控制地表沉降的主要措施。

Plaxis3D 的有限元計算基本步驟見圖1。

圖1 計算基本步驟

3 模型構建

根據對工程穿越地層的勘探資料,模擬時構建65 m×50 m×25 m（長×寬×高）的模型,底部與側面邊界施加全約束,上邊界自由,模擬實際地表。模型從上到下包含三個地層,一次為素填土、粉質粘土與泥炭土。各層厚度為3 m、4 m、8 m,模型中各土層分布見圖2。

圖2 模型土層分布

設計隧道洞徑6 m,掘進長度為50 m,左右洞中心間距為14 m,隧道在泥炭土層中掘進,隧頂埋深為6 m。設計每環混凝土管片含有16 個同步注漿孔,注漿管的直徑為3.2 cm,假設設計采用的同步注漿壓力足夠大,能夠壓開每個注漿孔確保每個注漿孔都能有效注漿。采用廣泛使用的水泥漿作為同步注漿漿液,水灰比設計變化區間0.6～1.0,注漿壓力為0.2 MPa～0.5 MPa。模擬中,按照實際施工中的管片寬度設計,每環管片掘進1.5 m,沿洞軸方向向前掘進開挖,共掘進33 次。設計地表三種工況模式進行計算：（1）隧道上方無建筑；（2）隧道右側有建筑；（3）隧道正上方有建筑。

4 計算結果

（1）隧道上方無建筑

設計土壓平衡盾構掘進施工分別采用0‰、10‰、20‰和30‰的縱向掘進坡度。賦值材料力學特征屬性,施加邊界約束條件后計算至平衡生成初始地應力場,使土體在自重作用下達到力學平衡狀態。按照設計的每環掘進1.5 m,開挖掘進第一環,模擬掘進過程中,在前方掌子面處施加支護壓力,支護壓力大小由計算獲得,以模擬盾構機前方刀盤對土體的支護作用,隧道管片及同步注漿層采用板單元,左右兩環同時向前依次掘進33 環。隧道中心線正上方地表每間隔5 m設置一監測點,監測隧道掘進過程中的地表沉降。結果見圖3。

圖3 盾構不同掘進坡度下的豎向位移云圖

經過模擬計算,土壓平衡盾構掘進施工下穿空地時各縱向掘進坡度的地表沉降數值模擬計算結果見圖4。縱向掘進坡度為0‰時,隨著盾構機不斷向前掘進,地表產生的最大沉降值為4.83 mm,能夠滿足沉降控制要求,縱向掘進坡度為10‰時,隨著盾構機不斷向前掘進,地表產生的最大沉降值為6.24 mm,也能夠滿足沉降控制要求,縱向掘進坡度為20‰時,隨著盾構機不斷向前掘進,地表產生的最大沉降值為7.12 mm,同樣能夠滿足沉降控制要求,縱向掘進坡度為30‰時,隨著盾構機不斷向前掘進,地表產生的最大沉降值為8.27 mm,同樣能夠滿足沉降控制要求,由此可見,當地表上方無建筑時,通過同步注漿方式形成等代層填充盾構機殼體和土層之間的空腔,該方式產生的作用能夠有效控制地表沉降,使地表沉降滿足沉降控制要求。

圖4 隧道軸向沉降曲線

（2）隧道右側有建筑

根據現場實際,盾構隧洞其建筑樁基與隧道右洞最小距離僅為152 mm,施工擾動大,而更具有挑戰的是掘進過程中盾構刀盤與樁基最小凈距僅為12 mm,見圖5。模擬時,初始地應力場與地表上方無建筑時顯然不同,經過計算,建筑整體傳遞至基底荷載為90 kN/m2。根據其樁基布置形式和樁的直徑,以及摩擦樁樁側阻力的分布特征,計算獲得樁底最大摩阻力為500 kN/m,樁頂摩阻力為200 kN/m,隧道設計圖見圖5,所構建數值模擬模型見圖6。樁基為素混凝土樁。掘進施工過程同地表無建筑時的掘進施工過程,而控制地表沉降措施除采用同步注漿外,還采用二次注漿加固方式,設計二次注漿厚度為0 m、1.5 m、2.4 m 和3 m,盾構掘進坡度按實際控制,設置為28.33‰。

圖5 市麗康時裝廠與隧道結構相對位置示意圖

圖6 盾構施工下穿建筑模擬模型示意圖

隧道下穿地層上方有臨近建筑,且盾構機向前掘進時距離臨近建筑越近,地表沉降將越大[5],故在盾構掘進距建筑基礎最近處,即設計掘進25 m 處,并在此處設置監測剖面。二次注漿層厚度分別為0 m、1.5 m、2.4 m 和3 m 的數值模擬計算結果見圖7,有圖可知,二次注漿層厚度為0 m 時地表最大豎向位移為-6.32 mm,二次注漿層厚度為1.5 m 時地表最大豎向位移為-3.16 mm,二次注漿層厚度為2.4 m 時地表最大豎向位移為-2.2 mm,二次注漿層厚度為3 m 時地表最大豎向位移為-1.8 mm,可見,隨著二次注漿層厚度不斷增大,地表最大豎向位移逐漸增大,同時,由模擬結果可知沉降暈向建筑一側擴散但未超出控制范圍,可知經過同步注漿和二次注漿加固后地表沉降控制情況良好。

圖7 不同二次注漿圈層厚度下的豎向位移云圖

（3）隧道正上方有建筑

根據設計,隧道右洞上方有冶金技校住宅樓,且左洞掘進造成的地表沉降同樣會影響該冶金技校住宅樓,相對位置關系圖見圖8。與工況（2）相比,由于住宅樓位于隧道正上方,因此上覆荷載更大,隧道掘進擾動對地表沉降影響更大[6]。此外,由于隧道埋深淺,隧道斷面與建筑樁基相交,掘進時破樁掘進,對建筑產生直接剛性接觸擾動,無論對地表沉降還是建筑本身都會造成不可估量的不利影響。模擬過程中,在隧道正上方,垂直于隧道軸線方向監測點。模擬工況分別為二次注漿厚度為0 m、1.5 m、2.4 m 和3 m,地表沉降位移云圖見圖9。有圖可知,二次注漿層厚度為0 m 時地表最大豎向位移為-11.54 mm,二次注漿層厚度為1.5 m 時地表最大沉降值為-10.51 mm,二次注漿層厚度為2.4 m 時地表最大沉降值為-8.74 mm,二次注漿層厚度為3 m 時地表最大沉降值為-4.3 mm。可見, 隨著二次注漿層厚度不斷增大, 地表最大豎向位移逐漸增大, 同時, 由模擬結果可知二次注漿層厚度小于1.5 m 時,不滿足地表沉降控制要求。當二次注漿層厚度為2.4 m與3 m時,滿足地表沉降控制要求。

圖8 冶金技校住宅樓與隧道結構相對位置示意圖

圖9 盾構施工臨近建筑剖面豎向位移云圖

由以上盾構下穿市麗康時裝廠、冶金技校住宅樓模擬計算結果可知,當隧道上覆地層存在臨近建筑,采用沿洞壁管片外注漿結合同步注漿對土層進行加固是防止地表沉降值過大的一種有效方式,且結果呈現出隨著二次注漿層圈的加厚,盾構下穿建筑時的地表沉降值逐漸減小的趨勢。綜合兩次模擬結果,建議采用注漿圈層厚度2.4 m。

5 結論

經過模擬計算,得出如下結論：

（1）當隧道穿越泥炭土層上方無建筑時,可以單純采用同步注漿的方式對地層進行加固,采用凈漿材料摻入比＞90%時,同步注漿層壓縮模量＞7.34 MPa,為同步注漿層改良指標。

（2）當隧道穿越泥炭土層上方無建筑時,地表沉降與盾構掘進縱坡呈正比。

（3）當隧道穿越泥炭土層上方有臨近建筑時,建議采用同步注漿結合二次注漿方法加固土層,二次注漿層厚度建議采用3 m。