盾構穿越淺覆土河床施工技術研究與應用*

楊浩偉，段軍朝，趙旭坤

(1.湖北大學，湖北 武漢 430062； 2.中建三局基礎設施建設投資有限公司，湖北 武漢 430061；3.陜西鐵路工程職業技術學院，陜西 渭南 714025)

0 引言

隨著我國城市化建設的不斷推進，城市人口和面積不斷擴大，城市化建設在提高人民生活品質的同時，也帶來了過多人口涌入城市、城市交通擁堵等一系列社會問題[1]。地鐵以其安全、快速、環保等優點，逐漸成為人們首選出行方式，國家和各級政府也高度重視城市地下交通的建設[2]。而在地鐵建設中，盾構以其安全、高效、環保、適用地層多樣等優勢，成為地鐵施工的首選方案。

由于城市地形、地層條件相對復雜，地鐵線路常常需要穿越既有房屋、橋梁、道路、河流等，盾構施工過程中，如何快速、安全、經濟地穿越既有構(建)筑物，成為擺在地鐵施工管理人員面前的難題[3]。本文以成都地鐵6號線三期工程新龍盾構區間為例，研究了在汛期條件下，通過調整工序、采取針對性措施，使盾構安全、快速穿越沙河溝橋，并滿足工期和經濟性要求。

1 工程概況

沙河溝位于新龍盾構區間，采用土壓平衡盾構施工，盾構管片外徑6m，管片內徑5.4m。據地勘資料顯示，隧道平均埋深4.669m，區間隧道下穿沙河溝區域主要地層為素填土和中風化砂巖，年平均降水量879.3mm，隧道垂直穿過沙河溝，河溝平均寬6m，深4m，地表水與地下水聯系弱。現場地質斷面如圖1所示。

圖1 沙河溝地質斷面

由于沙河溝段隧道埋深淺(小于1倍洞徑)，且地層較差，采用土壓平衡盾構，在穿越沙河溝橋過程中，存在重大施工安全風險，加之項目工期受汛期影響，已經嚴重滯后，若按常規施工方法，先施作抗浮壓板，再穿越河段將無法按時完成整個項目，所以項目根據實際情況調整工序，采用河床加固和洞內加載等措施，使盾構先穿越沙河溝，再施作抗浮壓板的施工方案，控制盾構掘進參數，防止河床坍塌或涌水現象發生。

2 工程控制措施

結合類似工程經驗教訓，決定采取以下施工控制措施：①施工前對河床進行加固；②合理選取注漿壓力，縮短漿液的初凝時間；③盾構下穿河道過程中選取合適的掘進參數。

2.1 河床加固措施

由于盾構穿河段埋深淺，地質條件差，若不采取河床加固措施，極易產生河道翻漿冒泥，盾構土壓無法保證，影響盾構掘進姿態，進而影響掘進速度，致使盾構機長時間停留在河流地段，增加了盾構機被埋、被淹風險[4-5]。項目主要采取的河床加固措施分為兩類：河床覆土回填反壓和河床素噴混凝土。

1)覆土回填高度計算

目前沙河溝河道已導流至南側承臺邊，現狀河床標高為485.800m，距隧道頂豎向距離為5.74m。計劃再進行覆土回填，以滿足盾構穿越條件。對管片上浮計算，不考慮上覆土體摩阻力，簡化計算如圖2所示。

圖2 臨界覆土高度計算簡圖

單位長度管片自重：

Gc=π(R2-r2)γc

(1)

單位長度管片所受浮力：

F浮=πR2γg

(2)

單位長度管片上覆土體有效質量：

W=2Rhγ+2R(d-h)(γs-γw)

(3)

由力學平衡分析,臨界狀態得到：

W+Gc=F浮

(4)

水下隧道抗浮臨界覆土厚度為：

(5)

式中：γg為同步砂漿容重，取17.5N/m3；γs為回填土飽和容重，取19kN/m3；γw為水的容重，取10kN/m3；γ為回填土天然容重，取17kN/m3；γc為管片容重，取24.5kN/m3；R為管片外半徑，取3.0m；r為管片內半徑，取2.7m。

據調查，沙河溝水位距離隧道頂標高為5.3m，因此將以上數據代入最小覆土厚度公式，得到：h=0.75m。

臨界覆土厚度為6.05m，取安全系數1.15計算，得到堆土厚度為6.958m，目前現狀覆土厚度為5.74m，即覆土還需回填1.218m，滿足盾構穿越條件。

回填采用渣土車運土至現場，卸土后采用挖機配合推土機由北向南、由東向西回填，每層回填厚度≤50cm，每層回填完成后采用20t壓路機壓實，直至回填到設計標高。回填土下部埋設DN2 000混凝土涵管進行河流導流。

2)河床表面噴混凝土

由于施工期間正值成都地區雨季，為防止回填土被雨水沖刷流失，回填后的河床表面采用C25混凝土噴面。

2.2 洞內同步注漿加固

盾構洞內同步注漿是為了及時填充管片壁后間隙，控制地表沉降，同時能夠作為管片外部防水及結構加強層。而初凝時間是同步注漿漿液的主要性能指標，漿液初凝時間過長容易造成漿液流失，初凝時間過短容易造成管片壁后空隙填充不完全。根據地質條件選擇性能與之匹配的同步注漿漿液，是確保注漿效果的關鍵。

沙河溝盾構施工區段地層為素填土和中風化砂巖，屬于典型的上軟下硬地層，地層條件較差，根據已有研究和施工經驗表明，水泥用量是影響漿液初凝時間的主要因素。故根據沙河溝的地層條件，設計室內試驗，在確保漿液流動性、泌水率和抗壓強度的前提下，研究不同水泥用量條件下漿液的初凝時間(見圖3)，試驗結果如表1所示。

圖3 不同水泥用量下漿液初凝時間變化曲線

表1 不同配比下漿液性能 kg·m-3

由圖3可知，漿液初凝時間隨著水泥用量的增加而減少，相反初期強度隨著水泥用量的增加而增加。根據已有經驗并結合現場施工情況，最終確定如表2所示漿液配合比，可以看出，此時漿液的初凝時間<4h，初期強度>3.5MPa。

表2 沙河溝盾構施工同步注漿配合比與材料用量

2.3 盾構掘進參數選取

2.3.1土倉壓力

根據土壓平衡工況的特點，確定并保持合理的土倉壓力是關鍵。因此，土壓平衡工況中掘進參數的確定以土倉壓力為基準點考慮，掘進控制程序也應以保持土倉壓力為目的[6-8]。

根據以往施工經驗和相關科研成果，采用近似上覆土重理論分段進行土壓力計算。P值應能與地層土壓力和靜水壓力相平衡。設刀盤中心地層靜水壓力、土壓力之和為P1：

P1=γh

(6)

式中：γ為土的加權平均重度(沙河溝覆土回填后，刀盤中心以上為1.4m中風化砂巖、8.25m素填土，中風化砂巖平均重度取23.5kN/m3，素填土平均重度取18.5kN/m3；γ取19.23kN/m3；h為刀盤中心至地表的垂直距離，取9.655m)。

P=KP1+P2

(7)

式中：K為土的側向靜止土壓力系數，取0.2；P2為附加荷載，取20kPa。

根據回填覆土高度，綜合計算，P=0.057MPa，同時考慮1.1的系數，土壓力應控制在0.06～0.07MPa。

2.3.2推進速度

穿越期間，推進速度應適當放緩，速度宜控制在30～40mm/min，并根據監測結果和排土情況調整。螺旋機轉速根據設定土壓力與推進速度匹配。

2.3.3出土量

每環出土量計算：

(8)

式中：K為土體松散系數，取1.3；D為盾構開挖直徑，6.28m；L為掘進長度，1.5m。

計算得到：V=60.4m3，每環出土方量控制在61m3以內。

3 施工監測

盾構下穿過程中，對盾構管片拱頂沉降和地表沉降進行了監測。

3.1 地表沉降監測

在沙河溝橋附近15m范圍內，對地表沉降進行監測，盾構下穿過程中，隧道中心線的地面隆起和沉降量應控制在+10～-30mm[9]。盾構穿越期間，在隧道軸線沿中心線每5m設1個監測斷面，以右線為例，盾構穿越沙河溝期間地表監測數據如表3所示。右線地表沉降變化曲線如圖4所示。

表3 右線地表沉降監測數據 mm

圖4 右線地表沉降變化曲線

由圖4可以看出，在盾構穿越沙河溝過程中，地表沉降累積量表現為先增加，盾構穿越完成之后，地表沉降量逐漸減小，直至穩定。地表沉降-21.1mm<控制值(-30mm)。

3.2 管片拱頂沉降監測

盾構洞通后抗浮板施工時進行管片拱頂下沉、收斂變形監測。監測頻率從下穿過程中1～3次/d調整為1次/2d，直到穩定。管片拱頂沉降監測日變化量報警值±3mm、累計變化量報警值±10mm[10]。以右線為例，盾構穿越沙河溝期間管片拱頂累積沉降監測數據如表4，圖5所示。

表4 右線拱頂沉降監測數據 mm

圖5 右線拱頂沉降變化曲線

由圖5可以看出，在盾構穿越沙河溝橋過程中，右線拱頂日變形量最大為0.65mm，累積最大變形量為2.65mm，監測數據穩定，變形量可控，管片未出現上浮量過大的現象，說明采取河面覆土反壓和洞內二次注漿等措施對管片拱頂沉降控制安全可行。

4 結語

本文以成都地鐵6號線三期工程新龍區間盾構穿越沙河溝為例，研究盾構在汛期條件下穿越上軟下硬地層時，通過采取地表及洞內相結合的加固措施，選取合理掘進參數，使得盾構安全快速穿越沙河溝，主要結論如下。

1)為確保盾構安全通過沙河溝，結合理論計算得安全覆土高度為6.958m，需回填的覆土高度為1.218m。覆土回填壓實之后，采用C25混凝土進行表面素噴。

2)根據沙河溝地質條件，結合室內試驗給出了適用于該地層的漿液配合比，此時漿液初凝時間<4h，初期強度>3.5MPa。

3)根據理論計算和已有施工經驗給出了盾構穿越沙河溝的掘進參數：土倉壓力0.06～0.09MPa，推進速度30～40mm/min，出土量<61m3/環。

4)制定監測方案，對盾構穿河前后地表沉降和管片拱頂沉降進行監測，監測數據穩定，工程安全保障措施效果顯著。