杭州軟弱土層盾構(gòu)穿越民房技術(shù)控制措施

楊世彥

(中鐵隧道集團三處有限公司，廣東深圳 518000)

0 引言

隨著城市化建設(shè)步伐的加快，軌道交通建設(shè)的緊迫性也在增加，城市地鐵工程盾構(gòu)法施工對地表既有建構(gòu)筑物的影響也日益在各工程中突顯。如何將對環(huán)境的影響減小到最低限度，便成了盾構(gòu)施工中的核心問題。杭州地鐵自2007年開工以來，盾構(gòu)法施工在杭州地區(qū)軟弱富水地層中尚無成熟的施工經(jīng)驗。本文結(jié)合某區(qū)間隧道下穿大量民房的施工經(jīng)驗，以盾構(gòu)穿越A23房屋為例，探討在該類土層中的盾構(gòu)施工技術(shù)控制措施，以促進盾構(gòu)法施工在杭州地鐵施工中的應(yīng)用。

1 工程概況

杭州地鐵1號線某區(qū)間隧道連續(xù)下穿11幢民房。該房屋建于20世紀80年代初，是杭州老城區(qū)目前較老的小區(qū)之一。房屋鑒定結(jié)果為:房屋部分材料老化趨勢明顯，部分房屋存在結(jié)構(gòu)拆改現(xiàn)象，致使房屋結(jié)構(gòu)受力存在嚴重問題。早期該區(qū)域下方都為農(nóng)田，房屋地基為天然地基，其抗變形能力相當差。

其中房屋A23被鑒定為危房，該房屋修建于1978年，5層大板結(jié)構(gòu)，6 m樁基。該幢房屋一單元2樓陽臺在盾構(gòu)推進前曾經(jīng)掉落過。房屋A23與隧道平面關(guān)系見圖1。

圖1 A23與隧道平面關(guān)系圖Fig.1 Plan layout shows the relationship between A23 citizen house and the tunnel

2 地質(zhì)情況

2.1 工程地質(zhì)

工程所在場地主要為臨錢塘江的沖海積平原，地勢相對較平坦。區(qū)間沿線地質(zhì)構(gòu)造和地層為河口相沖海積堆積的粉性土及砂性土，區(qū)間隧道洞身主要穿越④2、④3、⑥1和⑥2淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層，該類土層都具有流塑、高靈敏度等特點。含水量為38% ～45%，液性指數(shù)為1.4～1.51。

2.2 水文地質(zhì)

沿線淺部地下水屬潛水類型，主要賦存于上部填土層及粉土、砂土層中，補給來源主要為大氣降水及地表水，靜止水位一般在地下1～4 m，并隨季節(jié)變化。沿線承壓含水層主要分布于深部的圓礫層中，隔水頂板為其上部的黏性土層。該層承壓水對混凝土結(jié)構(gòu)無腐蝕性。

3 盾構(gòu)穿越民房技術(shù)控制措施

3.1 土壓力選擇

對于土壓平衡式盾構(gòu)，使密封倉內(nèi)的土壓力和開挖面的水土壓力保持動態(tài)平衡至關(guān)重要。如果密封倉內(nèi)的土壓力大于開挖面的水土壓力，地表將發(fā)生隆起，反之，地表將發(fā)生沉陷［1］。

本工程借鑒上海地區(qū)常用的土壓力計算方式，即靜止土壓力修正法。靜止土壓力為處于靜止的彈性平衡狀態(tài)下的原狀天然土體的土壓力，在深度h處，在豎直面的主應(yīng)力，即靜止土壓力

式中:P0為平衡壓力(包括地下水);γ為土體的容重，kN/m3;h為計算點深度，m;k0為土的側(cè)向靜止平衡壓力系數(shù)。

靜止側(cè)壓力系數(shù)k0按以往的經(jīng)驗確定為0.7。通過前期的試驗段推進摸索和監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，控制盾構(gòu)切口微微隆起，靜止土壓力需上浮0.02 MPa。

試驗段掘進平衡土壓力修正對地表影響的沉降曲線見圖2。

圖2 土壓力修正對地表影響的沉降曲線Fig.2 Curves of effect of earth pressure correction effects on ground settlement

3.2 盾構(gòu)姿態(tài)控制

控制良好的盾構(gòu)姿態(tài)，既能確保良好的管片拼裝質(zhì)量，也能大大減小地表建構(gòu)筑的沉降值。盾構(gòu)姿態(tài)良好，就減少了因盾構(gòu)糾偏而引起的地層擾動，減小了土體后期固結(jié)沉降值［3］。盾構(gòu)在穿越房屋A23前，就要調(diào)整好盾構(gòu)姿態(tài)，避免在房屋下進行盾構(gòu)糾偏。房屋A23下隧道管片姿態(tài)曲線見圖3。

圖3 隧道管片姿態(tài)曲線Fig.3 Curves of deviation of tunnel lining

3.3 同步注漿控制

盾構(gòu)推進中的同步注漿是充填土體與管片間的空隙和減少后期變形的主要手段，也是盾構(gòu)推進施工中的一道重要工序。

1)同步注漿量計算。每推進1環(huán)的建筑空隙為1.2π(6.362-6.22)/4=1.89 m3(刀盤外徑 6.36 m，管片外徑6.2 m)。

通常，在黏土中每環(huán)的壓漿量一般為建筑空隙的130% ～180%［4］，即每推進1環(huán)同步注漿量為2.46～3.4 m3。泵送出口處的壓力為0.3～0.5 MPa，大于周邊水土壓力，但要略小于盾構(gòu)機盾尾密封艙的設(shè)計壓力。根據(jù)前期的施工參數(shù)摸索，本工程地質(zhì)注漿量要比規(guī)范要求的大，直線段注漿量達4～5.5 m3才能確保脫出盾尾的沉降穩(wěn)定在±0.3 mm左右;填充率達210% ～290%。

因穿越房屋A23區(qū)段，盾構(gòu)在曲線上掘進，盾構(gòu)軸線糾偏，引起盾構(gòu)掘進土體的超挖［5］。理想狀態(tài)下盾構(gòu)曲線掘進超挖土體體積簡化成三角形如圖4所示。

圖4 盾構(gòu)曲線掘進超挖土體體積Fig.4 Shield tunneling advance dug soil volume

當半徑R=350 m時，理想狀態(tài)下盾構(gòu)曲線掘進超挖土體體積，簡化成三角形近似計算為:

代入數(shù)值后:V超=1.2×3.18×Δα+1.2×ΔE×L/2=1.2×3.18×0.021+1.2×0.031×4.5=0.25 m3(Δα為設(shè)計軸線半徑為R時的隧道超前量;ΔE為設(shè)計軸線半徑為R時任意一切線上，盾構(gòu)刀盤位置和設(shè)計軸線的偏移值;L為盾構(gòu)機長度)。

穿越房屋時的漿液應(yīng)為建筑空隙為2.14的2.1～2.9倍，即:4.5～6.2 m3。實際注漿量右線掘進時注漿量為5 m3;左線曲線半徑R=330 m，但因土體二次擾動，注漿量有所增加，達到6 m3。

2)同步注漿漿液質(zhì)量。同步注漿采用的漿液材料主要有粉煤灰、砂、膨潤土和水泥等。本工程漿液配比如表1所示。

表1 同步注漿漿液配比Table 1 Proportions of synchronous grout

漿液膠凝時間為3～6 h;固結(jié)收縮率＜3%;固結(jié)體強度應(yīng)1 d＞周圍土體強度，28 d≥1.0 MPa;稠度為9～10.5 cm。

3.4 二次注漿控制

當管片脫出盾尾后，根據(jù)監(jiān)測情況及時進行二次注漿工作，二次注漿遵循“多點、少量、多次”的原則［6］。根據(jù)沉降出現(xiàn)的峰值，二次注漿時間分別為盾構(gòu)通過后的第2天、第3天、第7天、第10天和第15天。二次注漿采用單液漿，水灰質(zhì)量比為0.4～0.6，單次注漿量為0.2 ～0.5 m3，注漿壓力為0.3 ～0.4 MPa。

4 房屋A23沉降控制效果分析

目前，盾構(gòu)穿越房屋A23右線已經(jīng)9個月，左線6個月。經(jīng)一次擾動的A23-7監(jiān)測點累計沉降值為-9.27 mm，經(jīng)二次擾動的A23-1監(jiān)測點累計沉降值為-28.5 mm，差異沉降率最大為0.28‰。符合規(guī)范要求的-30～10 mm。房屋A23典型點位歷時沉降曲線見圖5。

圖5 A23典型監(jiān)測點位歷時沉降曲線Fig.5 Time-dependent curves of settlement at typical monitoring points of A23 citizen house

穿越危房A23按照上述施工要點實施后，施工安全得到保證，房屋沉降得到較好的控制。盾構(gòu)穿越時的沉降較小，可控制在-3 mm左右，但經(jīng)二次擾動后，沉降值明顯增大，達到5 mm左右。盾構(gòu)在淤泥質(zhì)軟土地層中施工，施工后期沉降周期較長，達6個月，沉降值較大，占累計沉降的64%。沉降所占比例見圖6。

圖6 沉降所占比例示意圖Fig.6 Proportions of settlement of different construction phases

5 結(jié)論與建議

1)盾構(gòu)通過時，切忌隆起或沉降過大，一般在2mm以內(nèi)較為適宜，后期沉降較小。

2)在軟弱富水地層中施工，因注漿量偏大，要防止注漿壓力過大，造成壓力擊穿盾尾或盾構(gòu)機殼體背土現(xiàn)象。

3)盾構(gòu)在該類土層中施工，施工后期沉降較大，目前還沒有找到有效的控制措施，需在以后的施工中繼續(xù)研究探索。

［1］ 馮國冠.基于某地鐵盾構(gòu)隧道施工地表沉降的分析研究［J］.中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2010(4):81-84.(FENG Guoguan. Based on the subway shield tunnelling construction of surface subsidence analysis［J］.Journal of Safety Science and Technology，2010(4):81-84.(in Chinese))

［2］ 宮秀濱，徐永杰，韓靜玉.隧道盾構(gòu)法施工土壓力的計算與選擇［J］.筑路機械與施工機械化，2007(11):46-48.(GONG Xiubin，XU Yongjie，HAN Jingyu.Selection and calculation of the earth pressure for shield tunneling［J］.Road Machinery＆ Construction Mechanization，2007(11):46-48.(in Chinese))

［3］ 高俊強，胡火山.盾構(gòu)推進和地表沉降的變化關(guān)系探討［J］.南京工業(yè)大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2005(4):44-48.(GAO Junqiang，HU Can.Research on relation between shield propelling and grand surface settlement［J］.Journal ofNanjing University ofTechnology: NaturalScience Edition，2005(4):44-48.(in Chinese))

［4］ GB 50446—2008盾構(gòu)法隧道施工與驗收規(guī)范［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版工業(yè)出版社，2008.

［5］ 陳楓，胡志平.盾構(gòu)偏航引起的地表位移預(yù)測［J］.巖土力學(xué)，2004，25(9):1427-1431.(CHEN Feng，HU Zhiping.Analytical prediction of tunneling induced surface movements due to shield-deviation in undrained soil［J］.Rock and Soil Mechanics，2004，25(9):1427-1431.(in Chinese))

［6］ 周文波.盾構(gòu)法隧道技術(shù)及應(yīng)用［M］.北京.中國建筑工業(yè)出版工業(yè)出版社，2004.