某地鐵盾構(gòu)區(qū)間越江施工風(fēng)險設(shè)計與控制

韓　丹

(中鐵隧道局集團有限公司，廣東 廣州 511458)

城市地鐵建設(shè)是城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重要內(nèi)容，是便捷城市生活，擴大城市生活半徑的重要交通設(shè)施。地鐵連接江河兩岸多采用盾構(gòu)隧道形式穿越江河，如上海、廣州、南京地鐵建設(shè)等。地鐵盾構(gòu)的施工工藝與安全程度有別于礦山法，但因穿越江河不定因素多，施工風(fēng)險依然很大，所以在設(shè)計階段就需高度重視，對地鐵穿江風(fēng)險的研究與控制，也顯得較為有意義[1-4]。

1　工程概況

本段區(qū)間設(shè)計起始里程為SK13+833.128 m～SK15+739.117 m，區(qū)間總長度為1 905.989 m(右線),左右線中心間距為12～17 m，其中SK14+105.412 m～SK15+294.372 m(共計1 188.96 m)為江面水低段，隧頂覆土厚度為9～25m。該段區(qū)間設(shè)置3條聯(lián)絡(luò)通道，其中線路最低處的1條泵房兼聯(lián)絡(luò)通道，南岸江堤為新修防洪大堤，大堤中設(shè)置了鋼閘板防滲墻。區(qū)間線路出始發(fā)站后，以R400 m曲線向東方向偏轉(zhuǎn)，穿越過某斜拉橋后以R800 m曲線轉(zhuǎn)向東南方向，之后為直線段，最后以R-450 m向東偏轉(zhuǎn)至接收站，如圖1所示。

2　工程地質(zhì)與水文地質(zhì)

2.1　工程地質(zhì)

本區(qū)間隧道主要穿越的地層分為河漫灘區(qū)和江底區(qū)，漫灘區(qū)海拔高度117.42～128.04 m，地形平緩，起伏不大。地層主要由人工填土層、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、中砂、白堊系嫩江組沉積巖等組成。隧道穿越區(qū)間地質(zhì)主要以中砂為主。江底段地層主要由砂層與粉質(zhì)粘土構(gòu)成，隧道主要在砂層中穿越。

圖1　區(qū)間平面示意圖

2.2　水文地質(zhì)

根據(jù)勘探揭示，河漫灘區(qū)地下水分為潛水、微承壓水和承壓水。

潛水含水層由人工填土、淤泥、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)粉土構(gòu)成，主要補給液為大氣降水。

微承壓水含水層由粉砂、中砂構(gòu)成，相對隔水底板為粉質(zhì)粘土。該含水層與其上潛水含水層有密切的水力聯(lián)系，主要補給來源為地下徑流以及上層孔隙潛水的越流補給，以地下徑流為主要排泄方式。地下水位隨季節(jié)不同有升降變化，其年變幅較潛水小，約為0.5 m左右。

承壓含水層由中砂、粉質(zhì)粘土層構(gòu)成，在其上部的相對隔水頂板為粉質(zhì)粘土，相對隔水底板為強風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖。該含水層主要補給來源為地下徑流補給，以地下徑流為主要排泄方式。地下水位基本不隨季節(jié)變化。

3　風(fēng)險源辨識

依據(jù)《城市軌道交通地下工程建設(shè)風(fēng)險管理規(guī)范》(GB50652-2011)中定級標準來判定，并結(jié)合已有工程的實際經(jīng)驗來綜合分析確定。按照軌道交通風(fēng)險發(fā)生的概率和損失等級，將地下工程風(fēng)險等級分為Ⅰ～Ⅳ級，其中Ⅰ級風(fēng)險最高，Ⅳ級風(fēng)險最低，同時給出了針對不同等級風(fēng)險的接受準則及風(fēng)險控制處置措施。通過LEC評分法，并組織專家會議進行分析，確定I級風(fēng)險源如表1所示。

表1　區(qū)間主要風(fēng)險源(風(fēng)險工程)匯總表

4　風(fēng)險應(yīng)對設(shè)計措施

4.1　盾構(gòu)下穿江面水域

1)對于富含地下水的砂層，考慮到地下水的含量及水壓，以及土的塑性流動及透水性等問題，推薦采用泥水盾構(gòu)機。

2)河漫灘區(qū)域地下水位較高，在過砂層之前對盾構(gòu)機進行全面檢查及維修保養(yǎng)，要求盾構(gòu)刀盤密封和盾尾密封能抵抗地層的水壓并具有一定的安全系數(shù)，以確保盾構(gòu)施工安全。

3)合理確定渣土的松散系數(shù)，嚴格控制出土量，對土體添加聚合物進行改良，做好同步注漿和二次注漿工作。

4)合理選擇掘進模式和掘進參數(shù)，在進入江中段前，根據(jù)實際地質(zhì)條件選擇掘進參數(shù)，對泥水平衡模式與間接控制模式進行合理選擇，并設(shè)置不小于100 m的試驗段，收集合理的掘進參數(shù)。

5)高度重視監(jiān)控量測工作，及時根據(jù)反饋監(jiān)測信息，調(diào)整盾構(gòu)施工參數(shù)。

4.2　江中聯(lián)絡(luò)通道暗挖施工

1)區(qū)間設(shè)置了3個聯(lián)絡(luò)通道，最大施工風(fēng)險為江中的聯(lián)絡(luò)通道施工，該通道采用暗挖法施工，結(jié)合周邊環(huán)境，需要采用冷凍法對開挖范圍進行加固，并合理選擇冷凍法施工機械，并嚴格控制施工的精度，保證冷凍效果。

2)聯(lián)絡(luò)通道加固區(qū)域為頂、底板不小于3 m范圍，帶泵房的聯(lián)絡(luò)通道加固范圍為頂板不小于3 m、底板以下不小于2 m。

3)采用鹽水冰凍法施工時，嚴格控制鹽水冰凍時的最低溫度、養(yǎng)護時間。凍土強度達到設(shè)計強度指標后方可進行施工。

4)施工過程中應(yīng)加強對冰凍土體強度及變形的監(jiān)測，當凍土強度降低、變形增大時立即停止開挖，分析原因，補強后復(fù)工。

5)施工完畢后應(yīng)采取有效的措施進行封堵，防止出現(xiàn)滲漏水現(xiàn)象。

4.3　穿越南岸江堤

4.3.1江堤變形與穩(wěn)定性計算分析

1)模型建立情況。 為了分析盾構(gòu)下穿江堤下樁基時對堤壩的影響，采用有限元分析軟件PLAXIS進行計算，本次采用HS計算模型(如圖2所示)，主要參數(shù)包含江堤鋼閘板樁基礎(chǔ)、地鐵隧道的幾何特征、地層分布等，采用的地質(zhì)參數(shù)為地勘報告參數(shù)以及部分經(jīng)驗參數(shù)。本次模擬計算主要為盾構(gòu)下穿過程中對周邊土體擾動引起堤壩沉降以及對裝配式活動鋼閘板樁基礎(chǔ)的影響[5-9]。

圖2　盾構(gòu)下穿江堤有限元計算模型

2)鋼閘板樁基礎(chǔ)內(nèi)力、變形。 根據(jù)有限元沉降計算結(jié)果可知，區(qū)間下穿江堤鋼閘板樁基礎(chǔ)處的地層沉降最大值為8.48 mm，發(fā)生在拱頂。鋼閘板樁基礎(chǔ)頂冠梁處的地層沉降值為4 mm，小于盾構(gòu)下穿過程中的鋼閘板樁基礎(chǔ)允許不均勻沉降值5 mm。

盾構(gòu)下穿鋼閘板樁基礎(chǔ)設(shè)計控制工況為：盾構(gòu)下穿鋼閘板的基礎(chǔ)只承受水平力，僅需要驗算鋼閘板樁基礎(chǔ)的水平承載能力。通過數(shù)值計算可得引起的鋼閘板樁基礎(chǔ)附加彎矩值為18.77 kN·m，遠小于正常配筋的800 mm鉆孔灌注樁樁身承載力。因此盾構(gòu)下穿引起的鋼閘板樁基礎(chǔ)附加彎矩在樁基礎(chǔ)承載能力范圍內(nèi)。

區(qū)間下穿江堤鋼閘板樁基礎(chǔ)里程處的樁基礎(chǔ)水平變形為1.46 mm，樁基礎(chǔ)豎向變形為3.94 mm，小于盾構(gòu)下穿過程中的鋼閘板樁基礎(chǔ)允許變形值。

根據(jù)上述有限元模擬計算結(jié)果可知，在地鐵盾構(gòu)區(qū)間正常設(shè)計、正常施工的條件下，堤壩及其鋼閘板樁基礎(chǔ)豎向沉降值小于沉降允許值，能保證樁、梁、柱不被破壞，鋼閘板能安裝，無需采取專門的加固措施[10-13]。

4.3.2設(shè)計措施

1)對該部位隧道周圍土體采用φ600@450 mm旋噴樁加固，加固深度為隧道上方3 m，隧道下方1 m。

2)待旋噴樁達到設(shè)計強度后，在其中間進行袖閥管注漿。

3)盾構(gòu)施工過程中，采用同步注漿工藝，確保漿液填充滿盾尾管片與加固后土體間的建筑空隙。

4)在盾構(gòu)到達防滲墻前，降低推進速度，嚴格控制盾構(gòu)方向，根據(jù)監(jiān)測到的數(shù)據(jù)及分析的反饋信息，及時調(diào)整盾構(gòu)推進參數(shù)，確保盾構(gòu)機的平穩(wěn)穿越。

5)盾構(gòu)通過后，為防止后期沉降產(chǎn)生空隙，須進行二次注漿，將管片與地層的空隙填滿，完全切掉滲流路徑。

4.4　施工監(jiān)控量測

根據(jù)盾構(gòu)區(qū)間穿江的各種工況及一級風(fēng)險源情況，加強盾構(gòu)機穿江時江面的巡查、對穿越的江堤進行監(jiān)測、對聯(lián)絡(luò)通道施工進行重點監(jiān)測[14-16]。主要測試的項目有：管片沉降與收斂、地面沉降、江堤(含鋼閘板)沉降與傾斜等。根據(jù)各項監(jiān)測情況，對盾構(gòu)的施工進行動態(tài)調(diào)整，實現(xiàn)信息化施工，保證施工安全。

1)從盾構(gòu)始發(fā)掘進階段數(shù)據(jù)進行分析，砂層的地表沉降變形控制在2.48～-50.22 mm，地面略微抬升，脫出盾尾后，逐漸沉降加劇，隨著二次注漿加固的施工，沉降逐漸穩(wěn)定，砂層中縱向沉降槽長度為10～45 m；

2)管片沉降與姿態(tài)控制、壓力控制等掘進參數(shù)對施工影響較大，尤其數(shù)據(jù)離散型較大時，但二次注漿的及時性與施工規(guī)范性對沉降與收斂有很大抑制作用；

3)江堤(含鋼閘板)沉降與傾斜主要受到旋噴樁加固施工的影響，此段施工過程中的沉降為3.1～-4.8 mm，傾斜變化比較大，最大為0.28%。盾構(gòu)快速穿越，泥水平衡，盾構(gòu)能夠很好地滿足變形控制要求，河堤處于安全范圍內(nèi)。

5　結(jié)論與總結(jié)

1)高度重視越江風(fēng)險分析，采用多種方式對風(fēng)險源進行辨識，結(jié)合理論建模的計算結(jié)果，合理制定越江風(fēng)險控制措施；

2)盾構(gòu)穿江時，要根據(jù)地質(zhì)情況，合理進行盾構(gòu)選型，在穿越砂層時，優(yōu)選采用泥水盾構(gòu)；

3)盾構(gòu)越江時，兩側(cè)堤岸的安全直接影響周邊環(huán)境安全，為此，需要對堤岸的安全進行重點研究，要對堤岸的結(jié)構(gòu)進行分析，并制定合理的控制標準，結(jié)合信息化施工手段，加強監(jiān)測，以保證周邊環(huán)境安全。

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