王 勇 盛志戰(zhàn) 高素芳 胡高偉

（北京市勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100038）

0 引言

在中國(guó)城市化進(jìn)程中，各大城市均不斷進(jìn)行地鐵線路的建設(shè)，而盾構(gòu)法因其施工速度快、受地形地貌影響條件小等優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用于地鐵施工過(guò)程中，其中大部分地區(qū)盾構(gòu)選型多選擇土壓平衡盾構(gòu)，目前國(guó)內(nèi)已就盾構(gòu)施工對(duì)周邊環(huán)境的影響進(jìn)行了大量的研究，并取得了一定成果[1-4]。

江華等[5-6]采用理論推導(dǎo)及數(shù)值計(jì)算相結(jié)合的方法進(jìn)行砂卵石地層土壓平衡盾構(gòu)適應(yīng)性研究，得出刀盤(pán)結(jié)構(gòu)形式及土體改良效果是影響地層適應(yīng)性及施工效率的主要因素。曲軍彪[7]研究了深基坑開(kāi)挖降水對(duì)周?chē)乇砗徒ㄖ锍两涤绊懀贸鼋?gòu)筑物所處不同地層對(duì)降水引起沉降的敏感性各不相同的結(jié)論。李潮[8]對(duì)砂卵石地層土壓平衡盾構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行研究，分析了不同級(jí)配、不同漂石含量等因素對(duì)盾構(gòu)施工的影響。

各位學(xué)者均提出了影響盾構(gòu)施工的因素，其中胡浩[9]、胡冰冰等[10]利用數(shù)值計(jì)算軟件對(duì)不同降水深度對(duì)盾構(gòu)隧道的應(yīng)力及位移進(jìn)行分析；張明等[11]對(duì)臨近地鐵區(qū)域降水對(duì)已建地鐵結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響進(jìn)行系統(tǒng)研究；夏晨歡等[12]針對(duì)地鐵盾構(gòu)進(jìn)洞、出洞過(guò)程中采取降水從而達(dá)到盾構(gòu)安全施工的目的；劉慶晨[13]、胡敏[14]則著重研究臨近地鐵施工對(duì)既有地鐵隧道的影響以及特定地層條件下盾構(gòu)施工參數(shù)控制分析。但目前長(zhǎng)期降水對(duì)盾構(gòu)施工的影響仍較為模糊，本文以成都市軌道交通工程一土壓平衡盾構(gòu)區(qū)間為工程背景，著重研究盾構(gòu)穿越長(zhǎng)期降水區(qū)域?qū)Φ乇沓两档挠绊?，擬為后續(xù)工程提供一定的理論基礎(chǔ)與借鑒。

1 盾構(gòu)穿越長(zhǎng)期降水區(qū)域沉降研究

1.1 降水對(duì)周邊環(huán)境的影響

降水對(duì)周邊環(huán)境的影響的主要因素為降水深度、降水后的水壓分布、圍護(hù)結(jié)構(gòu)的剛度、降水持續(xù)時(shí)間、周邊建構(gòu)筑物的基礎(chǔ)特征情況。由于基坑降水與施工通常是同步進(jìn)行的，故基坑降水導(dǎo)致的沉降與基坑開(kāi)挖引起的卸荷作用導(dǎo)致的隆起共同疊加，成為最終的以降水區(qū)域?yàn)橹行?、降水影響范圍為半徑的沉降漏斗區(qū)域。此區(qū)域內(nèi)土體及既有建構(gòu)筑物的沉降會(huì)隨著與降水區(qū)域距離的增加而減小，最終趨于穩(wěn)定。

1.2 降水對(duì)地下土體的影響

目前常用的降水手段為管井降水，降水井井壁外側(cè)會(huì)包裹密目網(wǎng)，防止土中細(xì)顆粒流入井口，保證抽水的含砂率在規(guī)定范圍之內(nèi)。但實(shí)際操作過(guò)程中包裹密目網(wǎng)與降水效果存在一定的矛盾關(guān)系，即包裹密目網(wǎng)在一定程度上阻止土中細(xì)小顆粒流失的同時(shí)阻擋了水流進(jìn)入管井，造成抽水量達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，而減少密目網(wǎng)的包裹則會(huì)導(dǎo)致砂卵石地層中細(xì)小顆粒隨著抽水流失。所以，降水勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致土體中的細(xì)小顆粒流失，原狀砂卵石地層中砂卵石與砂類(lèi)相互作用形成的骨架-密實(shí)結(jié)構(gòu)會(huì)隨著細(xì)砂流失變成砂卵石單獨(dú)作用的骨架結(jié)構(gòu)，即由摩擦及黏聚力共同作用轉(zhuǎn)變成單一摩擦作用的骨架結(jié)構(gòu)，造成整體穩(wěn)定性變差（見(jiàn)圖1）。

圖1 骨架–孔隙結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 盾構(gòu)穿越長(zhǎng)期降水區(qū)域?qū)χ苓叚h(huán)境的影響

長(zhǎng)期降水區(qū)域在未受到其他外力擾動(dòng)情況下，由于孔隙水壓力消散，土體中細(xì)小顆粒流失后砂卵石在一定范圍內(nèi)重新分布，形成承載拱。盾構(gòu)即將通過(guò)此區(qū)域時(shí)，掌子面的壓力波動(dòng)會(huì)在一定程度上對(duì)已形成的承載拱進(jìn)行擾動(dòng)，迫使其進(jìn)行重新分布達(dá)成新的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，隨后刀盤(pán)切削、盾體與土體間的摩擦、盾尾間隙及地層損失使盾構(gòu)上方土體產(chǎn)生豎向位移，隨著埋深減小而衰減。

相對(duì)比未降水的區(qū)域，長(zhǎng)期降水導(dǎo)致土體密實(shí)程度下降，因此其受到擾動(dòng)后產(chǎn)生的豎向變形更大，由于孔隙中的填充物質(zhì)流失，故受地層損失影響后，沉降發(fā)展得更為迅速及顯著。盾構(gòu)穿越過(guò)程中將導(dǎo)致影響范圍內(nèi)出現(xiàn)空洞，甚至出現(xiàn)局部土體下陷，僅殘留地表硬化層部分土體，埋深較淺的管線下部完全失去支撐，成為懸空管線，一定程度上增大了施工的風(fēng)險(xiǎn)。

2 控制地表變形因素分析

與黏土結(jié)構(gòu)不同，砂卵石地層，尤其是以骨架結(jié)構(gòu)為主體的砂卵石地層，其結(jié)構(gòu)受到破壞后向地表傳遞位移的過(guò)程十分迅速，故常規(guī)的渣土改良、控制盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)等手段很難對(duì)因降水而導(dǎo)致地下土體級(jí)配改變引起的沉降起到控制作用，因此控制地表變形的因素要從細(xì)顆粒流失方面著手。

2.1 淺表注漿

首先，針對(duì)盾構(gòu)上方地表進(jìn)行淺表注漿，若該區(qū)域交通流量較小，也可考慮僅進(jìn)行淺表注漿，視情況而定采取后續(xù)控制沉降方案。淺表注漿控制沉降的原理是在地表表層形成一定厚度的硬化層，若下方土體塌陷，則由此硬化層形成的板體結(jié)構(gòu)繼續(xù)承擔(dān)地表傳來(lái)的壓力，為保護(hù)地表路面的第一道防線（見(jiàn)圖2）。

圖2 淺表注漿示意圖

淺表注漿應(yīng)保證硬化層具有一定厚度，在承擔(dān)地表荷載的同時(shí)確保埋深較淺的管線處于硬化層內(nèi)，減少管線破裂導(dǎo)致管涌發(fā)生的可能性。其注漿時(shí)間應(yīng)為盾構(gòu)尚未進(jìn)入影響區(qū)域即開(kāi)始，保證其在盾構(gòu)到達(dá)時(shí)已具備一定強(qiáng)度。由于降水導(dǎo)致砂卵石地層孔隙率增大，故此種情況較難通過(guò)注漿壓力進(jìn)行控制，因此可選擇初凝速度較快、結(jié)實(shí)率較高的漿液進(jìn)行第一輪注漿，后續(xù)采用流動(dòng)性較好的漿液進(jìn)行二次補(bǔ)充，確保淺表注漿的效果，具體注漿效果檢查可考慮采用局部探挖，觀察注漿漿脈的情況判斷。

2.2 盾構(gòu)同步注漿

盾構(gòu)同步注漿一直以來(lái)被作為對(duì)盾尾間隙填充的主要手段，但目前受限于注漿材料，大部分盾構(gòu)僅能做到推進(jìn)的同時(shí)進(jìn)行注漿-時(shí)間上的同步。同步注漿漿液受限于凝結(jié)時(shí)間及注漿量等因素，無(wú)法完成對(duì)盾構(gòu)超挖部分進(jìn)行完全填充-空間上的同步。因此盾構(gòu)通過(guò)此區(qū)域過(guò)程中需注意真正的同步注漿，即時(shí)間與空間的雙重同步，并保證土倉(cāng)壓力與當(dāng)前地質(zhì)情況相匹配。此種情況下雖難以對(duì)刀盤(pán)擾動(dòng)造成的沉降進(jìn)行有效控制，但盾體處的同步注漿仍可將沉降占比最大的盾尾脫出階段引起的沉降降低到可接受的范圍內(nèi)。此階段的同步注漿應(yīng)具備較快的初凝速度即較高的結(jié)石率，同時(shí)還應(yīng)保持一定的觸變性，其大部分特征應(yīng)與非牛頓流體保持一致，其余應(yīng)根據(jù)工程具體情況進(jìn)行調(diào)整（見(jiàn)圖3）。

圖3 同步注漿和二次注漿示意圖

2.3 管片二次補(bǔ)漿

管片二次補(bǔ)漿可作為盾構(gòu)同步注漿的補(bǔ)充手段，其主要作用為填補(bǔ)同步注漿未充填密實(shí)的壁后空隙。二次補(bǔ)漿應(yīng)盡量靠近盾尾，但為了不使?jié){液擊穿盾尾刷致使盾構(gòu)密封破損，故需固定距離注入特定漿液在管片外部形成包裹狀的止?jié){環(huán)，在止?jié){環(huán)間采取較大注漿壓力，保證盾構(gòu)管片壁后注漿的密實(shí)，此處可采用注漿量與注漿壓力雙重標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行控制，若存在大量注漿仍無(wú)法達(dá)到注漿壓力情況，應(yīng)立刻查明漿液是否擊穿止?jié){環(huán)，確保未對(duì)盾構(gòu)造成影響后繼續(xù)注入一定漿液后停止注漿。

2.4 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)及鉆孔注漿

超前地質(zhì)預(yù)報(bào)及鉆孔注漿為盾構(gòu)通過(guò)后，已完成上述三種措施后的最終補(bǔ)救措施。其核心原理為，盾構(gòu)已通過(guò)目標(biāo)區(qū)域，刀盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)及土體骨架結(jié)構(gòu)破壞形成的土體豎向位移已大致傳遞至地表硬化層下部，此時(shí)可通過(guò)地質(zhì)雷達(dá)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)展趨勢(shì)及人工開(kāi)挖探坑確定盾構(gòu)沿線是否存在空洞，若存在空洞可根據(jù)實(shí)際情況，選擇進(jìn)行路面破碎回填土石方或進(jìn)行鉆孔注漿來(lái)保證地上及地下既有建構(gòu)筑物的穩(wěn)定與安全（見(jiàn)圖4）。

圖4 深孔注漿示意圖

3 實(shí)例驗(yàn)證

本文依托成都軌道交通17 號(hào)線B 標(biāo)工程，根據(jù)實(shí)際工程中長(zhǎng)期降水導(dǎo)致土層中級(jí)配變化對(duì)盾構(gòu)施工的影響，驗(yàn)證理論結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3.1 工程概況

明光站-九江北站盾構(gòu)區(qū)間左線起始里程ZCK68+839.704，終點(diǎn)里程ZCK71+019.851，長(zhǎng)度為2180.147 m，最小曲線半徑為R-600 m，縱斷面最大坡度28‰；隧道斷面形式采用圓形，刀盤(pán)開(kāi)挖直徑8634 mm，管片外徑8300 mm，內(nèi)徑7500 mm，襯砌為裝配式鋼筋混凝土管片，管片厚400 mm、管片幅寬1500 mm（見(jiàn)圖5）。

圖5 盾構(gòu)與明挖結(jié)構(gòu)相對(duì)位置關(guān)系圖

盾構(gòu)區(qū)間約1 km 范圍位于明挖區(qū)間基坑兩側(cè)，明挖區(qū)間降水施工過(guò)程中，砂卵石地層中大量細(xì)顆粒流失，形成砂卵石骨架結(jié)構(gòu)。此范圍內(nèi)盾構(gòu)位于成新蒲快速路下。埋深24.0 m 左右，盾構(gòu)距明挖區(qū)間最小凈距僅為1.54 m。盾構(gòu)側(cè)穿既有明挖結(jié)構(gòu)區(qū)域的地質(zhì)情況自上而下分別為人工填土、粉質(zhì)黏土、細(xì)砂、卵石土，其中卵石土粒徑隨深度增大而增大，盾構(gòu)全斷面位于粒徑60～200 mm 的砂卵石土地層中，卵石土的間隙由中粗砂填充?；由?7.5～26.2 m，地下水位位于基坑底板以下0.5 m 左右，為潛水及裂隙水，無(wú)承壓水層。施工順序?yàn)橄冗M(jìn)行明挖施工，后進(jìn)行盾構(gòu)側(cè)穿施工。地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)沿盾構(gòu)掘進(jìn)方向保持測(cè)點(diǎn)間距5 m 沿線布設(shè)，每30 m 設(shè)置一個(gè)監(jiān)測(cè)斷面。

明挖區(qū)間降水井布置如圖6所示。

圖6 明挖區(qū)間降水井布置平面示意圖

3.2 盾構(gòu)進(jìn)入長(zhǎng)期降水區(qū)域?qū)Φ乇碡Q向位移的影響

明挖區(qū)間最先開(kāi)始施工，目前主體結(jié)構(gòu)均已施工完畢，總降水歷時(shí)一年半。由于降水時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，在長(zhǎng)期降水過(guò)程中，地層中細(xì)顆粒土體流失較為嚴(yán)重。盾構(gòu)從未受到降水影響區(qū)域進(jìn)入降水影響區(qū)域后，在保持盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)及埋深不變情況下，施工引起的地表沉降迅速增大，且土體位移傳遞速度顯著增加。施工引起的地表沉降最大可達(dá)20～30 mm，已超過(guò)沉降控制值，故盾構(gòu)暫停掘進(jìn)，針對(duì)當(dāng)前情況下盾構(gòu)安全掘進(jìn)進(jìn)行分析，形成多角度、多手段同步注漿進(jìn)行沉降控制。經(jīng)對(duì)比分析不同階段盾構(gòu)沉降比例可以發(fā)現(xiàn)，盾構(gòu)未進(jìn)入長(zhǎng)期降水區(qū)域表現(xiàn)出沉降占比與常規(guī)盾構(gòu)掘進(jìn)沉降占比接近，最大沉降階段為噸位脫出后，其次為刀盤(pán)到達(dá)時(shí)與后期固結(jié)沉降。而盾構(gòu)進(jìn)入長(zhǎng)期降水區(qū)后沉降占比較大階段為刀盤(pán)到達(dá)時(shí)及后期固結(jié)沉降階段。經(jīng)分析應(yīng)為細(xì)小顆粒流失后原本骨架無(wú)法在刀盤(pán)擾動(dòng)情況下保持穩(wěn)定，表現(xiàn)出更大的沉降變形，而后期固結(jié)沉降階段則是盾構(gòu)通過(guò)后，在土體自重及地下水搬運(yùn)作用下重新形成新的穩(wěn)定體系，因此在這一階段同樣表現(xiàn)出較大的沉降變形（見(jiàn)圖7、圖8）。

圖7 不同區(qū)域沉降時(shí)程曲線

圖8 沉降占比示意圖

3.3 采取控制措施后盾構(gòu)推進(jìn)對(duì)地表豎向位移的影響

施工單位對(duì)盾構(gòu)尚未掘進(jìn)區(qū)域首先進(jìn)行人工開(kāi)挖探坑進(jìn)行地表淺表注漿，同時(shí)對(duì)同步注漿漿液進(jìn)行試驗(yàn)改良，將漿液初凝時(shí)間由6 h 改為4 h，結(jié)實(shí)率提升。待地表淺表注漿結(jié)束后，盾構(gòu)恢復(fù)掘進(jìn)，淺表注漿范圍隨盾構(gòu)掘進(jìn)沿掘進(jìn)方向前進(jìn)，始終保持先于盾構(gòu)刀盤(pán)前30 m 左右。

盾構(gòu)復(fù)推后，多方面注漿加固對(duì)控制地表豎向位移起到顯著作用。盾構(gòu)施工引起的豎向位移自20 mm 變?yōu)?5 mm 內(nèi)，且盾構(gòu)通過(guò)并未表現(xiàn)出明顯的固結(jié)沉降，經(jīng)人工探挖及鉆孔發(fā)現(xiàn)注漿效果良好，形成的漿脈飽滿、密實(shí)，圓滿地穿越了盾構(gòu)穿越砂卵石地層細(xì)顆粒流失區(qū)域，最終成功抵達(dá)接收端（見(jiàn)圖9）。

圖9 注漿對(duì)地表沉降的影響

經(jīng)過(guò)多方面注漿加固后，盾構(gòu)長(zhǎng)期降水區(qū)域后其不同施工階段沉降占比已向常規(guī)占比轉(zhuǎn)化，最大沉降占比階段為盾尾脫出階段，此項(xiàng)數(shù)據(jù)可一定程度上表明注漿的有效性（見(jiàn)圖10）。

圖10 沉降占比示意圖

此外，在穿越既有明挖區(qū)間過(guò)程中，監(jiān)測(cè)斷面表現(xiàn)出的地表沉降曲線因明挖區(qū)間對(duì)土體位移具有一定的限制作用，從而表現(xiàn)出遠(yuǎn)離明挖區(qū)間部位地表沉降大，而靠近明挖區(qū)間部位地表沉降明顯減小的趨勢(shì)（見(jiàn)圖11）。

圖11 既有明挖結(jié)構(gòu)對(duì)土體位移作用

4 結(jié)論

（1）基坑長(zhǎng)期降水會(huì)導(dǎo)致砂卵石地層中細(xì)顆粒流失，形成骨架-孔隙結(jié)構(gòu)。土體處于此種結(jié)構(gòu)時(shí)，并不表現(xiàn)出較大的地表沉降，但受到盾構(gòu)擾動(dòng)后較未降水區(qū)域表現(xiàn)出土體豎向位移增大、豎向位移發(fā)展速度加快等情況。

（2）地表淺表注漿、鉆孔深部注漿、改良同步注漿、優(yōu)化同步注漿材料性質(zhì)對(duì)盾構(gòu)穿越長(zhǎng)期降水導(dǎo)致細(xì)顆粒流失區(qū)域引起的土體豎向位移具有顯著控制作用。

（3）未進(jìn)入降水區(qū)域時(shí)，盾尾脫出階段造成的沉降占比最大，進(jìn)入降水區(qū)域后，后期土體固結(jié)沉降占比增大，甚至超過(guò)盾尾脫出階段引起沉降。