姚先力

(中鐵隧道局集團(tuán)有限公司， 廣東 廣州 511458 )

0 引言

盾構(gòu)法施工作為城市軌道交通建設(shè)的主要施工工法，具有效率高、速度快、對環(huán)境影響小、地質(zhì)適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[1]。王偉等[2]、林寶龍等[3]通過數(shù)值計算和模型分析，得出土壓平衡盾構(gòu)在配合適當(dāng)?shù)妮o助加固措施的情況下完全可以下穿城市景觀河流的結(jié)論；丁智等[4]總結(jié)了隧道施工引起的土體變形對地面建(構(gòu))筑物、既有鐵路等鄰近建(構(gòu))筑物的影響以及盾構(gòu)隧道施工與鄰近建(構(gòu))筑物的相互影響；王占生等[5]對盾構(gòu)施工影響區(qū)域劃分及預(yù)測手段進(jìn)行了研究，并總結(jié)出盾構(gòu)施工引起的建(構(gòu))筑物安全問題與應(yīng)對措施。近年來，就盾構(gòu)隧道穿越施工引起周圍土體擾動問題，王先章[6]提出了相應(yīng)施工控制措施。如何保證盾構(gòu)近距離穿越危險建(構(gòu))筑物的安全穩(wěn)定性和減少其擾動影響，對城市地下軌道交通開發(fā)利用具有重要的實(shí)踐和指導(dǎo)意義。

根據(jù)目前的施工技術(shù)，盾構(gòu)在復(fù)雜環(huán)境中掘進(jìn)對已有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響較大，若無完善可靠的處理措施，其安全及使用功能無法得到保障，將造成巨大損失和不良社會影響。如何控制隧道開挖對既有建(構(gòu))筑物穩(wěn)定性的影響，是近年盾構(gòu)法隧道施工面臨的一個重要問題。針對盾構(gòu)淺埋連續(xù)下穿建(構(gòu))筑物，大多采用超前預(yù)加固、地面加固、樁基托換等措施，但存在工程界面協(xié)調(diào)難度大、工期長、沉降值不易控制、工程造價高等問題，特別是少有針對切割淺埋樁基礎(chǔ)連續(xù)穿越河道、鐵路等建(構(gòu))筑物的研究。

本文以以色列特拉維夫(Tel Aviv)地鐵紅線盾構(gòu)隧道切削鋼筋混凝土樁基并穿越河道和運(yùn)營鐵路為背景，通過數(shù)值模擬軟件計算、盾構(gòu)刀盤切樁試驗(yàn)、地下旋噴樁加固，結(jié)合實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)提出粉砂地層盾構(gòu)連續(xù)穿越河道和鐵路的施工技術(shù)，以期最大程度地減少盾構(gòu)施工對河道和運(yùn)營鐵路穩(wěn)定性及地表沉降的影響。

1 工程概況

1.1 工程簡介

以色列Tel Aviv地鐵紅線土建項(xiàng)目作為全歐標(biāo)體系下進(jìn)行的盾構(gòu)施工項(xiàng)目，采用φ7.54 m盾構(gòu)施工，設(shè)計最大盾構(gòu)推力55 000 kN，額定轉(zhuǎn)矩12 000 kN·m，最大脫困轉(zhuǎn)矩14 000 kN·m,最高轉(zhuǎn)速3.8 r/min。盾構(gòu)刀具類型包括單刃滾刀、中心滾刀、齒刀、切刀、刮刀、仿形刀等，施工中通過在刀盤上安裝不同類型的刀具以適應(yīng)不同地層的開挖。刀具配置如表1所示。

表1 盾構(gòu)刀具配置表

注： 滾刀刀圈直徑43.18 cm。

Tel Aviv地鐵紅線項(xiàng)目盾構(gòu)2次從Galei Gil始發(fā)后，即在143.6 m區(qū)間內(nèi)連續(xù)下穿Ayalon河北岸高速公路、排水管道(直徑1 600 mm)、Ayalon河、運(yùn)營鐵路、南岸高速公路5大主要城市供水、排水和市政交通設(shè)施后進(jìn)入車站，下穿主要建(構(gòu))筑物相對位置關(guān)系見表2。區(qū)間隧道線路位于直線段，2條隧道凈間距為5.2 m，不足1倍洞徑，線路最大縱坡為0.99%，隧道埋深7～15.5 m，其中過河段覆土7 m。Ayalon河道、鐵路、公路和盾構(gòu)下穿示意圖如圖1所示。

表2 盾構(gòu)下穿建(構(gòu))筑物概述表

圖1 Ayalon河道、鐵路、公路和盾構(gòu)下穿示意圖

盾構(gòu)掘進(jìn)斷面內(nèi)侵入隧道范圍內(nèi)共9根樁基，其中φ1.2 m鋼筋混凝土2根(樁長12 m，間距2.8 m，混凝土等級B40，侵入隧道深度7.84 m)；φ1 m鋼筋混凝土樁基1根(樁長12 m，間距4.7 m，混凝土等級B40，侵入隧道深度7.14 m)；φ1 m鋼筋混凝土樁基6根(樁長13.5 m，樁間距1.1 m，混凝土等級B40，侵入隧道深度1.7 m)。受侵入隧道樁基的影響，56#盾構(gòu)穿越河流和鐵路期間刀盤需切割樁基并面臨刀具異常磨損甚至刀盤被困風(fēng)險。

本區(qū)間地下水位相對較高，在盾構(gòu)穿越高速公路、河道、鐵路、公路段，地下水位線位于隧道頂部以上4.5～6.1 m，地質(zhì)主要以SC和K1為主， Kurkar(凝砂塊)在整個地層中的含量不超過20%，強(qiáng)度N值最高可超過50擊(N=50所對應(yīng)的強(qiáng)度為強(qiáng)風(fēng)化巖強(qiáng)度界面)，但達(dá)不到MPa級別。工程主要的地質(zhì)特征如表3所示。

表3 工程地質(zhì)特征

1.2 技術(shù)難點(diǎn)和研究方向

Tel Aviv地鐵紅線項(xiàng)目2條盾構(gòu)隧道埋深淺，凈間距小于1倍洞徑。盾構(gòu)上方為連續(xù)的5個重要城市排水和市政交通設(shè)施，且盾構(gòu)連續(xù)2次穿越，業(yè)主要求的沉降控制指標(biāo)為10 mm，掘進(jìn)過程中盾構(gòu)面臨刀盤被困、沉降超標(biāo)等風(fēng)險。

Ayalon河為明挖排水渠，擋土結(jié)構(gòu)為含土層錨桿的L型鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，河道底部寬度為6 m。結(jié)構(gòu)下部是鋼筋混凝土鉆孔樁基礎(chǔ)，樁徑分別為1 m和1.2 m，樁基侵入左右線隧道約7 m，鋼筋主要為φ32 mm、φ25 mm和φ10 mm帶肋鋼筋，混凝土為B40(相當(dāng)于國內(nèi)C30混凝土等級)，刀盤切削樁基時可能會造成刀體異常磨損、螺機(jī)卡頓甚至刀盤轉(zhuǎn)動異常等影響。侵入隧道樁基參數(shù)見表4。

表4侵入隧道鋼筋混凝土樁基參數(shù)

Table 4 Pammeters of reinforced concrete pile fourdation invading tunnel

樁徑/m樁長/m樁間距/m混凝土等級侵入隧道長度/m侵入隧道根數(shù)1.2122.8B407.8421124.7B407.141113.51.1B401.76

Ayalon河為以色列唯一一條明挖淡水河道，是城市最主要的給排水系統(tǒng)；鐵路線是唯一一條運(yùn)營鐵路，運(yùn)營量大，車次頻繁；且施工區(qū)域內(nèi)人和車流量大，社會關(guān)注度高，環(huán)境保護(hù)部門對河道生態(tài)保護(hù)提出很高的要求。由于以色列當(dāng)?shù)靥厥獾腒uekar地質(zhì)因素，地層孔隙率大且地質(zhì)復(fù)雜多變，部分地層呈夾層交替分布，或含有較大結(jié)晶狀凝砂塊，使得旋噴注漿水泥漿液與不同夾層地層結(jié)合能力不同，且很難與較大的結(jié)晶凝砂塊黏結(jié)；同時，高壓旋噴漿液容易造成地面變形甚至破壞明挖河道混凝土河床，這些因素都增加了注漿加固的難度。

2 盾構(gòu)下穿河堤旋噴注漿加固分析

根據(jù)盾構(gòu)隧道埋深、地層地質(zhì)因素以及類似工程經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合盾構(gòu)下穿施工案例，對河堤及鐵路基礎(chǔ)采取旋噴樁群加固，以減少盾構(gòu)下穿期間切割樁基和地面沉降變形的影響。

結(jié)合建(構(gòu))筑物結(jié)構(gòu)特征，為了減小旋噴注漿加固過程中注漿壓力大和漿液凝固收縮對河床和擋土墻基礎(chǔ)隆起或沉降影響，旋噴注漿采用逐次逼近方法。即第1根旋噴樁單獨(dú)完成，達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度后開始第2根旋噴樁的施工；采用樁體部分重疊相嵌的方法切削上一根旋噴樁部分結(jié)構(gòu)，后依次形成連續(xù)旋噴樁群結(jié)構(gòu)。

為控制盾構(gòu)掘進(jìn)時的地面沉降、切削鋼筋混凝土樁基時的鋼筋影響以及應(yīng)急開艙安全性，設(shè)計旋噴樁加固體范圍超出盾構(gòu)開挖界限2.5 m。對河道東西兩側(cè)河堤的旋噴注漿根據(jù)盾構(gòu)隧道埋深確定加固范圍、深度、傾斜角和注漿長度。河堤加固旋噴樁加固體范圍剖面位置如圖2所示。

圖2 河堤加固旋噴樁加固體范圍剖面位置示意圖(單位： cm )

在旋噴注漿施工前應(yīng)進(jìn)行試樁，對試樁取芯進(jìn)行軸向抗壓強(qiáng)度檢測。部分樁8～13.6 m加固范圍內(nèi)部分芯樣試驗(yàn)參數(shù)見表5。芯樣強(qiáng)度滿足以色列規(guī)范中大于2 MPa的要求。

表5旋噴樁加固區(qū)芯樣試驗(yàn)參數(shù)

Table 5 Test parameters of core sample in jet grouting piles reinforcement area

芯樣高度/mm芯樣直徑/mm高度直徑比軸向最大壓力/kN無側(cè)限抗壓強(qiáng)度/MPa133.873.31.810.62.5136.169.72.011.22.9129.574.21.715.23.5

3 盾構(gòu)切削樁基模擬試驗(yàn)

3.1 切削樁基試驗(yàn)設(shè)計

為了對Tel Aviv盾構(gòu)下穿Ayalon河道切樁的可行性進(jìn)行技術(shù)驗(yàn)證，在盾構(gòu)及掘進(jìn)技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室使用盾構(gòu)綜合實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行直接切割預(yù)制樁基礎(chǔ)的模擬試驗(yàn)，對滾刀和切刀切割方形和圓柱形鋼筋混凝土樁的不同切削方式和切削效果以及刀具振動特性、鋼筋破壞形式和受力條件等進(jìn)行試驗(yàn)研究。

試驗(yàn)設(shè)置2套刀具方案： 第1套只配備滾刀，第2套只配備切刀。同時，為驗(yàn)證混凝土強(qiáng)度對切削樁的影響，采用C30和C50 2種混凝土樁分別進(jìn)行試驗(yàn)。兩樁間隙填滿M5水泥砂漿。刀盤切割直徑為2 280 mm，模擬巖石厚度為500 mm。方形樁與圓形樁平行排列在同一塊巖石中，圓形樁直徑為1 200 mm，方樁截面尺寸為450 mm×400 mm。方形樁和圓形樁對稱地排列在大型地基上，間距為280 mm。圓樁和方樁采用φ25 mm和φ12 mm帶肋鋼筋。刀具布置如圖3所示，刀具類型如圖4所示，樁基布置如圖5所示。

2種方案分別安裝了多組不同類型的土壓傳感器和鋼筋應(yīng)力計，以便準(zhǔn)確地獲得樁基應(yīng)力和鋼筋應(yīng)力變化情況。針對不同刀具對不同混凝土樣品分別進(jìn)行垂直和水平切削試驗(yàn)，進(jìn)一步確定不同刀具的破巖和切割鋼筋效率，以滿足實(shí)際切削樁基時刀具的布置和結(jié)構(gòu)的要求。試驗(yàn)內(nèi)容包括： 靜巖侵入試驗(yàn)、給定轉(zhuǎn)速下不同推力侵入試驗(yàn)、滾刀的破巖試驗(yàn)以及切刀的破巖試驗(yàn)等。

圖3 刀盤刀具布置示意圖

(a) 單刃滾刀

(b) 雙刃滾刀

(c) 撕裂刀

(a) 平面圖

(b) 剖面圖

3.2 試驗(yàn)結(jié)論

3.2.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)比較和分析

通過對掘進(jìn)速度、刀盤轉(zhuǎn)速的控制,收集不同刀具對不同類型混凝土的掘進(jìn)推力和轉(zhuǎn)矩變化并進(jìn)行比較，以及對測試過程(聲音、振動)的觀察和監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集，匯總得到的參數(shù)如表6所示。

表6 盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)統(tǒng)計表

由表6可得到以下結(jié)論。

1)對多組試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析比較可知，切割低強(qiáng)度混凝土所需推力和轉(zhuǎn)矩明顯小于高強(qiáng)度混凝土；切割純混凝土所需的推力和轉(zhuǎn)矩明顯小于切割鋼筋層所需的推力和轉(zhuǎn)矩。同時，混凝土等級越高，刀具切割時鋼筋對刀具的影響越小。

2)滾刀和切刀2種刀具切割機(jī)制不同。滾刀切割鋼筋混凝土，混凝土受擠壓和斷裂破壞，鋼筋受到剪-壓、剪-拉、彎曲或斷裂拉力的作用，鋼筋的破壞機(jī)制與混凝土的抗壓強(qiáng)度、邊界條件和掘進(jìn)參數(shù)(掘進(jìn)速度和刀具轉(zhuǎn)速)有關(guān)，存在明顯彎曲變形特征；刮刀切割混凝土，混凝土受剪切和擠壓破壞，裂縫明顯，鋼筋主要以剪切、剪-拉或剪切-彎曲破壞為主。

3)滾刀對混凝土切割效果明顯，破巖效率高，但切割鋼筋效率低；刮刀切割鋼筋效率高，但由于在一定的掘進(jìn)速度下切削轉(zhuǎn)矩不足，會出現(xiàn)刀盤卡住的情況，掘進(jìn)中可通過提高刀盤轉(zhuǎn)速減緩這一情況，但不建議盲目提高刀盤轉(zhuǎn)速。

3.2.2 試驗(yàn)對盾構(gòu)實(shí)際切削樁基的指導(dǎo)

通過對盾構(gòu)切割樁基試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，結(jié)合已有工程經(jīng)驗(yàn)，對盾構(gòu)下穿Ayalon河道時切樁施工建議如下。

1)切割樁基前，應(yīng)詳細(xì)確定樁基的混凝土強(qiáng)度、鋼筋類型、樁基保護(hù)層和鋼筋長度(確定邊界條件)，并根據(jù)鋼筋邊界條件、邊界應(yīng)力、鋼筋銹蝕程度對鋼筋的斷裂形式、變形形式和長度進(jìn)行預(yù)判。

2)切割鋼筋混凝土樁時，應(yīng)同時設(shè)置滾刀和刮刀。滾刀用于切削混凝土，而刮刀主要用于切割鋼筋。刮刀間距與螺旋輸送機(jī)能通過的最大鋼筋長度相匹配。并根據(jù)混凝土的抗壓強(qiáng)度和黏結(jié)應(yīng)力來確定滾刀與刮刀之間的距離。在混凝土強(qiáng)度和黏結(jié)應(yīng)力較低的情況下，應(yīng)增大滾刀與刮刀的高差；反之，應(yīng)減小滾刀與刮刀的高差。

3)切削鋼筋混凝土樁時，應(yīng)根據(jù)混凝土強(qiáng)度等級調(diào)整最佳掘進(jìn)速度和刀盤轉(zhuǎn)速，以達(dá)到最佳的掘進(jìn)性能。當(dāng)盾構(gòu)切割鋼筋時，應(yīng)按照“低掘進(jìn)速度、高轉(zhuǎn)速、小擾動”的原則，可提高切割鋼筋的能力。

4 盾構(gòu)刀盤切削混凝土樁基和旋噴加固區(qū)施工技術(shù)

Ayalon河河堤下樁基侵入隧道部分剖面如圖6所示，其中φ1 000 mm和φ1 200 mm的鋼筋混凝土鉆孔樁9根，侵入隧道約7 m；φ500 mm混凝土預(yù)制樁5根，侵入隧道約5.9 m。為保證盾構(gòu)順利通過樁基，根據(jù)上述切樁試驗(yàn)可知，樁基周邊土體強(qiáng)度越高，盾構(gòu)切割樁基時對樁基鋼筋的影響越小。因此,對河堤和樁基區(qū)域進(jìn)行旋噴樁加固可提高樁周邊土體強(qiáng)度，不僅能起到對河堤的保護(hù)作用，同時可減小盾構(gòu)切割樁基鋼筋時帶來的影響。

結(jié)合盾構(gòu)自身性能參數(shù)和試驗(yàn)結(jié)果，設(shè)定盾構(gòu)通過加固區(qū)和切削樁基期間掘進(jìn)參數(shù)如表7所示。

圖6 侵入隧道樁基剖面圖(單位： cm)

刀盤轉(zhuǎn)速/(r/min)土艙土壓力/kPa推力/kN轉(zhuǎn)矩/(kN·m)速度/(m/min)環(huán)注漿量/(m3/環(huán))注漿壓力/kPa出碴體積/m3出碴質(zhì)量/t1.0～1.2120～15018 000～20 0002 500～4 50020～356.5～7.5200～350100～110120～130

5#、6#盾構(gòu)在下穿Ayalon河及鐵路施工中，在5#隧道掘進(jìn)中根據(jù)掘進(jìn)參數(shù)明顯反映出刀盤切削樁基過程中卡螺機(jī)狀況時有發(fā)生，可通過螺機(jī)伸縮或正反轉(zhuǎn)得到解決，部分切斷鋼筋從螺機(jī)口隨碴土排除，部分鋼筋在盾構(gòu)到站開艙后取出； 6#隧道在該區(qū)段掘進(jìn)時掘進(jìn)參數(shù)上沒有明顯反映。圖7示出5#隧道盾構(gòu)通過旋噴加固區(qū)和切削樁基過程中盾構(gòu)推力和轉(zhuǎn)矩參數(shù)變化，5#隧道對應(yīng)河堤旋噴加固區(qū)域掘進(jìn)環(huán)號為18—26環(huán)和35—44環(huán)。由圖7可知，加固區(qū)域平均推力21 049.4 kN，平均轉(zhuǎn)矩4 360.1 kN·m；未加固區(qū)域平均推力17 365.8 kN，平均轉(zhuǎn)矩3 580.9 kN·m；盾構(gòu)通過樁基加固區(qū)過程中，平均推力增大3 684 kN,轉(zhuǎn)矩增大780 kN·m。盾構(gòu)切削樁基碴土狀態(tài)如圖8所示，水泥與大部分砂粒形成膠結(jié)加固體，強(qiáng)度較高，加固范圍大。盾構(gòu)切割后的鋼筋照片如圖9所示，大直徑鋼筋主要以剪-切、剪-拉、斷裂破壞為主，小直徑鋼筋呈拉伸斷裂、彎曲等破壞形式。

圖75#隧道盾構(gòu)通過旋噴加固區(qū)和切削樁基過程中盾構(gòu)的推力和轉(zhuǎn)矩

Fig. 7 Thrust and torque of shield tunneling through jet grouting reinforcement zones and cutting process of pile foundations in #5 tunnel

(a)

(b)

圖9 盾構(gòu)切割后的鋼筋

5 盾構(gòu)臨近既有建(構(gòu))筑物施工沉降控制技術(shù)

5.1 建(構(gòu))筑物沉降分析

采用PLAXIS有限元數(shù)學(xué)模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)計算，得出現(xiàn)有結(jié)構(gòu)附加力和沉降的計算值，以驗(yàn)證盾構(gòu)下穿期間和之后的結(jié)構(gòu)完整性[5]。

Ayalon河道下方隧道埋深淺，是沉降控制點(diǎn)，盾構(gòu)下穿前采用旋噴加固注漿對河堤擋土墻進(jìn)行加固?？紤]到鐵路和高速公路為主要市政交通要道，難以進(jìn)行加固注漿處理，在隧道開挖土體損失控制在0.5%以內(nèi)時引起的預(yù)期沉降量相對較小。因此，在實(shí)際掘進(jìn)過程中將土體損失減至0.3%，以減少下穿施工對現(xiàn)有鐵路及公路的影響；在掘進(jìn)期間，對各結(jié)構(gòu)持續(xù)監(jiān)控并作為指導(dǎo)盾構(gòu)掘進(jìn)的重要參數(shù)[7]。

先針對不同結(jié)構(gòu)的加固方式和掘進(jìn)控制方式進(jìn)行有限元數(shù)學(xué)模型計算分析，結(jié)構(gòu)荷載作用如圖10所示。鐵路未加固情況下正常荷載和極限荷載作用下的沉降變形如圖11所示，由圖11可知，未加固狀態(tài)下正常荷載最大沉降值為14.35 mm，滿荷載最大沉降值為20.71 mm。河堤旋噴加固后極限荷載作用下的河堤沉降變形如圖12所示，最大沉降為3.69 mm[8]。

圖10 隧道上方結(jié)構(gòu)荷載作用示意圖

(a) 正常荷載(50%荷載) (b) 極限荷載(100%荷載)

圖11鐵路未加固情況下荷載作用下的沉降變形

Fig. 11 Settlement deformation under load action of railway without reinforcement

圖12旋噴加固后極限荷載作用下的河堤沉降變形

Fig. 12 Embankment settlement deformation under ultimate load after jet grouting reinforcement

5.2 沉降監(jiān)測系統(tǒng)

盾構(gòu)通過Ayalon河道、公路、鐵路過程中，采用VMT公司提供的自動化監(jiān)控系統(tǒng)和人工測量監(jiān)測相結(jié)合的監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)時對Ayalon河道和鐵路進(jìn)行沉降監(jiān)測。VMT自動監(jiān)測系統(tǒng)在高測量頻率下對建(構(gòu))筑物進(jìn)行全自動監(jiān)控并生成詳細(xì)、連續(xù)的監(jiān)測數(shù)據(jù)文檔，使人工成本和對外界干擾最優(yōu)化，同時結(jié)合人工測量監(jiān)測，及時準(zhǔn)確并有針對性地對建(構(gòu))筑物進(jìn)行監(jiān)控。

監(jiān)控設(shè)備使用Leica公司的“TS60”全自動全站儀，精度為0.5″，(0.6±0.001)mm。數(shù)據(jù)記錄器和通訊箱使用VMT公司產(chǎn)品。目標(biāo)棱鏡使用Leica公司制造的標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品，測量精度±1 mm。圖13示出自動化監(jiān)測系統(tǒng)布置圖和監(jiān)測數(shù)據(jù)圖,圖14示出鐵路自動化監(jiān)測點(diǎn)沉降圖。

沿隧道縱向軸線位置布設(shè)沉降觀測點(diǎn)(在地表、地下管線等控制沉降要求較嚴(yán)的影響區(qū)域內(nèi)布設(shè)橫斷面)，在盾構(gòu)推進(jìn)過程中進(jìn)行跟蹤沉降觀測，將所測沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并及時反饋，為優(yōu)化施工參數(shù)提供依據(jù)。通過對實(shí)測數(shù)據(jù)與施工參數(shù)的采集和整理，形成較為完善的土壓平衡盾構(gòu)施工智能數(shù)據(jù)庫；通過不斷完善施工工藝，控制施工后地表最大變形量在10 mm之內(nèi)[9]。

(a) 自動化監(jiān)測系統(tǒng)布置圖

(b) 監(jiān)測數(shù)據(jù)圖

Fig. 13 Automatic monitoring system and monitoring data of river embankment settlement on east and west sides

(a) 5#盾構(gòu)

(b) 6#盾構(gòu)

5.3 盾構(gòu)掘進(jìn)與沉降控制方案

5.3.1 建(構(gòu))筑物沉降控制

在分析結(jié)構(gòu)條件和場地約束條件的基礎(chǔ)上，針對不同結(jié)構(gòu)進(jìn)行不同的沉降控制方案是盾構(gòu)下穿建(構(gòu))筑物的重要措施[10]。在河堤擋土墻下，采用旋噴注漿加固以減輕墻體結(jié)構(gòu)的沉降和破壞;在Ayalon公路和鐵路地區(qū)，通過加強(qiáng)盾構(gòu)掘進(jìn)控制和土體損失控制，使沉降控制在設(shè)計范圍內(nèi)。根據(jù)模型計算，河堤擋土墻在盾構(gòu)通過后沉降為3.7 mm，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定；不加固條件下正常運(yùn)營鐵路的沉降預(yù)估計值可達(dá)15 mm，滿荷載作用下沉降可達(dá)21 mm。施工中將盾構(gòu)下穿鐵路時間安排在周六沒有火車通行的情況下進(jìn)行，以減小荷載，并在軌道發(fā)生大的沉降后馬上進(jìn)行修復(fù)。

5.3.2 建(構(gòu))筑物沉降和盾構(gòu)掘進(jìn)控制

盾構(gòu)掘進(jìn)樁基群和下穿Ayalon河道及鐵路施工是地面變形最劇烈的階段，嚴(yán)格控制掘進(jìn)施工參數(shù)是保證盾構(gòu)安全順利通過的關(guān)鍵。其控制要點(diǎn)如下。

1)嚴(yán)格控制盾構(gòu)的掘進(jìn)參數(shù)和掘進(jìn)方向，優(yōu)化調(diào)整各系統(tǒng)參數(shù)，保證盾構(gòu)的順利掘進(jìn)。

2)土壓力控制。土艙壓力的影響因素主要有盾構(gòu)掘進(jìn)速度、出碴速度、碴土改良效果、推力等，根據(jù)設(shè)計要求，土壓力控制在120～150 kPa，大于設(shè)計土壓力20 kPa。使切口正面土體保持穩(wěn)定狀態(tài)。

3)出碴量的控制。采用自動化碴土秤重系統(tǒng)和體積掃描設(shè)備，監(jiān)測盾構(gòu)掘進(jìn)環(huán)出碴量，每環(huán)理論出碴量(實(shí)方)V=π×(D/2)2×L=3.14×(7.54/2)2×1.5=66.94 m3；每環(huán)理論出碴量(質(zhì)量)T=γV=1.9×66.94=127.19 t。其中：D為盾構(gòu)刀盤直徑，L為每環(huán)寬1.5 m，γ為土壤重度，碴土的松散系數(shù)取1.4。每環(huán)的出碴量約為66.94×1.4=93.72 m3。

4)同步注漿及二次注漿。①注漿壓力：為保證達(dá)到對盾尾空隙的有效充填，同時又能確保管片結(jié)構(gòu)不因注漿產(chǎn)生變形和損壞，根據(jù)計算和經(jīng)驗(yàn)，注漿壓力取值為2.0～3.5 MPa。②注漿量： 同步注漿量取環(huán)形間隙理論體積的1.08～1.2倍，采用6泵6管路(6注入點(diǎn))對稱同時注漿。③注漿速度： 同步注漿速度應(yīng)與掘進(jìn)速度相匹配，采用注漿壓力和注漿量雙指標(biāo)控制注漿量。④二次注漿一般情況下低于該段地層掘進(jìn)壓力20 kPa，注漿漿液配比見表8。

表8 注漿漿液配合比參數(shù)

6 結(jié)論與建議

本區(qū)間隧道6#盾構(gòu)于2017年2月21日—3月19日完成穿越，用時27 d，累計掘進(jìn)104環(huán)約156 m;5#盾構(gòu)于2017年4月4日—4月28日完成穿越，用時25 d，累計掘進(jìn)110環(huán)約165 m。2臺盾構(gòu)順利通過Ayalon河道和運(yùn)營鐵路，穿越后經(jīng)地面監(jiān)測無后續(xù)沉降發(fā)生。對典型Kuakar地層淺埋盾構(gòu)連續(xù)多次穿越河道和鐵路的施工技術(shù)總結(jié)與建議如下。

1)地層加固的應(yīng)用。對河道河堤和鐵路邊線進(jìn)行旋噴注漿加固是保證盾構(gòu)安全順利穿越的重要技術(shù)措施。在后續(xù)掘進(jìn)施工中，從掘進(jìn)參數(shù)和碴土效果等情況分析，旋噴注漿加固效果良好，對河堤和運(yùn)營鐵路起到非常重要的防護(hù)作用。

2)刀盤配置設(shè)計。在盾構(gòu)下穿淺埋、結(jié)構(gòu)復(fù)雜建(構(gòu))筑物前，應(yīng)根據(jù)地質(zhì)條件、建(構(gòu))筑物設(shè)計參數(shù)，依托模擬和試驗(yàn)設(shè)計盾構(gòu)刀盤、刀盤類型、參數(shù)和分布。

3)選擇合理的盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)。針對區(qū)間地層、建(構(gòu))筑物特點(diǎn)，先進(jìn)行風(fēng)險評估、加固、掘進(jìn)參數(shù)設(shè)定，掘進(jìn)時保持土體穩(wěn)定，控制出碴量，并加強(qiáng)地面監(jiān)測。

盾構(gòu)掘進(jìn)過程中通過以上方案的實(shí)施，最終將建(構(gòu))筑物沉降控制5 mm以內(nèi)，其中河道堤岸沉降3.3 mm，鐵路側(cè)累計沉降最大為12 mm(含旋噴注漿加固時沉降8 mm)。實(shí)際工程施工表明，采用旋噴加固、合理刀盤切割能力配置、控制掘進(jìn)施工參數(shù)、加強(qiáng)地面監(jiān)測并反饋信息指導(dǎo)施工，是對典型Kuakar地層淺埋盾構(gòu)連續(xù)多次穿越河道和鐵路施工技術(shù)的重要保障，也是對土壓平衡盾構(gòu)穿越河道和危險建(構(gòu))筑物施工工法和技術(shù)的創(chuàng)新和驗(yàn)證。

目前工法僅滿足當(dāng)前邊界條件需求，但對于危險建(構(gòu))筑物、軟弱地層、不具備加固條件等問題，如何能夠近距離、安全、平穩(wěn)下穿建(構(gòu))筑物是今后軌道交通盾構(gòu)施工研究方向。