发布于：2022-10-08 10:07:08
来自：道路桥梁/隧道工程
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摘 要 ： 针对成都地铁6号线西华大道站至金府站区间隧道下穿既有河道的案例，总结盾构隧道下穿既有河道施工期间盾构机掘进参数和地层加固的工程措施，采用数值方法对盾构机掘进所引起的地层沉降和既有河道地层注浆加固效果进行模拟计算，并对盾构隧道施工期间的监测数据进行分析。
结果表明：土压平衡盾构隧道下穿既有河道施工期所采取的土体改良、土舱压力、掘进参数和注浆加固措施是有效的，保障了地铁双线区间盾构隧道下穿既有河道施工安全与既有河道的正常运行。
在城市区域新建地铁线路时通常需要穿越或近接城市中诸如河道、桥梁桩基础等既有建（构）筑物。而如何控制新建地铁区间隧道在下穿既有建构筑物施工所引起的地层沉降，保障既有建构筑物和区间隧道施工的安全，则是地铁建设中需要解决的技术问题。
基于此，针对成都地铁6号线西华大道站至金府站区间盾构法隧道下穿既有河道的案例，就区间隧道下穿既有河道施工期间的安全与地层沉降控制措施进行分析，总结土压平衡盾构机在下穿既有河道期间的掘进参数和地层加固等措施，用数值模拟计算方法分析对地层进行注浆加固措施的实施效果，并根据模拟计算的结果对河道地层进行加固，对比分析盾构隧道下穿河道期间的地层与河道沉降值，验证了盾构隧道施工期所采取控制措施的有效性。
成都地铁6号线西华大道站至金府站区间左、右线暗挖隧道采用ZTE6250型土压平衡盾构机进行掘进施工。针对成都地区砂卵石地层，盾构机刀盘开口率设置为37%。区间隧道的左线在里程ZDK23+341.29~ZDK23+372、右线在里程YDK23+333.262~YDK23+364.6段分别下穿既有的南堰河。南堰河河床宽10m，河道深3.5m，河道底板为模筑钢筋混凝土底板。以里程ZDK23+348处的区间隧道与下穿既有河道段之间的横断面为例，该处区间隧道和地层以及既有南堰河之间横截面如图1所示，河道与既有隧道的空间位置关系如图2所示。
地铁区间隧道下穿河道段的地层自上而下依次为：1第四系松散卵石土，层厚4.1m；2稍密卵石层，层厚2.1m；3中密卵石层，层厚15.8m。下穿段地层中的地下水位高度约为6.9m。区间隧道轴线与河道轴线之间的夹角为56°。区间盾构法隧道下穿既有河道施工期间对河道的影响长度约30m。
为使土压平衡盾构机平稳、快速地下穿既有的南堰河，需要分别对盾构机在掘进期间的参数和施工工艺进行精确控制，及时随盾构机掘进在盾尾实施同步注浆和二次注浆，进而降低盾构机掘进所引起的地层损失和由此而引发的地层沉降。
在盾构机下穿南堰河河道时，采用了膨润土泥浆与泡沫来改良刀盘前方土体，膨润土泥浆和泡沫的注入率均为15%，其中膨润土泥浆根据水：膨润土的重量比为100：52进行配置，并经过24h的混合膨化。泡沫混合溶液的浓度为4%，发泡率为20%。在盾构机下穿南堰河河道掘进时，将盾构机泡沫系统设置为半自动模式，保证外循环的水压力不小于0.5MPa，并且使泡沫原液泵和水泵的出口流量分别控制在2.5~3.0L/min和70L/min，压力控制在0.65MPa。混合溶液的流量控制在15~25L/min，泡沫管路中的流量则控制在350~450L/min，此外将空气压力设置在0.35MPa。
在盾构机下穿南堰河道的掘进期间，盾构机刀盘土舱内的压力初始值按照下式计算。
式中： k 0为侧压力系数，取 k 0=0.25； γ 为土体容重，取 γ =20.4kN/m3； h 为开挖工作面中心点的覆土厚度，取 h =19.2m。
通过计算得到土舱压力为97.92kPa。在此基础上考虑1.1~1.3的放大系数，使盾构机在下穿南堰河河道段掘进期间的土舱压力保持在0.11~0.13 MPa。
为使盾构机刀盘的掘进速度和转速保持平稳，减少盾构机推进开挖对砂卵石地层的扰动，适当提高推进速度，将盾构机下穿河道段的掘进速度保持在40~50mm/min，并且使刀盘的转速保持在1.2~1.3r/min。
经理论计算盾构机千斤顶在其下穿南堰河掘进期间的总推力为10772kN，而刀盘的扭矩值为2878kN·m。
考虑到地层的不均匀性及个别大直径卵石等的影响，将计算值乘以1.05~1.1的放大系数，由此得到盾构机下穿南堰河掘进时千斤顶的总推力保持在11300~12000kN，而使盾构机刀盘扭矩的调整系数设置为1.4~1.6，由此盾构机刀盘的扭矩应保持在4000~5000kN·m，以便适当加快盾构机的推进速度。
土压平衡式盾构机在下穿南堰河河道段掘进期间的螺旋排土器的理论排土量 Q L按下式计算：
式中： D 为盾构机刀盘的最大开挖直径，取 D =6.28m； V max为盾构机的推进速度，对于砂卵石地层而言，可取 V max=50mm/min×60min/h=3.0m/h； α 为砂卵石土的松散系数，取 α =1.2。
经计算盾构机掘进期间的最大理论排土量为112m3/h。
为此，在盾构机下穿南堰河河道段的掘进期间，分别采用控制排土体积和复核排土重量相结合的控制方法，将螺旋排土器的排土量控制在112m3/h以内，确保土舱压力的稳定。
同步注浆在现场实施时可分别从浆液配比、注浆压力、注浆量、注浆速度和时间加以控制，对其分别叙述如下。
结合成都地区在砂卵石土地层中土压平衡盾构隧道的施工经验，下穿南堰河河道段同步注浆的浆液质量配合比见表1。
根据对土压平衡盾构机下穿南堰河掘进期间实测参数的统计，可将同步注浆压力的调整系数设置为1.2~1.4。此外，在盾构机推进期间采用4个注浆孔同时在盾尾实施同步注浆，隧道内同步注浆孔的设置如图3所示。
同步注浆时使拱部左、右2个注浆孔的压力保持为0.125MPa，而使边墙脚处左、右2个注浆孔的压力保持为0.145MPa。先对孔2和3实施注浆，然后再对孔1和4实施注浆。
在盾构机掘进期间盾尾实施的同步注浆应充满盾尾管片与周围砂卵石土体之间的空隙。盾尾同步注浆量 Q 按下式计算：
式中 D 1为盾构机刀盘的外径，取 D 1=6.28m； D 2为盾构隧道管片的外径，取 D 2=6.0m； L 为每环管片的长度，取 L =1.5m； λ 为浆液的注浆率，取 λ =1.6。
由式（3）计算得到区间隧道施工期间在盾尾实施的同步注浆量为6.48m3/环。结合盾构机下穿南堰河的地层条件为砂卵石层，因而实际掘进期间盾尾的同步注浆量宜为理论计算量的1.3~1.4倍，即控制注浆量在6~8m3/环。
在盾构隧道下穿南堰河施工期间，盾构机盾尾的同步注浆采用“掘进与注浆同步，不注浆则不掘进”的原则。此外，以每循环达到的总注浆量来控制盾构机的掘进速度，并通过同步注浆压力和同步注浆量2个指标确定注浆时间。
当盾构机下穿河道段时，每掘进20环即在盾尾进行1次二次注浆。此外，对已脱出盾尾的2~3环管片，随盾构机掘进及时实施二次注浆和跟踪注浆，填充预制管片背后形成的空隙，防止管片背后地下水流入土舱内而引发螺旋机的喷涌。二次注浆均采用人工手动控制，注浆的顺序可根据实际及时调整，同一环管片部位的注浆应按“先拱顶后两腰，且使两腰对称”的顺序实施。现场二次注浆的浆液配比和控制基准叙述如下。
二次注浆的浆液采用水泥–硅酸钠双液浆，水泥浆中水与灰的重量比为0.8∶1，而硅酸钠与水的体积比为1∶1，水泥浆与硅酸钠浆液的体积比为1∶1。
二次注浆的控制标准为：（1）注浆压力宜控制在0.4MPa以内；（2）注浆量可根据现场注浆记录和注浆效果，并结合地表与河道的沉降监测值及时调整；（3）当发现已拼装管片存在有明显变形时应立即刻停止注浆；（4）先压注管片背后可能存在较大空隙的区域；（5）注浆按照从拱顶到拱脚的顺序进行实施。
在区间隧道内采用深孔注浆的措施为：深孔注浆管采用28优质钢管，长度3m，并在其上靠注浆一侧的2.0m长度范围内以250mm的间距打设直径为10的钻孔，将孔在钢管上以梅花形方式进行设置。注浆时在隧道内搭设脚手架作为作业平台，并打通管片上的吊装孔或预留的径向注浆孔，用夯管锤将钢花管打入隧道周围的砂卵石地层，采用二次注浆头封堵。通过钢花管将按照水灰比的重量比为0.8∶1配置的水泥浆以压力为0.5~1.0MPa注入砂卵石地层，深孔注浆的范围为区间隧道拱顶120°范围内的地层，注浆孔的深度为3m。
为减少盾构隧道下穿南堰河掘进施工完成后因地层中大直径卵石脱落形成的局部空洞坍塌而引发的砂卵石地层滞后沉降量，可采用洞内深孔注浆、河底袖阀管注浆及两者相结合的方式对河底的砂卵石地层进行加固。
为选择合理可行的注浆方法，建立三维有限元模型就地铁盾构隧道下穿既有河道后的实施效果进行仿真计算与对比。
三维有限单元数值仿真计算的模拟工况分别如下。工况1：在盾构隧道内沿隧道轴线左、右两侧30m范围内采用洞内深孔注浆加固；工况2：沿既有河道轴线左、右30m范围内从地面对河道底部地层进行注浆加固；工况3：采用洞内深孔注浆与河底注浆加固相结合的加固措施。
根据上述3种工况建立的三维有限元数值计算模型分别如图4、图5和图6所示，其中工况3为工况1和工况2两者的组合。
三维有限元数值模型中的物理和力学参数见表2，盾尾管片与地层之间的空隙和同步注浆层则以等代层加以模拟，其参数见表3。
为便于计算，将砂卵石地层视为各向同性介质，其应力和应变本构关系符合Mohr-Coulomb屈服准则，模拟计算中不考虑地下水的渗流作用。
模拟计算中管片横向刚度以0.7折减，管片纵向抗弯、抗剪刚度以0.01折减，而纵向抗压刚度不 折减。
根据成都地区在砂卵石地层中土压平衡盾构法施工隧道的经验，数值仿真中模拟盾构隧道下穿南堰河河道段盾构机的总推力为11849kN，土舱压力为0.116MPa，同步注浆压力为0.35MPa。
为分析地层注浆加固对河道与地层沉降的影响，沿河道轴线与地面布置沉降监测断面，各个监测点按监测断面上的节点选取，沉降监测断面如图7所示。
计算结果与分析通过对上述3种工况下的模拟计算，分别得到对应工况下各个监测断面处河道底板的沉降值，左线和右线隧道在施工期间河道底板监测的沉降曲线如图8所示。
从图8可知，工况1下盾构隧道掘进期间河道沉降值最大，工况2次之，工况3下施工引起河道沉降最小。
在3种工况下左、右线隧道掘进完成后河道底部的累计最大沉降值见表4。
从表4可见，当盾构机掘进完成后，3种加固方案下河道底部的最大沉降值均小于10mm，且满足小于盾构区间隧道下穿南堰河河道变形控制值10mm的要求。
因此，为便于现场操作，选取工况1，即从盾构隧道洞内对南堰河河道底部砂卵石地层进行深孔注浆加固的方案。
为分析地铁区间隧道下穿南堰河施工期间所引起的地层与河道变形，在区间隧道下穿南堰河河道施工期间同时对河道和地表的沉降进行了监测。
河道和地面沉降的监测点的平面布置如图9所示，地表沉降监测点沿隧道横截面的纵向布置如图10所示。2个相邻监测点的间距为5m。
为分析区间隧道施工期间引起的既有河道与地面的沉降状况，以地表监测断面D2中的左线中心点DBZ345、右线中心点DBY345以及这2点之间连线的中点DB345-6为地表沉降监测点。
该3点随盾构机推进而引发的地表沉降曲线如图11所示，地表监测断面D2的沉降槽变化如图12所示。
由图11和图12可得，在区间左线隧道下穿河道时，测点DBZ345和DBZ345-6处的下沉速率要大于测点DBY345处的沉降速率。
当左、右线盾构机掘进通过下穿河道后，上述3个特征点的地表沉降值趋于12mm，且小于地表沉降 控制值25mm，满足盾构隧道下穿既有南堰河时地表沉降控制值的要求。
根据盾构区间隧道下穿既有南堰河时地表沉降监测结果，得到左线隧道轴线对应的河道沉降监测点JZ3-9、右线隧道轴线对应的河道沉降监测点JZ3-7及点JZ3-7与点JZ3-9连线中点所对应的河道沉降监测点JZ3-8处的沉降与盾构机推进时间的关系曲线如图13所示。
由图13可得，当左线隧道掘进完成后，河道的3个监测点沉降值均呈下降趋势，随着右线隧道盾构机的掘进，河道右线中心点JZ3-7的沉降值下降最为迅速，河道的沉降稳定值为7.75mm。
通过对盾构区间隧道下穿南堰河施工期间河道监测点沉降值的结果分析表明，盾构掘进施工期间所引起的河道底部沉降值均小于河道沉降限制值10mm的要求。
因此，成都地铁6号线西华大道至金府站盾构区间隧道在下穿既有南堰河时所引起的地层沉降未对南堰河的正常使用产生影响，未发生地层的滞后沉降。
由此表明，所采用的洞内深孔注浆加固地层的措施是有效的，保障了盾构隧道和河道的安全。建成后的西金区间左右线隧道如图14所示。
通过对成都地铁6号线西华大道站至金府站区间盾构法隧道下穿既有南堰河施工期间的盾构机掘进参数、地层与河道沉降控制措施的模拟计算，并将其结果与隧道施工期间监测结果进行了对比，得出如下结论。
（1）在砂卵石地层中采用土压平衡盾构法隧道下穿既有河道段的安全控制措施可从2个方面考虑，既要精细控制盾构机在下穿河道期间的掘进参数，同时还要对砂卵石地层进行注浆加固，以提高河道周围砂卵石地层抵抗剪切破坏的能力，进而降低施工引发的沉降变形。
（2）成都地铁6号线西金区间隧道成功下穿南堰河的实践表明，土压平衡盾构机掘进参数的控制可从土舱内渣土改良、土舱内的压力、盾构机掘进速度和刀盘转速、盾构机总推力与刀盘扭矩以及螺旋机的排土量等方面加以考虑。
（3）三维有限元数值仿真计算的结果表明，通过区间隧道洞内深孔注浆加固地层的措施可减少盾构掘进施工后期引起的河道滞后沉降，且河道沉降值小于确保河道安全运行的沉降控制值。
（4）从盾构机下穿南堰河施工期间现场监测的地层沉降曲线分析，在区间隧道左、右线下穿既有河道的掘进期间，掘进施工所引起的地表和河道的累计沉降最大值小于沉降控制值。
由此表明在土压平衡盾构隧道下穿南堰河施工期间所采用的盾构机掘进参数和工程措施是有效的，可为类似砂卵石地层中地铁盾构隧道下穿既有河道的施工提供借鉴。
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