军工路隧道斜向穿越防汛墙施工技术探讨

1　概述
　　军工路越江隧道工程线路与复兴岛运河防汛墙呈25°夹角，盾构机推进长距离斜向穿越了复兴岛运河防汛墙。穿越防汛墙过程中，切口断面内覆土深度不均匀；并且在短距离内随着覆土变化Δh变大，相应的切口泥水压力变化Δp也增大。因此，盾构推进参数设定和防汛墙沉降控制的难度也相应增加。
　　1.1　工程概况
　　军工路越江隧道工程圆隧道段施工采用一台Φ14.87m泥水平衡盾构机，圆隧道段长1500m，西线隧道穿越复兴岛运河段长约200m。该区段圆隧道轴线与复兴岛运河防汛墙平面呈25°夹角(见图1)，运河两侧防汛墙受影响区段宽度达40m。运河防汛墙两侧地面与河漫滩高程差平均约3.5m（见图2），河漫滩位置隧道顶部覆土最小为12.9m，小于盾构机直径14.87m。




　　1.2　工程地质
　　盾构穿越复兴岛运河防汛墙区段，涉及土层主要有④灰色淤泥质黏土、⑤1灰色粉质黏土、⑥暗绿～草黄色粉质黏土和⑦1草黄色砂质粉土。工程涉及的承压水分布于⑦1砂质粉土层、⑦2粉细砂层中。地基土物理力学性质指标见表1。


2　盾构机斜向穿越防汛墙施工难点分析
　　长距离条件下斜向穿越防汛墙施工，难点主要为防汛墙沉降控制和地面及河床的防冒顶，以及二者之间相互制约关系的协调。图3为盾构机穿越防汛墙示意图。


　　1)防汛墙沉降控制　　
　　在中心城区施工，地表沉降控制要求较高，尤其是城市河流的防汛墙等重要构建筑物。以上海为例，黄浦江以及其他河流的防汛墙沉降控制要求小于20mm。对于超大直径泥水平衡盾构推进施工而言，地表沉降控制难度更大。
　　2)覆土变化Δh产生的影响
　　如图3(1)所示，当隧道纵向与防汛墙平面斜向相交叉时，盾构推进施工过程中，切口横断面内存在一侧是防汛墙及陆地，另一侧是河漫滩边坡，而二者存在高差Δh，如图3(2)。因此该工况条件下，泥水切口压力的设定，既要考虑控制防汛墙及陆域地表沉降，又应防止切口压力过大引起的河满滩冒顶。
　　对于Φ14.87m超大直径泥水平衡盾构而言，盾构施工斜向穿越防汛墙过程中，隧道横断面内防汛墙内外高程差Δh相对更大(防汛墙与隧道相交范围长度40m，Δh最大3.3m)，施工沉降控制与防冒顶控制难度更大。
　　3　防汛墙沉降控制
　　盾构推进施工地表沉降控制常规的技术措施主要有合理设定切口压力；根据具体的工况条件，控制注浆量与注浆压力；盾构轴线控制在设计运行范围内，做到勤纠少纠。
　　1)切口压力控制
　　根据土压力计算经验公式，切口压力通常按经验公式设定：[1]

　　式中：
　　Pt——切口水压实际设定值（MPa）；
　　k——压力系数；
　　γ——土体容重（KN/m3）；
　　H——地表至隧道中心埋深（m）；
　　盾构机切口穿越运河防汛墙时，切口压力设定主要考虑防汛墙陆域隧道中心埋深H1和防汛墙另外一侧河漫滩位置隧道中心埋深H2。当H2大于1倍D(隧道直径)时，主要考虑防汛墙沉降控制。当H2属于浅覆土时，应同时考虑H1和H2。运河东侧防汛墙地表与河漫滩高差超过3.3m，而西侧防汛墙两侧地势较平缓，高差相对较小。穿越东、西侧防汛墙切口压力与隧道埋深关系图见图4、图5。




　　在穿越东侧防汛墙过程中，由于担心切口压力过高引起河漫滩位置冒顶，切口压力设定适当降低，此时K值在0.81～0.85之间。盾构穿越过程中，防汛墙沉降值(见图6)相对较大。然而，在穿越西侧防汛墙过程中，考虑到盾构顶覆土1D(盾构机直径)左右，不考虑冒顶风险，适当增加了切口压力，泥水切口压力与隧道中心埋深基本呈线性关系，K值在0.72～0.75之间。盾构穿越期间，复兴岛运河西侧防汛墙沉降值(见图7)小于东侧。




　　2)注浆量与注浆压力控制
　　Φ14.87m盾构机施工具有盾尾后方建筑空隙大、盾尾顶部与底部压力差大的特点，针对这些特点，盾尾同步注浆采用6点注浆模式，注浆介质采用以砂和粉煤灰为主要原材料的抗剪型高密度单液浆。施工中对注浆点进行压力、注浆量双参数控制，保证填充效果。
　　盾构机穿越东侧防汛墙过程中，由于切口压力设定较低，引起前期沉降较大。因此，在同步注浆过程中，采取适当增加注浆量和注浆压力的方式进行弥补。建筑空隙填充率由原先的110%～130%,提高到120%～150%；注浆压力为0.30～0.85MPa。盾构穿越后，防汛墙沉降逐渐趋于稳定；并且，地表沉降控制在±50px范围内。
　　3)泥水指标与防汛墙沉降控制[2]
　　盾构机穿越运河防汛墙时，穿越的地层以⑤1灰色粉质黏土、⑥暗绿～草黄色粉质黏土为主，并有少量④灰色淤泥质黏土和⑦1草黄色砂质粉土。④、⑤1、⑥黏土层的自造浆能力比砂性土强，故其进泥密度适当降低。施工中控制进泥密度为1.16~1.29g/cm3，排泥密度为1.26~1.35g/cm3；进泥黏度为16.5~18.5s，排泥黏度为17~20s。
　　4　结论
　　通过对军工路隧道工程Φ14.87m泥水平衡盾构长距离斜向穿越防汛墙沉降控制的难点分析，以及从切口压力设定、同步注浆管理、泥水指标控制等方面进行研究，得出以下结论：
　　1)防汛墙两侧(防汛墙和河漫滩边坡)存在高程差Δh，当盾构机斜向穿越防汛墙时，切口横断面内将长时间出现覆土厚度不均匀。此时，切口压力的设定应兼顾考虑防汛墙内外两侧的覆土厚度差Δh。
　　2)当防汛墙一侧切口压力设定偏低时，前期沉降量将偏大，此时可通过适当减小同步注浆浆液塌落度、增加注浆量和提高注浆压力的方法减小防汛墙后期沉降；并且，加快防汛墙沉降收敛。
　　3)泥水质量控制亦是沉降控制的关键因素之一，合格的泥水可有效防止开挖面土层的坍塌，减缓覆土层的变形，从而减小防汛墙前期沉降。