天津地铁首次下穿海河施工过程中的参数控制分析
2015-12-05王延鹏
□文/王延鹏
天津地铁首次下穿海河施工过程中的参数控制分析
□文/王延鹏
天津地铁2号线东南角站至建国道站区间盾构施工成功穿越了海河，为天津地铁首次成功穿越河底复杂地质，对盾构掘进参数进行系统、合理的理论分析，确保了盾构施工的顺利进行，为天津地铁后续大规模建设穿越河流、湖泊的盾构区间提供了可靠、详实的经验。
地铁；盾构隧道；穿越海河；参数控制
1 工程概况
天津地铁2号线东南角站至建国道站区间左线长845.818 m（共计705环），右线长859.424（共计717环）；盾构隧道在始发后203～293 m（169～244环）穿越海河，穿越段长度90 m，河床底至区间隧道的最小覆土厚度仅为7m，见图1。
图1 海河河床标高
海河最低位置主要土层从上到下依次为淤泥（2.7 m）、粉土（1.2 m）、粉砂（2 m）、粉土（1.8 m）、粉砂（3.3 m）、粉质粘土（3.8m）。隧道掌子面土层主要是粉土和粉砂层，见图2。
由于海河流速缓慢，河底淤泥层较厚，据地质勘查成果显示，淤泥层厚度已达到3 m左右，而隧道的最小覆土厚度仅有7 m，实际有效最小覆土厚度为4 m。另外，隧道断面范围以内主要的土层为72、74粉土、粉砂层，其含渗透系数大，含水量丰富，对盾构施工极为不利。考虑到这些不利因素的存在必须在盾构掘进前进行系统的理论分析，确定最优的、科学合理的施工参数。
图2 海河段地质断面
2 土压力的确定
根据经验土仓压力的计算公式为
式中：γ为土重度，可以对土层加权平均求得；h为隧道中心埋深；k为静止侧压力系数，按天津地区经验取0.5。
由于河床断面形状是不规则的，不能简单的采用土体重度×深度的方法计算，必须综合考虑渐变的覆土厚度所产生的静止土压力。
河两侧土体荷载直接为一常数，设为Q，但河底的荷载为一变量。依据法国学者布辛尼斯克解，地基表面作用一个竖向集中力P，则地基中任意一点的竖向附加应力为
式中：P为集中荷载；z为计算点埋深；R为计算点与荷载距离。
将河床底面以上部分的荷载均看做附加荷载，根据图3，附加应力积分公式应为
由于在y轴方向，荷载为一固定值，式（3）可以化简为以下形式
图3 荷载简化
根据实际测量，本区间过海河河底断面类似于抛物线形，为此河道内的水土荷载可以设为f（ξ）=αξ2+ bξ+c。
为计算σx，首先必须得出f（ξ），g（ξ），根据实测海河河底标高进行拟合。按照一般情况下，最深处在河流的中部区域，因此设b=0，得出河床内的水土压力函数如下
将f（ξ）代入式（4）中，得出附加荷载计算公式
由于积分后所得代数式冗繁，为此编制成计算程序计算，主要的计算参数见表1。
表1 土体侧压力计算参数
最后得出盾构隧道在距离海河中心的土压力取值见图4。
图4 海河段土压力取值曲线
实际在河底最低段操作时，土仓压力的设定值稍大于理论计算，主要原因在于根据实际掘进过程中的分析，河底土层含水量比普通段稍大，考虑土体的侧向压力系数需上调，另外河水水位可能存在波动，为了防止水位上升造成压力增加，导致设定的土压力太小，出现超挖现象，适当将覆土厚度最小处土仓压力增加了20kPa，即从河岸至河底段土仓压力减小至0.16 MPa后不再继续减小，直到通过最小覆土地段，土仓压力值重新按照理论计算严格控制。
3 同步注浆量的确定
注浆压力注浆量为试验段的重点分析参数，该数值的准确分析直接关系着整条隧道的施工是否顺利。一般来讲地面沉降受到盾构施工对周边土体扰动的影响、地层损失的影响、管片受力变形的影响还有地层自身的固结沉降，但起决定作用的还是地层水土损失，为此必须做好同步注浆。
一般情况下，注浆量m与地面沉降y应该成一条类似于反比例函数的关系式。根据大量施工经验，y-m曲线都能较好的反应浆液注入率与地面沉降的关系，而且在y-m曲线上能反应出当注入率达到一定值后，再增加注浆量对沉降的贡献已不明显。
由于过海河段必须防止浆液击穿河床，注浆压力不允许过大，因此注浆量只要能达到填充即可。对应的在y-m曲线上找出曲线变化平缓段的起点作为注浆控制点即可。为了能更好找到控制点，可以绘制m-l ogy曲线。
东南角—建国道站区间右线盾构施工时，第1～50环姿态调整频繁，而且盾构司机处于地质情况摸索阶段，各类参数受到综合因素的影响，为此选择第65～100环数据进行分析，见表2。
表2 注入率与地面沉降关系统计
根据表2可绘制出曲线，见图5。
图5 注入率与地面沉降的实际关系
根据曲线可以分为3段。第1段为浆液不足阶段，在此阶段内浆液注入率不足，注入率的增大对地面沉降的抑制效果明显，但仍未达到建筑空隙的充分填充。
第2阶段为压力增长阶段，在此阶段盾构同步注浆压力会随注浆量的增大而显著的增大，但注入率的增加对地面沉降的抑制已放缓，说明建筑空隙已得到有效的填充。
第3阶段，当注入率达到180%以后，再加大注浆量，地面沉降已基本不再减小，而此时对地面沉降起决定性作用的为盾构的其他方面控制。
为此在本区间过海河段的最大注入率即可初步控制在150%～180%，超过180%意义不大，而且还可能导致注浆压力增大造成河底覆土击穿。
4 同步注浆压力确定
4.1注浆压力值确定
盾构通过后，刀盘切削直径为6.36 m，而管片的外径为6.2 m，在管片与围岩之间存在土体的损失，该损失由同步注浆进行弥补。注浆压力也是一个重要控制参数。注浆的最佳状态及开挖洞圈与管片之间体积无损失，即开挖后围岩向隧道方向的力与面积变化完全由注浆抵消。一个可行的方法是分析注浆压力与孔隙体积变化量的关系进行确定。
采用有限元分析软件建立二维模型，土体单元采用修正剑桥模型，主要的计算参数见表3。
表3 土层计算参数
模型的计算分为2步。
第1步建立整体模型，进行初始平衡计算。第2步开挖隧道，直径6.36 m，同时在开挖洞圈周边施加注浆压力，注浆压力设定为0.2、0.3、0.4 MPa三种情况。
计算完成后，通过围岩单元节点的位移情况判断洞圈开挖后，同步注浆压力能否保证地层无损失。以下是普通段地面（隧道埋深18 m）和在河底隧道埋深为7m情况下的两种注浆压力，见图6。
图6 注浆压力与体积增量曲线
由图6可以得出，在普通段注浆压力应控制在0.28 MPa以上。而在过河段最小覆土厚度注浆压力应控制在0.22 MPa左右。由于河底的覆土厚度是变化的，为此将注浆压力与土仓压力进行关联。
为便于控制，实际施工中可将注浆压力统一取为土仓压力的1.5倍。另外由于盾构机所测定的注浆压力并非注浆出口处的压力，因此实际操作时的注浆压力还必须适当增加0.05～0.1MPa左右。该0.05MPa可通过试验段进行确定，依据表2绘制出注浆压力与注入率的曲线见图7。
图7 注入率与注浆压力曲线
由图7可以看出，当注入率达到150%时，注浆压力开始显著上升，说明0.33MPa为应取的最小注浆压力值控制值，而根据理论分析，所需的理论注浆压力仅需要0.28 MPa。实际与理论存在0.05 MPa差别，可以认为是管路阻力造成。
4.2注浆实际数据统计
表4左线在河底最小覆土地段10环的注浆压力与注浆量的统计。
表4 左线最小覆土厚度出注浆
根据表4，盾构在河底覆土最小地段的平均注浆压力0.29 MPa，平均注浆量为2.82 m3，注入率基本等于150%。
5 盾构掘进速度的选择
掘进速度的设定对盾构工程的进度安全均具有重要的意义，在海河河底的掘进应是平稳快速掘进或者是缓慢掘进，干干停停，但反复的调整反而是不利的。根据以往的大量施工经验，认为盾构的掘进速度控制在50mm/min较为合适。
盾构双线在穿越海河掘进过程平稳、顺利，管片拼装良好无渗漏，姿态符合规范，说明在河底选用快速通过原则可行，而且快速通过能减小风险暴露时间，防止风险情况的发生。
6 其他参数的选择
6.1刀盘扭矩
为减少对开挖面和周围土体的扰动，达到控制河床隆起和沉降的目的，刀盘采用低扭矩低旋转速度向前挖土，刀盘转速设定在0.7 MPa以内，扭矩设定在2000kN·m。
6.2千斤顶总推力
过河段原则上应采用低推力推进，减小对土体扰动，设定值＜20000kN。
6.3出土量
出土量控制原则是掘进时实际出土量略微小于理论值，即适当欠挖。
每环理论出土量π/4×D×L=3.14×6.362×1.2/4=38.10（m3）。
式中：D为盾构外径，m；L为管片长度，m。
盾构正常掘进出土量宜控制在理论值的98%～100%，即37.34～38.10m3。
掘进过程中，出土量必须与土仓压力、掘进速度相对应并在减速掘进时减小出土量，以保证姿态的平稳。
7 结论
东建区间盾构右线穿越海河整个过程，每日平均进度10环，最高12环；左线每日平均进度9环，最高13环。盾构的实际施工过程中，通过对海河的巡视，未发现海河河面出现异常，无任何气泡产生，说明盾构运行平稳，对地层的影响极小，各种压力参数分析正确，未出现河底异常。
通过对施工参数的研究，有效指导了盾构隧道顺利通过海河，总结出了一套参数分析方法。
1）土仓压力。应将河床实测深度拟合为函数曲线，最后利用布辛尼斯克解求解出变化段每一点的土仓压力取值。
2）注浆量。主要通过收集试验段注入率与地面沉降的数据，绘制出注入率与地面沉降曲线，找到第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ阶段的分界点，作为注浆量的控制点。
3）注浆压力。在试验段主要通过绘制注浆压力注入率曲线找出浆液压力开始发生较大变化的点作为试验段的注浆压力控制值。
□DOI编码：10.3969/j.issn.1008-3197.2015.01.016
□U45
□C
□1008-3197（2015）01-45-04
□2014-09-24
□王延鹏/男，1978年出生，工程师，中铁一局集团天津公司，从事地铁施工管理工作。
