华沙地铁2号线区间隧道施工中的地层改良



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华沙地铁2号线区间隧道施工中的地层改良

1 工程描述

波兰华沙大约有 200 万人口，正在运营的是地铁1 号线，目前正在建设的是地铁 2 号线，它包括 28 座车站，30 km 长的线路，其中 6.3 km 区间隧道采用 4 台直径 6.3 m 的土压平衡盾构开挖。隧道施工难点是：①穿过 Vistola 河；②在地铁1号线下面穿过（隧道上下间距仅 3 m）；③在 Prague 区处于危险状态的纪念性建筑物下（基础深达 6～8 m ）通过。

Prague 区纪念性建筑物是二次世界大战期间华沙大轰炸中留下的唯一未损坏的建筑物，其承载结构多数为砖砌结构，个别的为钢筋混凝土结构。由于施工质量和维护不善，材料年久劣化，裂缝发展，如今结构处于危险状态。

盾构开挖的区间隧道穿过冲积土沉积物（基本上是砂和黏土）混杂地层，隧道顶部覆盖厚度 10～14 m，地下水位在拱顶以上 4.5～8 m。

2　地层改良

为了降低隧道施工期间 Prague 区纪念性建筑物的风险水平，决定采用水平方向钻孔，通过钻孔注浆，在隧道拱顶上方形成大约 3 m 厚的弧形拱圈，它不仅改善了地层的力学特性，而且可以消除盾构开挖时泡沫泄漏的可能性（图 1、图 2、图 3）。

图1　隧道顶部的地层改良

图2　钻孔和安设钢衬管示意图

图3　现场水平钻孔施工

水平钻孔的操作特别复杂，因为钻孔长度达250 m，钻孔纵轴线的最小曲率半径 100～300 m。操作步骤如下。

（1）在地面上铺设电缆，产生一个磁场，使钻孔前进方向得到控制。

（2）在钻孔中安设直径 140 mm 的钢衬管，旨在防止钻孔坍塌。

（3）插入带有阀门的直径 2 英寸的 PVC 注浆管 ( 每米 2 个阀门 )。

（4）注入水泥混合料形成注浆保护层，同时抽出钢衬管，用保护层取代钢衬管。

（5）在控制注浆压力和数量的条件下，重复注入水泥混合料和化学材料。

通过注入微细水泥浆液，促进水泥混合料的渗透。每个阀的混合料注入量约为 110～120 L，拒止压力为 8 ～12 bar。

采用一个特殊的非对称的钻头，与地面呈一个角度，受外部磁场定位系统引导，使钻孔前进方向得到控制，产生的误差仅几厘米，在可接受的范围内。

为了评估注浆效果，对注浆地层的质量进行测定。试验表明，经改良的土壤的杨氏模量（Eimpr）比未改良的土壤的杨氏模量（Enat）高 2.5 倍，即 Eimpr= 2.5Enat。

3　评估地层改良效果的理论分析

隧道开挖将改变其周围地层的应力—应变状态，地层将产生沿隧道横向、纵向的垂直沉降（图4）。

图4　地平面和基础平面的沉降槽

试验观测表明，地层沉降曲线可以用高斯正态分布概率函数来表达。2

W ( x ) 是坐标 x 处的沉降量，公式（1）中有 2 个变量：Wmax为沿隧道中心线的最大沉降量；i0为反弯点到隧道中心线的水平距离。

i0的计算，当隧道拱顶上的覆盖层厚度超过 1 倍隧道直径时，它与隧道中心线坐标 z0有如下关系：

公式（2）中系数 K 是地层性质函数，在有关文献中可以找到：对砂或黏土来说，K = 0.3 或 0.5。

Vs为隧道单位长度地面沉降槽的体积，m3/ m。

地面沉降槽的体积与隧道施工中的地层损失量有密切关系。地层损失量用超过隧道理论开挖量的体积除以隧道理论开挖量的百分比来表示。地层改良后，地层损失量会减小。

一旦求得沉降槽和沉降值就可以评估建筑物可能产生的损坏，并且考虑下列 2 个基本因素：结构的总体刚度；建筑物材料的抗裂性能。按材料的抗裂性分成若干损坏等级（从 0 到 5），0 级的损坏可忽略不计，5 级是严重损坏。建筑物能接受的损坏等级是 2 级，改良地层减小地面沉降值的最终目标是使建筑物的损坏等级不超过 2 级。

为了评估改良地层的效果，采用 FLAC 有限差分法程序进行数值分析，目的是求得因地层改良而减小的地层损失量，根据减小的地层损失量再次用经验方法进行风险评估。

采用二维 FLAC 程序对隧道开挖的不同阶段进行模拟，用逐步减少一定百分比的等效力来代替地层开挖，反映隧道的开挖效应。改良后的地层杨氏模量比原土的杨氏模量增加 2.5 倍。

数值计算的第 1 步是对自由场没有改良地层的情况减少一定百分比的等效力，得到的理论沉降曲线，与取值 Vp= 0.60% 的沉降曲线一致。然后对地层改良后的情况进行开挖模拟，地层损失量有明显减小，大约减少30%。最后，可以采用这一新的地层损失量，对建筑物进行风险分析，结果表明，建筑物的损坏等级均在 2 级以下。采用 FLAC 计算程序对地层改良前后的隧道上方地表沉降进行数值分析，将计算结果对比示于图 5。

4　采用土压平衡盾构安全稳妥地开挖隧道

采用土压平衡盾构开挖隧道，可以通过调整盾构参数来控制地层的沉降。盾构的主要参数在设计阶段确定，并在施工阶段作必要的调整，这些参数与盾构前方小室中的稳定压力及混凝土砌块背后回填注浆压力有关。为此，设计了 1 个地层变形监测系统，在盾构推进时读取隧道上方地面和建筑物上的水平测点数据。

图5　采用 FLAC 对地层改良前后的隧道上方地表沉降数值分析结果对比

表1　地层损失量（Vp）、地面最大沉降量（Wmax）预测值和实测值对比

监测数据用来进行连续的数值反分析，用以检查盾构参数，采取必要的实时修正，以满足盾构安全推进的需要。表 1 列出了设计阶段（地层未经处理的阶段）、处理阶段的预测值以及施工时的监控实测值。从表 1 可以看出，施工时实测的地层损失量、地面最大沉降值比此前预测的理论值小。这一结果是正确的，因为在隧道施工前的数值分析对象是自由场，不考虑地层与结构的相互作用。这一结果还说明，通过注浆改善了隧道周围地层的力学特性，对地层进行结构性干预达到了预期的效果。

实测的地层损失量、地面最大沉降值小于设计时的预测值，也是正确进行盾构开挖作业的结果。这种施工水平，足以保证盾构在结构脆弱的纪念性建筑物下面安全通过。

[1] Giuseppe Lunardi, Fabrizio Carriero, Andrea Canzoneri, et al. Warsaw metro’s improvements[J]. Tunnels and Tunnelling International，2014(11)：31-35.

邵根大 编译

责任编辑 冒一平

2015-12-14