临江环境下穿盾构隧道施工诱发透水的风险分析与评估

2020-09-21艾万民

工程技术研究 2020年15期

艾万民

（广东省重工建筑设计院有限公司，广东广州 510640）

城区环境下穿地铁隧道建设面临诸多风险，施工过程中的任何轻微扰动均可能造成既有结构的较大变形甚至灾害或事故。盾构隧道掘进开挖极易引起掘进面一定范围内的土体应力状态发生变化，其中高度近接基础是这种变化最易影响的地下结构体。建筑物结构不均匀变形通常是由地基基础承载力变化导致，下穿施工对既有上部结构基础易产生承载能力弱化影响，影响轻时会影响建筑物的正常使用，严重时会危及建筑物结构的安全。通常情况下，近接及下穿隧道有关上述影响的研究，核心目标是控制既有结构上部的变形和位移，采取防控措施是将其限制在安全运营许可的范围内，保证既有上部结构的常规力学安全。

1 临江临河富水环境概况

临江临河富水环境指陆域和水域两种地貌过渡区域，具有高度水力联系、拥有密集渗流输水通道、岩土材料遇水易分解、地层地质易变异等典型特征，岩土体具有孔隙率大、渗透系数大、含承压水等特点。施工过程中，下穿隧道对既有结构产生的地质影响易被忽视。富水环境隧道开挖扰动极易导致掘进面区域发生临空面失稳破坏，诱发涌水涌砂等灾害，如不加控制极易造成地面塌陷、隧道塌方等工程事故[1]。临江富水环境隧道施工存在引起周围地层扰动及改变水力联系的潜在风险，极易引发安全事故。盾构隧道施工过程中特殊岩土地层地质体是透水灾害的重大风险源，也曾出现过一些重大事故。

目前，富水环境隧道施工对岩土介质的影响及风险控制的研究较少，对既有地面结构的影响程度及其变形规律的研究不够明确，特别是极度近接地下结构的变形影响及其带来的潜在透水突水风险的研究更为缺乏。以往研究近接施工对隧道影响的较多，但对盾构施工诱发塌陷机理及基础附近地层塌陷机理的认识和研究尚属起步阶段[2]。

珠江三角洲地区地质较复杂，地下水位潜水面高且地下水高度联系，致使地下施工灾害风险较大。文章依托广州首条市域地下快速铁路，重点针对临江富水环境区间下穿隧道施工对近接预应力管桩基础的潜在透水风险展开分析和评估，并采用有限元数值计算方法，模拟盾构隧道开挖对桩基位移效应的影响，分析下穿隧道对周边岩土体结构的损伤过程和演化特征。

2 工程概况

广州市轨道交通十八号线是目前国内设计时速最快的高标准地铁市域快线，是广州地铁线网中首条时速达160km的全地下快速轨道交通。其中，琶洲西区站—冼村站区间是全线首期开通线路的核心地带，为全线建设的关键节点和重难点区段。该区间将下穿广州母亲河——珠江，过江段隧道长达1500m，全线穿越2个地层断裂带，采用2台直径8.8m土压平衡盾构机进行施工。

下穿区间位于密集城区且跨越陆域水域，2个地貌单元过渡区，如图1所示。过江区段需盾构机在掘进中下穿珠江前航道约1600m（长距离），分2次以半径约600m（小半径）进行转弯（“S”弯）。这种长距离、小半径穿越珠江水系的施工尚属首次，技术难度、施工水平要求、施工风险系数、外界环境敏感度在国内同类型施工中可谓首屈一指，也是广州地铁史上首次面临盾构机长距离、小半径穿越珠江的挑战。

图1 广州轨道交通十八号线过江段地貌过渡区

珠江啤酒博物馆位于地铁隧道入江前的陆域与水域连接过渡区，是下穿隧道对上部区域有最大潜在影响的上部建筑。博物馆紧邻珠江南岸，总建筑面积约8138m2，由3个展览厅和1个多功能厅（桶形建筑）组成，为钢筋混凝土框架-剪力墙结构，采用静压φ400mmPHC预应力管桩（管桩基础），桩长为15～20m，承台厚度为1.0～1.2m。

3 盾构隧道与珠江啤酒博物馆近接关系

下穿区间隧道以半径600m的平面曲线从博物馆下部经过。下穿区间与博物馆的平面卫星图与近接结构关系如图2所示。博物馆基础采用预应力管桩，左线正下穿管桩桩数为37根，右线正下穿桩数量为6根。下穿隧道（左右线）与管桩基础近接关系纵剖面图如图3所示。

图2 下穿区间与博物馆的平面结构关系图

图3 下穿隧道（左右线）与管桩基础近接关系纵剖面图（单位：m）

3.1 潜在透水风险

下穿隧道管片外边缘与博物馆预应力管桩基础属高度近接，潜在透水风险较大。盾构施工对桩基的干扰，会削弱预应力管桩桩基原有承载力。参考城市轨道交通地下工程建设风险管理规范，下穿隧道区间近接施工的主要风险分析如下：

（1）左线隧道下穿博物馆时，隧道顶与建筑桩基竖向间距仅为1.21m，盾构通过时，存在房屋开裂、不均匀沉降等风险。

（2）上部预应力基础在施工压桩过程中对桩周岩土体和桩端岩土施加侧切力和竖向压力，对岩土体的结构及渗流特性产生影响，形成高渗透性、多裂隙的输水通道。砂层上覆填土，局部直接与地表水体相连，地表水与第四系孔隙水存在较强的水力联系[3]。

（3）盾构法施工在掘进中，刀盘产生旋切力，掌子面压力急剧变化，对隧道周边岩土体的结构完整性、水力连通性造成潜在影响。

（4）施工开挖过程中，在水头差作用下，土体可能产生渗透变形。由于场地地下水具有承压性，强风化岩、残积土等含砂量较高，容易遇水软化崩解，细颗粒粉黏粒可能被水体带走，地层可能发生坍塌、土体变形等，土体流失可能引起隧道失稳、结构破坏和地面坍塌等。

3.2 水文地质环境

近接区域场地为海陆交互相冲积平原地貌，紧邻珠江黄埔水道。地下水为第四系松散层孔隙水和基岩裂隙水。上覆填土含水层松散，局部覆盖软土、粉质黏土等隔水层，在珠江底部直接连通地表水，孔隙水主要为潜水，局部地段为承压水。基岩裂隙水主要赋存于泥质粉砂岩强风化带、中等风化带，地下水的赋存不均[4]。局部地段基岩顶部与砂土直接连通，砂层与填土、地表水连通。地下水水位埋藏浅，地表水、第四系孔隙水以及基岩裂隙水之间连通性好，水位趋于一致，初见水位埋深为0.40～6.20m，稳定水位埋深为1.10～7.00m，渗透系数为0.3～0.5m/d。含水层之间存在高度水力联系，属典型临江富水环境。典型钻孔岩土特征如图4所示。

图4 典型钻孔岩土特征图

4 施工透水风险评估

4.1 岩土性质分析

原位勘探延续下穿隧道行进方向展开，测试区域为下穿隧道前后一倍盾构顶面至地面范围。选取左右线（MRZ3-PX-26和MRZ3-PX-29）近接钻孔，钻孔揭露地面往下依次为2.8m的素填土、7.2m的淤泥质粉细砂、1.0m的淤泥质土、1.9m的淤泥质粉细砂、5.6m的强风化泥质粉砂岩、8.5m的中风化泥质粉砂岩、以下是微风化泥质粉砂岩。盾构隧道区域全部处于中风化及微风化泥质粉砂岩中。近接区间基本位于裂隙发育基岩区内，基岩裂隙水不均匀，地下水在基岩裂隙中富集，地层基岩易软化，存在基岩裂隙。

4.2 隧道施工扰动控制

下穿隧道开挖会导致地层应力二次分布，被扰动地层岩土力学特性易发生改变。盾构近接、下穿上部结构涉及盾构机-土体-隧道结构多元相互作用问题。盾构掘进产生扰动源，扰动源经过土体介质的传播与上部结构发生作用，影响上部结构及其基础的竖向承载能力。隧道开挖引起地层变位的理论方法已经有诸多成果，大部分理论计算方法适用于二维平面空间，而盾构掘进对地层的影响是一个三维动态、多因素综合作用的过程，大部分理论没有充分考虑盾构掘进的空间特性，忽略了盾构附加支护压力、盾壳摩擦以及刀盘扭转等因素的影响，计算结果与工程实际特征状态有所偏差[5]。

盾构隧道施工干扰控制，将下穿隧道施工扰动因素值控制在限制以内是常采用的办法。参照广东省建筑地基基础设计规范，施工扰动控制限制值如下：

（1）框架结构相邻柱基沉降差，中、低压缩性土为0.002l，高压缩性土为0.003l。

（2）多层和高层建筑物基础的倾斜，中、低压缩性土和高压缩性土均为0.004mm。

4.3 数值分析

（1）数值模拟岩土参数。依据原位勘探与室内试验，数值模型所用岩土材料特征参数如表1所示。

（2）下穿隧道工况数值模型。参照博物馆的管桩布置和桩顶竖向力、盾构施工参数、材料参数、珠江啤酒博物馆管桩和盾构隧道的空间关系，使用Midas GTSNX 2018建立三维模型，模拟下穿盾构施工过程对周边岩土、预应力管桩的变形影响。建模范围与模型尺寸如图5所示，模型信息如图6所示。将盾构隧道所下穿的管桩进行编号，统计各管桩位移量，各管桩编号如图7所示。模型边界条件：约束模型底部Z方向、模型前后面Y方向、模型左右面X方向、约束桩的Z方向旋转；适度减少模型自由度，以符合实际下穿隧道施工状态。盾构隧道施工对预应力管桩基础影响分为初始应力场分析、盾构机掘进、管片拼装3个状态。模拟工况：初始地应力场分析，位移清零；注浆啤酒博物馆施工，位移清零；盾构机掘进，施加掘进压力，土体开挖；施加千斤顶力，拼装管片，施加掘进压力，进行下一次土体开挖；重复进行盾构机掘进，施加掘进压力，土体开挖，进行盾构隧道开挖和管片拼装，直至完成盾构隧道施工[6-7]。

表1 数值模拟岩土材料参数取值表

4.4 透水风险评估

数值模拟得出各管桩桩顶盾构隧道开挖过程中的竖向位移值Tz、水平方向位移值Tx和Ty以及总位移值。盾构隧道下穿博物馆管桩，全部管桩的最大总位移为-0.74mm，全部管桩的最大竖向位移为-0.73mm。桩顶最大竖向位移如图8所示。

图5 三维有限元整体模型

图6 三维有限元模型细部轴视图

图7 盾构隧道下穿管桩关系图

图8 各桩桩顶最大竖向位移分布图

盾构隧道下穿施工过程中，博物馆的管桩桩顶模拟计算的最大竖向位移为-0.59mm，最大总位移为-0.59mm，相邻桩基最大沉降差为0.19mm。各相邻桩基沉降差如图9所示。参照广东省建筑地基基础设计规范关于建筑物地基变形的允许值，模拟计算值远小于规范规定标准值，下穿施工满足要求结构安全要求。预应力管桩侧周岩土体的岩土性质未变异情况下，隧道施工不危及博物馆结构安全、原有桩基安全基本得到保障。

图9 相邻桩基沉降差

管桩竖向位移随盾构下穿施工过程呈现曲线变化形式，大体为S形。随盾构掘进，管桩沉降和竖向位移的变化随施工步的推进，呈现出先缓后急再缓的特征。曲线的斜率绝对值最大，即管桩沉降速率最快，出现在管桩正下方管片段拼装工况[8]；管桩沉降开始出现，为盾构下穿前、距离管桩约5环管片距离；驶离管桩10环管片的距离后，管桩的沉降趋于稳定。建议刀盘距离管桩5环距离时，加大桩基同步施工监测频率，及时监测近接基础潜在变形，避免发生水力通道演变及薄弱岩土体透水灾害。

盾构隧道下穿诱发珠江啤酒厂管桩基础顶端的最大总位移为-0.59mm，相邻桩基最大沉降差为0.19mm，远小于规范对建筑物地基变形的允许值，施工导致博物馆管桩基础出现被动变形可能性较小。

数值模拟计算是建立在管桩基础周围介质未被扰动，岩土物理力学性质未发生变异的假定条件，隧道上部区域岩性存在高度水力联系，具有较高透水风险，下穿隧道周边岩土被扰动程度及岩土体性质变异的可能性[9-10]。防范透水事故发生，建议采取如下针对性措施：

（1）地表水、第四系孔隙水和基岩裂隙水之间存在一定的水力联系，开仓换刀及掘进停止及掘进面泄压风险较大时，应采取适当保压供压措施，避免潜在水力通道持续演变恶化。

（2）盾构掘进过程，应进行掘进系统参数的跟踪监测，实时分析盾构及刀盘数据，超出风险管控值时，采取必要补救措施；加强对博物馆房屋、周边其他建（构）筑物沉降及裂缝的监测，开展地表隆陷、沉降槽监测，超警戒值时应及时分析原因并采取防止恶化演变的措施。

（3）盾构掘进过程中，加强隧道内部管片的水平与竖向位移、管片衬砌净空收敛监测和管片外注浆压力的实时监测，及时识别透水可能及启动区。

（4）合理控制注浆压力极限值及掌子面泥水压力，控制刀盘掘进对上覆岩土体、上覆管桩基础侧岩土体的“二次扰动”，必要时采用超前注浆措施、增加止浆环或采用管片外地层填充注浆措施等。