泥炭土层盾构施工地表沉降控制措施

孟小荣

（西安市长安区大峪灌区管理站,陕西 西安 710103）

1 引言

盾构施工法是当前我国各大城市地铁施工的主要方法,而土压平衡盾构相较于泥水平衡盾构方法具有施工噪音小,施工环境好,安全性高等诸多优点,逐渐成为各地区地铁施工主要采用的施工方法,尤其适用于黏土、软土、泥炭土等软质土层施工。昆明地铁6 号线主要穿越泥炭土地层,土压平衡盾构施工当然成为首选施工方法。泥炭质土由于其富含有机质以及高孔隙比、高含水率、高压缩性的物理特性给土压平衡盾构施工带来前所未有的挑战。各种地下隐伏工程施工所带来的主要问题就是由于施工对原状土层的扰动造成地表的不均匀沉降而对地表各种建筑的稳定产生影响,现实生活中,常见地铁穿越区域上方道路出现坑陷,即是这种影响的常见表观体现。研究土压平衡盾构施工所造成的地表不均匀沉降对上方道路和临近建筑产生的影响是当前研究重点,国内外也取得了不少重要成果[1-4]。探明在泥炭土层中进行土压平衡盾构掘进施工的地表沉降的有效控制措施,能为今后在该类土层中进行土压平衡盾构施工提供经验以供参考。

本文利用Plaxis3D 数值模拟软件开展了针对土压平衡盾构隧道掘进过程中,同步注浆层（等代层）力学性质和二次注浆加固对地表沉降的影响,同时通过变换纵向掘进坡度,获得昆明地区泥炭土掘进施工普遍适宜的等代层力学性质指标及下穿临近建筑物时应采取的施工措施。

2 土压平衡盾构和Plaxis3D

土压平衡盾构施工通过盾构机前方刀盘旋转切削土体,千斤顶不断顶进向前掘进施工,刀盘直径大于盾壳直径,由此造成的土体和壳体之间的间隙通过同步注浆方式进行填充,从而使隧道上方底层不至于产生过大沉降变形,避免对地表各类建筑带来安全隐患。掘进时,由于刀盘旋转扰动土层,常使盾构上方土体发生塌方,造成单环掘进时,出土方量过大,而使该环上方出现较大空腔,工程师通常通过对各环掘进时出土方量的判断而决定是否采取二次注浆对改环上方形成的土层进行加固。也即同步注浆和二次注浆是土压平衡盾构掘进施工中控制地表沉降的主要措施。

Plaxis3D 的有限元计算基本步骤见图1。

图1 计算基本步骤

3 模型构建

根据对工程穿越地层的勘探资料,模拟时构建65 m×50 m×25 m（长×宽×高）的模型,底部与侧面边界施加全约束,上边界自由,模拟实际地表。模型从上到下包含三个地层,一次为素填土、粉质粘土与泥炭土。各层厚度为3 m、4 m、8 m,模型中各土层分布见图2。

图2 模型土层分布

设计隧道洞径6 m,掘进长度为50 m,左右洞中心间距为14 m,隧道在泥炭土层中掘进,隧顶埋深为6 m。设计每环混凝土管片含有16 个同步注浆孔,注浆管的直径为3.2 cm,假设设计采用的同步注浆压力足够大,能够压开每个注浆孔确保每个注浆孔都能有效注浆。采用广泛使用的水泥浆作为同步注浆浆液,水灰比设计变化区间0.6～1.0,注浆压力为0.2 MPa～0.5 MPa。模拟中,按照实际施工中的管片宽度设计,每环管片掘进1.5 m,沿洞轴方向向前掘进开挖,共掘进33 次。设计地表三种工况模式进行计算：（1）隧道上方无建筑；（2）隧道右侧有建筑；（3）隧道正上方有建筑。

4 计算结果

（1）隧道上方无建筑

设计土压平衡盾构掘进施工分别采用0‰、10‰、20‰和30‰的纵向掘进坡度。赋值材料力学特征属性,施加边界约束条件后计算至平衡生成初始地应力场,使土体在自重作用下达到力学平衡状态。按照设计的每环掘进1.5 m,开挖掘进第一环,模拟掘进过程中,在前方掌子面处施加支护压力,支护压力大小由计算获得,以模拟盾构机前方刀盘对土体的支护作用,隧道管片及同步注浆层采用板单元,左右两环同时向前依次掘进33 环。隧道中心线正上方地表每间隔5 m设置一监测点,监测隧道掘进过程中的地表沉降。结果见图3。

图3 盾构不同掘进坡度下的竖向位移云图

经过模拟计算,土压平衡盾构掘进施工下穿空地时各纵向掘进坡度的地表沉降数值模拟计算结果见图4。纵向掘进坡度为0‰时,随着盾构机不断向前掘进,地表产生的最大沉降值为4.83 mm,能够满足沉降控制要求,纵向掘进坡度为10‰时,随着盾构机不断向前掘进,地表产生的最大沉降值为6.24 mm,也能够满足沉降控制要求,纵向掘进坡度为20‰时,随着盾构机不断向前掘进,地表产生的最大沉降值为7.12 mm,同样能够满足沉降控制要求,纵向掘进坡度为30‰时,随着盾构机不断向前掘进,地表产生的最大沉降值为8.27 mm,同样能够满足沉降控制要求,由此可见,当地表上方无建筑时,通过同步注浆方式形成等代层填充盾构机壳体和土层之间的空腔,该方式产生的作用能够有效控制地表沉降,使地表沉降满足沉降控制要求。

图4 隧道轴向沉降曲线

（2）隧道右侧有建筑

根据现场实际,盾构隧洞其建筑桩基与隧道右洞最小距离仅为152 mm,施工扰动大,而更具有挑战的是掘进过程中盾构刀盘与桩基最小净距仅为12 mm,见图5。模拟时,初始地应力场与地表上方无建筑时显然不同,经过计算,建筑整体传递至基底荷载为90 kN/m2。根据其桩基布置形式和桩的直径,以及摩擦桩桩侧阻力的分布特征,计算获得桩底最大摩阻力为500 kN/m,桩顶摩阻力为200 kN/m,隧道设计图见图5,所构建数值模拟模型见图6。桩基为素混凝土桩。掘进施工过程同地表无建筑时的掘进施工过程,而控制地表沉降措施除采用同步注浆外,还采用二次注浆加固方式,设计二次注浆厚度为0 m、1.5 m、2.4 m 和3 m,盾构掘进坡度按实际控制,设置为28.33‰。

图5 市丽康时装厂与隧道结构相对位置示意图

图6 盾构施工下穿建筑模拟模型示意图

隧道下穿地层上方有临近建筑,且盾构机向前掘进时距离临近建筑越近,地表沉降将越大[5],故在盾构掘进距建筑基础最近处,即设计掘进25 m 处,并在此处设置监测剖面。二次注浆层厚度分别为0 m、1.5 m、2.4 m 和3 m 的数值模拟计算结果见图7,有图可知,二次注浆层厚度为0 m 时地表最大竖向位移为-6.32 mm,二次注浆层厚度为1.5 m 时地表最大竖向位移为-3.16 mm,二次注浆层厚度为2.4 m 时地表最大竖向位移为-2.2 mm,二次注浆层厚度为3 m 时地表最大竖向位移为-1.8 mm,可见,随着二次注浆层厚度不断增大,地表最大竖向位移逐渐增大,同时,由模拟结果可知沉降晕向建筑一侧扩散但未超出控制范围,可知经过同步注浆和二次注浆加固后地表沉降控制情况良好。

图7 不同二次注浆圈层厚度下的竖向位移云图

（3）隧道正上方有建筑

根据设计,隧道右洞上方有冶金技校住宅楼,且左洞掘进造成的地表沉降同样会影响该冶金技校住宅楼,相对位置关系图见图8。与工况（2）相比,由于住宅楼位于隧道正上方,因此上覆荷载更大,隧道掘进扰动对地表沉降影响更大[6]。此外,由于隧道埋深浅,隧道断面与建筑桩基相交,掘进时破桩掘进,对建筑产生直接刚性接触扰动,无论对地表沉降还是建筑本身都会造成不可估量的不利影响。模拟过程中,在隧道正上方,垂直于隧道轴线方向监测点。模拟工况分别为二次注浆厚度为0 m、1.5 m、2.4 m 和3 m,地表沉降位移云图见图9。有图可知,二次注浆层厚度为0 m 时地表最大竖向位移为-11.54 mm,二次注浆层厚度为1.5 m 时地表最大沉降值为-10.51 mm,二次注浆层厚度为2.4 m 时地表最大沉降值为-8.74 mm,二次注浆层厚度为3 m 时地表最大沉降值为-4.3 mm。可见, 随着二次注浆层厚度不断增大, 地表最大竖向位移逐渐增大, 同时, 由模拟结果可知二次注浆层厚度小于1.5 m 时,不满足地表沉降控制要求。当二次注浆层厚度为2.4 m与3 m时,满足地表沉降控制要求。

图8 冶金技校住宅楼与隧道结构相对位置示意图

图9 盾构施工临近建筑剖面竖向位移云图

由以上盾构下穿市丽康时装厂、冶金技校住宅楼模拟计算结果可知,当隧道上覆地层存在临近建筑,采用沿洞壁管片外注浆结合同步注浆对土层进行加固是防止地表沉降值过大的一种有效方式,且结果呈现出随着二次注浆层圈的加厚,盾构下穿建筑时的地表沉降值逐渐减小的趋势。综合两次模拟结果,建议采用注浆圈层厚度2.4 m。

5 结论

经过模拟计算,得出如下结论：

（1）当隧道穿越泥炭土层上方无建筑时,可以单纯采用同步注浆的方式对地层进行加固,采用净浆材料掺入比＞90%时,同步注浆层压缩模量＞7.34 MPa,为同步注浆层改良指标。

（2）当隧道穿越泥炭土层上方无建筑时,地表沉降与盾构掘进纵坡呈正比。

（3）当隧道穿越泥炭土层上方有临近建筑时,建议采用同步注浆结合二次注浆方法加固土层,二次注浆层厚度建议采用3 m。