某高速路改造工程盾构下穿商业综合体试验段沉降控制

柴东然

北京市首发高速公路建设管理有限责任公司 100166

1 工程概况

1.1 项目概况

北京东六环（京哈高速～潞苑北大街）改造工程全线分为直接加宽段和入地改造段。路线全长约16km，其中路基加宽段长约6.8km，隧道段长约9.2km（其中明挖段长约1.8km，盾构段长约7.4km）。全线设置互通立交4 座，加宽桥梁9座，桥隧比59.92%，见图1。

图1 工程总体平面图Fig.1 Project general plan

盾构隧道分为东西线由北向南掘进，自京榆旧线北侧始发井，穿越4769m后到达中间井，经二次始发穿越2567m 后到达万盛南街南侧接收井，依次下穿“欢乐宋”商业综合体、京榆旧线、高速公路、运潮减河、通胡路、高铁线路、地铁等风险源，见图2。

图2 隧道纵断面Fig.2 Tunnel longitudinal section

1.2 工程概述

盾构隧道设计型式为分离式双洞，单洞设置三车道，设计时速80km／h。隧道分为三层：顶层为排烟层、中间层为行车通道、下层为管线及疏散救援通道，见图3。盾构隧道管片外径15.4m，内径14.1m，厚度0.65m，管片环宽2m，采用C60 混凝土，抗渗等级为P12。单衬砌环由10 块管片拼装而成，按“7 ＋2 ＋1”形式分块，错缝拼装。单环管片采用86 根M36 斜螺栓连接，其中环向螺栓30 根，纵向螺栓56 根。

图3 隧道结构型式示意Fig.3 Schematic diagram of tuber sheet structure form

1.3 “欢乐宋”商业综合体概况

“欢乐宋”商业综合体为钢筋混凝土框架结构，无地下室，建筑总高度9.5m。天然地基、钢筋混凝土十字条形基础，基础外轮廓尺寸约114m（沿线路方向）×111m。以西线为例，距离始发井仅193m，盾构始发后刚完成试掘进段施工就要穿越，无法满足单独进行“欢乐宋”试验段，为保证顺利平稳穿越，“欢乐宋”试验段要结合试掘进段共同进行，如图4 所示。

图4 商业综合体及试验段平面示意Fig.4 Commercial complex and test section plan

1.4 工程地质

盾构隧道始发由大里程向小里程方向掘进，试验段穿越地质主要为粉细砂、粉土、粉质黏土层，见图5 和表1。

表1 土层特征Tab.1 Soil layer characteristics

图5 试验段地质纵剖面Fig.5 Geological longitudinal section of the test section

2 下穿“欢乐宋”试验段情况

2.1 试验段选取

为保证盾构穿越“欢乐宋”风险源掘进参数更合理准确，盾构机始发出加固区后，选取地层更类似的非加固区段（距始发井22m ～192m）作为试验段，长度170m，依次穿越出场区后穿越“欢乐宋”停车场，停车场下方为处理过的热源井群，在到达“欢乐宋”分界里程后结束试验段，场地布置情况见图6。

图6 试验段地上情况Fig.6 Avove-ground situation of the test section

2.2 试验段目的

盾构掘进控制沉降因素有多种，主要包括切口压力、泥浆指标、克泥效注入、同步注浆、二次注浆、径向注浆等，为充分验证下穿“欢乐宋”掘进参数及沉降控制措施的合理性、准确性，结合盾构掘进的第一阶段（盾构到达前），第二阶段（刀盘到达前），第三阶段（盾构通过时），第四阶段（盾构通过后）以及第五阶段。对各阶段沉降控制要素进行验证，取得盾构下穿“欢乐宋”最合理掘进参数及沉降控制措施。

2.3 试验段设置

根据试验目的，结合现场实际施工环境，下穿“欢乐宋”的试验段需设置150m，模拟盾构机下穿“欢乐宋”掘进施工，试验段里程为LZK13 ＋806 ～LZK13 ＋636，共划分为3 个试验单元，试验段1 单元（LZK13 ＋806 ～LZK13 ＋746，11 环～40 环）验证克泥效注入配合同步注浆的沉降控制措施是否满足下穿“欢乐宋”的沉降要求；试验段2 单元（LZK13 ＋746 ～LZK13 ＋706，41 环～60环）验证克泥效注入配合同步注浆及深孔注浆的沉降控制措施是否满足下穿“欢乐宋”的沉降要求；试验段3 单元（LZK13 ＋706 ～LZK13 ＋656，61 环～85 环）验证克泥效注入配合同步注浆及二次注浆的沉降控制措施是否满足下穿“欢乐宋”的沉降要求。通过3 个试验单元的沉降控制结果来分析确定下穿“欢乐宋”最合理的控制措施。具体掘进参数设计和试验分段情况如表2 所示。

表2 试验段分段参数Tab.2 Segment parameters of test section

试验段1 单元（LZK13 ＋806 ～LZK13 ＋746）主要调整泥浆比重、泥浆粘度、切口压力、掘进速度、刀盘转速等掘进参数来适应地层，同时采用克泥效、同步注浆配合控制沉降。拟采取掘进参数及沉降控制措施如表3 所示。

试验段2 单元（LZK13 ＋756 ～LZK13 ＋706）根据地层变化及时调整泥浆比重、泥浆粘度、切口压力、掘进速度、刀盘转速等掘进参数，同时在克泥效、同步注浆及时有效注入的基础上增加深孔注浆辅助控制沉降。拟采取掘进参数及沉降控制措施如表3 所示。

试验段3 单元（LZK13 ＋706 ～LZK13 ＋656）根据地层变化及时调整泥浆比重、泥浆粘度、切口压力、掘进速度、刀盘转速等掘进参数匹配，同时在克泥效、同步注浆及时有效注入基础上增加二次注浆辅助控制沉降。拟采取掘进参数及沉降控制措施如表3 所示。

表3 单元沉降控制验证Tab.3 Verification of unit settlement control

3 “欢乐宋”试验段监测

3.1 监测点布设

试验段监测点布设时，在影响区域内的监测点位按照监测断面进行布设，地表监测点共计36 个断面，其中9 个大断面（每个断面9 个监测点），27个小断面（每个断面3 个监测点），共计161 个监测点，大断面间距为20m，小断面间距为5m。

其线路中线布设1 个中心监测点，然后向左右两侧各延伸6m、10m、18m、28m 处分别布设1 个监测点；小断面为3 个监测点，其线路中线布设1 个中心监测点，然后向左右两侧各延伸6m分别布设1 个监测点。见图7。

图7 试验段地表沉降监测点布设Fig.7 Surface settlement monitoring points in the test section

3.2 监测频率

考虑始发过程中的不稳定性，为保证施工安全，应加密监测，同时考虑到下穿“欢乐宋”试验段，要结合盾构机掘进里程进行针对性监测，能够反应各沉降阶段特征，监测频率不少于6 次／天。若监测过程中，出现数据异常突变，应继续增加监测频率，及时了解数据变化并将数据进行反馈。

4 试验段措施及沉降分析

盾构施工根据不同阶段沉降控制需求在盾壳外部设置克泥效注入点同步注入克泥效，根据以往施工经验克泥效能很好地控制掘进过程中因盾构机自身的锥度导致的地表沉降，理论建筑空隙4m3／环。掘进过程中同步注浆系统采用双液注浆方式，通过8 个注浆口注入土体，防止地面沉陷及对衬砌管片起到握裹、固定作用，施工过程中采取注浆压力与注浆量双控的原则注入，理论建筑空隙28.07m3／环。另外依据不同阶段沉降控制需求，在管片脱出盾尾5 环之后开始进行深孔径向注浆（管片背后5m 范围），防止富水砂层在受到盾构掘进穿越扰动后土体的收敛造成地面沉陷，理论注浆量137m3／环。

4.1 试验段措施

盾构下穿“欢乐宋”试验段分为3 个单元，1单元（11 环～40 环）除常规掘进参数控制外，主要增加中盾注克泥效控制沉降，2 单元（41 环～60 环）在1 单元的基础上增加深孔注浆措施，3单元（61 环～85 环）在1 单元的基础上增加二次注浆措施。

4.2 试验段沉降分析

根据试验段盾构掘进过程中及时采集地表沉降数据，见图8。根据沉降数据分析调整不同阶段采取的措施，主要验证3 个试验阶段措施的可行性，研究掘进参数及保护措施与沉降的基本关系。

图8 注浆参数与沉降的关系Fig.8 Relationship of grouting parameters versus settlement

根据沉降数据表中的数据分析，试验段1 单元（11 环～40 环）采取中盾注克泥效措施，地表累计沉降一般控制在8.5mm 左右，试验段2 单元（41 环～60 环）采取中盾注克泥效措施和管片壁后径向深孔注浆措施，地表累计沉降一般能控制在3mm左右，试验段3 单元（61 环～85 环）采取中盾注克泥效措施及二次深孔注浆措施，地表累计沉降一般能控制在7mm左右。

同步注浆量按照监测数据及时进行调整，通过前100 环试验段数据及以上图表分析可以看出，10 环～20 环同步注浆量为33m3（充盈系数为1.15）、克泥效注入量为4.8m3，地表最终沉降能控制在13mm左右，持续增加同步注浆量至39m3（充盈系数为1.4）地表最终沉降能控制在11mm左右，持续增加同步注浆量，注浆压力开始持续增加，不适宜再增加；此时沉降并不能满足控制指标，克泥效注入量偏小，应继续增加注入量，以达到继续降低沉降的目的。

克泥效同步由盾构机的径向孔向盾构机的盾体外注入，及时填充开挖直径和盾体之间的空隙，根据10 环～30 环的数据分析，克泥效注入量由4m3（填充系数1）逐步增加至5.2m3（填充系数1.3），地表沉降控制由13mm降至9mm，沉降发展趋势减缓，另外验证注入量增加至5.6m3（填充系数1.4）时，地表沉降控制效果相较于5.2m3并没有较大改善，会造成浪费，不适宜再增加；此时沉降依然达不到沉降控制指标，应增加管片背后深孔注浆控制后续沉降。

由于隧道埋深较浅，土层较软，地表对沉降灵敏度较高，前30 环因需要对各项掘进参数进行试验，寻找最优指标，所以会出现个别监测点日监测指标异常情况，比如图9 中10 环～38 环沉降曲线出现明显波动，可根据整体趋势进行合理修正。30 环后试验参数逐步摸索到位，根据40 环～80 环监测数据反馈，当同步注浆基本保持在34m3左右，每环注入克泥效5.2m3时，沉降控制值不再出现较大波动。

图9 深孔注浆对沉降趋势的影响Fig.9 Effect of deep hole grouting on settlement trend

在试验段41 环～60 环进行上半圆180°管片外轮廓5m范围内的深孔注浆试验，考虑到盾构机1 号台车顶部高压柜的影响，顶部3 ～6 个注浆孔在管片需要脱出盾尾10 环左右开始深孔注浆，其余在管片脱出盾尾5 环开始进行深孔注浆，深孔注浆同样采取压力和流量双控的原则注入。通过对41 环～60 环对应地表沉降监测断面（DB12 ～DB21）加密观测通过数值曲线分析，深孔注浆能很好的控制管片脱出盾尾后隧道上方土体收敛引起的沉降，相较于不进行深孔注浆的8.5mm级沉降有了相当明显的控制，沉降最大断面23 环、24 环的沉降值为2.87mm。

掘进过程中根据各沉降监测点的累计沉降值分析掘进措施是否有效，另外根据各沉降监测点连续的沉降值分析盾构掘进过程中不同阶段的沉降趋势（图10），通过数据分析，试验段2 单元（41 环～60 环）沉降趋势是最缓的。

图10 注浆参数与沉降趋势的关系Fig.10 Relation ship of grouting parameters versus settlement

通过每隔20m的大断面沉降数值分析，横断面沉降基本以隧道轴线为中心，沉降数据逐渐减小，17 断面和21 断面的累计沉降值能控制在2mm以内，此断面恰处于41 环～60 环深孔注浆区域范围。见表4 及图11。

表4 横断面沉降统计（单位：mm）Tab.4 Cross section settlement statistics（unit：mm）

图11 横断面沉降示意Fig.11 Cross-sectional settlement diagram

5 结论

盾构施工过程引起沉降大致分为盾构到达前、到达时、通过时、通过后及后期固结稳定5 个阶段，除常规的掘进参数控制，及时跟进同步注浆等措施外。对于第三阶段（盾构通过时），变形原因为刀盘直径到盾尾直径的锥度所遗留的空间导致地层与盾体间存在间隙，会造成地层收敛，引起土层松动，采取的控制措施为在盾体中部注入永不固结但可承压的“克泥效”材料，同步填充盾体锥度造成空隙。对于第五阶段，变形原因为地层反应延迟、泥水压力和注浆压力逐步消散、被扰动的软弱土层缓慢固结、归于稳定密实的过程，采取的控制措施为管片脱出盾尾5 环后及时实施洞内径向深孔注浆加固，以稳定地层为主增加中盾注克泥效及管片壁后深孔注浆措施，能够快速稳定地层，有效控制地层沉降。