随着经济发展, 我国各直辖市 (省会) 城市都在快速建设地铁, 综合功能、投资及施工难度等因素, 导致地铁线路不可避免要穿越房屋、桥梁、管线、老河流及湖泊等。土压平衡盾构在淤泥质土地层施工过程中, 河堤、河底沉降控制是相对复杂的技术问题, 因淤泥质土具有较高的灵敏度, 触变、流变特性较大, 强度较低, 固结排水时间长, 在动力作用下, 土体结构极易破坏。施工过程中设定参数过高, 可能击穿河底, 造成河水倒灌、淹没隧道, 造成巨大损失;设定参数过低, 沉降过大, 也有可能造成河水涌入隧道及河堤开裂。因此, 盾构穿越河流过程中如何确保隧道及河道安全尤为重要。本文针对淤泥质土地层中盾构穿越老海河施工过程中施工控制措施展开研究分析。

天津地铁1号线东延工程咸水沽北站—双桥河站区间为双洞单线隧道, 区间线路自咸水沽北站直线始发, 沿规划海沽道向东铺设, 依次下穿鱼池、养殖场、双桥河道路及出入段线既有地下结构, 而后经半径490m曲线段后转直线下穿老海河进入双桥河站 (见图1) 。本区间隧道右线起讫里程为DK44+530.393—DK45+465.87, 全长935.482m;左线起讫里程为DK44+530.366—DK45+465.875, 长链29.424m, 全长964.933m。区间线路左右线间距14.80～44.36m。区间结构顶部覆土厚度9.98～17.66m。区间中心里程右DK45+045.384设置1处联络通道, 通道采用冻结法加固矿山法施工。区间采用中铁装备土压平衡盾构机 (直径6 410mm) , 盾构机总长85m, 盾体长9.5m;盾构管片 (C50P10) 内径5.5m, 外径6.2m, 衬砌环全环由小封顶F、2块邻接块L和3块标准块B错缝拼装构成。

天津地下水受地质构造、地层岩性、地形、地貌、气象及海进、海退等综合因素影响, 水文地质条件较复杂。本区间受2层微承压水影响:第1层微承压水主要为 (8) ₃粉土、 (8) ₄粉砂、 (9) ₃粉土、 (9) ₄粉砂, 稳定水位埋深4.12～6.19m;第2层微承压水含水层主要为 (10) ₃粉土、 (10) ₄粉砂、 (11) ₃粉土、 (11) ₄粉砂及 (11) ₅细砂层, 稳定水位埋深5.8～7.1m。2层微承压含水以层 (9) ₁、 (9) ₂、 (10) ₁、 (10) ₂黏性土层为相对稳定的隔水层, 各含水层厚度和埋深不均, 中间分布的黏性土隔水层中夹有薄层含水层, 致使局部第1、2层微承压水上下联通, 水力联系紧密。对盾构有较大影响的微承压水含水层为 (8) ₃粉土、 (8) ₄粉砂、 (9) ₃粉土、 (9) ₄粉砂, 盾构穿越老海河范围地层技术参数如表1所示。

区间在DK45+350—DK45+400下穿老海河, 河道上口宽35m, 河底为料石衬砌, 河堤两侧无衬砌, 河底淤泥层厚约2.6m, 枯水期水深2.5m左右, 隧道结构拱顶距离河底最近约6m, 洞身土层主要以淤泥质粉质黏土 (拱顶) 、粉质黏土为主, 下穿老海河风险等级为II级。具体平面如图2所示。施工前, 对穿越老海河过程中易发风险进行分析并制定针对性措施, 如表2所示。

穿越之前, 选取海河河堤以外100m空地作为试验段, 根据河底与试验段地表高程情况, 布置4m深的监测点, 监测点沿隧道轴线方向间距10m, 监测断面间距25m (共4个) , 如图3所示。掘进试验段之前, 对设备推进、出土、注浆、盾尾密封及土体改良系统进行全面排查, 排查报告责任人签字, 确保试验段推进过程中设备正常运转及数据准确。对试验段推进参数、注浆及沉降综合分析, 确定穿越海河推进参数, 试验段数据统计如表3所示, 土压力、掘进速度与沉降值关系如图4所示。

根据试验段掘进参数与沉降值关系, 最终确定推进、注浆等参数如下:譹) 土仓压力 (上) 控制在60～80kPa;譺) 推进速度控制在40～50mm/min;譻) 每环出土量按照98%理论值 (48.48m³) 控制47.5m³/h (2斗满+1斗装3/4) ;譼) 螺旋输送机转速控制在8～12r/min;譽) 刀盘扭矩控制在额定扭矩的20%～30%;譾) 每环控制在理论建筑空隙的150%～180% (4.68～5.62m³) , 注浆压力0.10～0.15MPa;譿) 每环隔3环进行二次补浆, 补浆采用双液浆, 水泥浆 (水灰比0.8) ∶水玻璃 (30～40Be) 为1∶1。

穿越过程中, 对所有管理人员及作业班组进行动员, 并宣布奖罚制度, 要求所有作业人员严格按照指令单执行。对注浆材料及管片进行“四检制”, 确保质量。具体重点工作如下。

1) 下井前, 认真核对管片型号、胶条黏结、吊装孔、螺栓孔及破损 (裂缝) 等。

2) 每推完1环, 2人对盾尾间隙进行实测, 确保间隙分布较均匀。

3) 严控管片拼装错台, 管片螺栓严格执行复紧制度, 确保管片挤压密实。

4) 拼装完成后千斤顶分区回收, 并立即加压, 达到交底要求。

5) 穿越期间选用较试验段更优的油脂, 在油脂桶上做标记刻度, 每环必须达到规定值。

6) 管片出盾尾5环后进行二次注浆, 二次注浆从隧道两腰开始, 注浆一段时间后, 将封顶块吊装孔装上阀门并打开, 观察是否有浆液溢出, 如有, 继续注1m³左右停止, 否则继续注浆。浆液为水泥浆+水玻璃 (30～40Be) 双液浆 (水灰比为0.8, 体积比为1∶1) , 注浆实施注浆压力和注浆量双控。

7) 盾构下穿老海河过程中, 选优质泡沫对渣土进行改良, 确保土压稳定及螺旋机正常出土, 不发生喷涌。

8) 穿越海河范围内使用的管片为多孔 (16孔) 管片, 根据监测值随时进行补浆。

9) 盾构穿越过程中, 对河堤和河底监测点沉降值与推进参数进行统计分析, 得出盾尾距监测点距离与沉降值的关系曲线如图5, 6所示。

针对土压平衡盾构机在淤泥质土地层穿越老海河河堤 (底) 前、过程中采取的沉降措施, 得出的盾尾与河堤 (底) 测点距离与沉降值的关系图, 并得出如下结论。

1) 通过试验段调整、优化掘进参数, 盾构穿越老海河引起的最大沉降值满足设计及河道管理部门控制指标要求。

2) 盾构穿越淤泥质土等软土地层时, 掘进速度不是越慢越好, 而是在注浆同步到位的前提下, 掘进速度应控制在40～50mm/min, 这样对地层扰动较小, 沉降指标可控。

3) 淤泥质土层且开挖断面含有微承压水地层情况下, 盾尾后5环应做好双液浆“环箍”, 防止同步浆液流失带动地层土体引起附加变形。

4) 淤泥质土层中盾尾未通过监测点之前, 盾尾距监测点5～10m时, 地表隆起值较明显, 最大值达8.7mm;盾尾通过监测点后, 沉降急剧增大, 盾构通过10m后, 沉降值基本稳定, 此种沉降规律是与其他地层最大不同之处, 也要求类似地层施工必须做好管片脱出盾尾24h后的二次补浆工作。

本文针对淤泥质地层中盾构穿越老海河前、穿越过程中控制沉降技术及管理措施进行总结, 希望为今后类似地层施工提供参考, 后续饱和淤泥质粉土、淤泥等地层中盾构推进引起的沉降控制仍需进一步探讨及实践验证。