尽管盾构施工技术已经非常成熟, 但在富水软土地区施工中, 仍存在很大风险, 盾构事故频发, 如天津、杭州等地。而在这种地层条件下, 采用土压平衡式盾构下穿浅覆土河流, 更不能掉以轻心。我国学者或工程师也做了不少类似的研究, 张庆贺等^[1]推导了土压平衡盾构开挖工作面水土压力与密封舱内压力动态平衡公式, 得到了盾构穿越水底浅覆土保持土体及隧道稳定所需的最小覆土厚度;李小光等^[2]结合上海地铁M8线隧道过走马塘施工介绍了盾构穿越浅覆土河床施工方法;对于盾构隧道穿越施工所引起的地表位移变化, 也有不少学者做了有价值的研究, 并提出了一些施工控制措施^[3,4]。

本文以天津地区河流多、地质条件差、地下水丰富为背景, 结合天津地铁M1线咸水沽北—双桥河站盾构区间近距离下穿老海河的工程实例, 借助数值模拟技术, 找出土压平衡式盾构穿越浅覆土河床引起的地表变形规律, 进而分析风险存在的部位及特点, 总结出适合该工况下的盾构施工技术及风险应对策略。

天津地铁M1线东延咸水沽北—双桥河站盾构区间双线全长1 896.24m, 区间线路最大纵坡25‰, 最小纵坡2‰, 最小平面曲线半径为400m;线间距为14.8~44.36m。隧道外径6.2m, 内径5.5m, 标准环环宽为1.5m, 管片混凝土强度等级为C50, 防水等级P10。盾构隧道在DK45+350—DK45+400处下穿海河, 老海河宽约50m, 河内水深约2.6m, 河床地质为淤泥质粉质黏土, 承载力约50k Pa。老海河河床与隧道顶部的最小距离为6.2m, 河床与隧道关系如图1所示。

区间隧道穿过海河的地质主要为 (6) ₄淤泥、 (6) ₆淤泥质粉质黏土, 河床底至区间隧道的最小覆土厚度为6.2m。该覆土层整体土质较软, 自稳能力差, 工程地质条件较为不利。地质情况如表1所示。

本场地表层地下水类型主要为第四系孔隙潜水, 赋存于Ⅱ陆相层及以下的粉土、砂层的地下水具有承压性, 为微承压水。微承压水分上、下2层, 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, 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, 局部第1, 2层微承压水上下连通, 水力联系紧密。

模型采用ANSYS有限元软件进行前处理建模, 后导入Fl AC^3D进行数值分析计算^[5,6]。模型按照实际尺寸建模, 分别建立双线盾构隧道、老海河河床模型, 共划分了78 881个单元, 84 036个节点。模型整体尺寸为110m (x) ×80m (y) ×40m (z) , 为减少边界效应的影响, 模型左、右边界取隧道5倍洞径, 左、右边界距隧道29.4m, 底部边界取4倍洞径, 隧道距底部23.8m, 河流河床两侧各取30m, 河宽50m。采用位移边界条件, 上边界取地面为自由面, 两侧面、底面均受法向约束。地下水位与地面持平, 土体、管片采用3D实体单元模拟, 土体采用莫尔-库仑模型, 各向同性, 管片采用弹性模型, 认为其不透水。计算模型单元网格如图2所示, 土体及管片参数如表2, 3所示。

本文将盾构隧道施工过程进行简化, 每个施工步3m。由于盾壳对围岩的保护作用, 模拟过程中认为每个施工步土体钝化与管片激活同时进行, 同步注浆圈落后2个施工步激活。

在隧道纵断面正上方选取a, b, c, d 4个点分别对应地面、河堤、河边坡、河床4个位置进行数值分析。监测点布置如图3所示。

分别提取a~d监测点对应的地表位移值, 结果如图4所示。

由图4可知, 盾构到达a, b点位置时, 由于土体开挖, 地表沉降显著增加, 开挖过后, 地下水浮力作用下, 沉降值减小, 最大沉降值为5.93mm, 发生在b点, 即河堤处;c, d点位置覆土厚度小, 盾构开挖时, 地表先沉降, 后转为轻微隆起, 待盾构机过河后, 由于水向隧道开挖方向发生渗流, 浮力减小, 沉降值轻微增大, 最大隆起值为3.31mm, 发生在d点, 即河床处。

选取河床d点对应的隧道横断面, 在横断面正上方沉降槽^[7]范围内选取11个监测点, 对盾构通过该断面所引起的地表位移进行数值分析。监测点布置如图5所示。

提取图5中各点地表位移值, 结果如图6所示。

由图6可知, 河床覆土厚度小, 盾构开挖时, 地表在隧道上方出现了轻微隆起, 距离较远位置地表下沉, 地表横向位移呈倒“U”形。

通过数值模拟得出盾构穿越海河时各典型断面地表的变形规律, 由于过河段地表沉降差异显著, 如果不采取有效的施工措施, 将造成以下风险: (1) 河堤沉降大, 可能造成河堤开裂, 影响河堤安全使用; (2) 河床的地表变形与河堤恰恰相反, 有轻微隆起, 需要及时调整盾构参数; (3) 河床横断面上地表变形呈倒“U”形, 地表隆起与沉降的地层交界面可能存在裂缝, 形成河水倒灌通道; (4) 由于覆土浅, 地下水丰富, 导致隧道上浮, 极易引起隧道局部开裂、漏水。

采用的盾构机左线为中铁装备CTE6400E-0660型盾构机, 右线为小松TM634PMX-54型盾构机。左线盾构机为被动铰接形式, 右线盾构机为主动铰接形式, 且盾尾均用加强型盾尾刷。本区间通过海河, 考虑到本区间地层富水, 发生螺旋机喷涌现象的可能性较大。本机螺旋输送机配置如下。

1) 螺旋机出土口设置2个闸门, 交替开启以降低喷涌压力。

2) 预留了膨润土和高分子聚合物注入接口, 必要时, 可向土仓壁和螺旋机内注入膨润土和高分子聚合物, 以缓解螺旋机的喷碴压力。

3) 设置有保压泵接口, 必要时可连接泥浆泵或泥浆管, 缓解喷碴压力。

盾构过河段最小覆土厚度6.2m, 土质较差, 对盾构过河施工要求较高, 因此过河前需停机检修。

1) 停机点选择在盾构机穿越老海河前, 选择隧道线形平缓、地面建筑少、地下管线少的位置作为停机检修点, 结合本工程实际, 选择距离老海河50m的位置停机。

2) 检修项目 (1) 驱动动力系统, 如电动机、油马达、高压油管等; (2) 电气控制系统中的电磁阀、接触器以及传感器; (3) 注浆系统, 检修注浆泵、清通注浆管路, 使之保持畅通; (4) 渣土改良装置, 检修泡沫泵、水泵, 清通管路, 使之保持畅通; (5) 运输系统, 含皮带机及电瓶车, 尤其是电瓶车, 必须保证刹车系统正常工作; (6) 盾尾排水设备, 原为潜水泵, 换成排污泵配合1台潜水泵, 敷设2道排水管路, 潜水泵及其管路为备用设备; (7) 气压设备按照0.3MPa压力进行保压试验, 对气压设备的气密性进行全面检查; (8) 检查铰接密封、盾尾密封, 保证各部位具有良好的密封性能。

停机时根据隧道的设计轴线确保盾构的姿态保持在正确的位置, 再次开机前检查确保盾构机姿态。从而使盾构以正确的姿态慢速开始穿越老海河, 避免在穿越老海河过程中盾构姿态调整过大或过多。同时, 根据各种监测数据, 逐渐调整并收集盾构慢速顶进过程中需要的各种参数, 包括掘进速度、千斤顶顶力、土仓压力、螺旋出土装置的转速、刀盘扭矩等参数, 为盾构顺利穿越海河做准备。

3) 穿越前应保证盾构及管片的姿态, 尽量减少穿越段的纠偏量并确保拼装质量。

4) 过河前检查盾尾刷的密封效果。

5) 过河前做好地下管线调查, 避免盾构下穿破坏河床底部其他管线。

本工程选取490~520环作为试验段, 在试验段掘进过程中, 详细记录管片沉降、注浆量、注浆压力、土仓压力、掘进速度等参数, 为过海河盾构掘进提供参考。

由于数值模拟的模型及参数选取均为理论数据, 与实际工况还存在一定的差异, 所以需选取试验段, 总结一部分施工参数, 借鉴使用。本工程选取过河前50m覆土厚度为8~10m的试验段, 通过监测数据总结, 得出拟采用的盾构参数如表4所示。

盾构正常推进速度控制在2~5cm/min, 为了减小盾构穿越过程中对河床下土体的扰动, 便于及时调整盾构姿态, 并结合天津地区盾构穿越河流和建筑物的经验, 穿越海河顶进速度初步定为2~3cm/min, 均匀推进, 并及时根据监测结果调整控制速度, 从总体上控制河床的隆起和沉降。

左线盾构每环理论出土量为48.23m³, 盾构进出土量宜控制在97%以下, 即46.78m³。掘进过程中, 出土量必须与土仓压力、掘进速度相对应, 并在减速掘进时减小出土量, 以保证姿态平稳。右线盾构机出土量控制在46.78m³以下。

根据刀盘开挖直径和管片外径计算出1环管片的注浆量。右线盾构机每环注浆量为3.1~4.13m³。注浆压力以保证足够注浆量的最小值为佳, 一般为0.15~0.2MPa。

土压力的设定值尽量接近自然土体侧向自重应力^[8]。盾构过河堤时, 土压力调整为0.18~0.2MPa;盾构进入河床时, 应保持欠压推进, 土压力调整为0.1~0.13MPa。

1) 地层土压力计算本标段围岩属于Ⅲ级, 过海河段最小埋深为6.2m, 属于浅埋隧道。盾构掘进断面主要为淤泥质粉质黏土、粉质黏土。

在浅埋隧道中, 静止土压力为原状的天然土体中, 土处于静止的弹性平衡状态, 这时的土压力为静止土压力。在任一深度h处, 土的铅垂方向的自重应力δ_z为最大主应力, 经计算为110k Pa, 而水平应力δ_x为最小主应力, 经计算为66k Pa。

2) 地下水压力计算

式中:q为根据土的渗透系数确定的经验数值, 砂土中q=0.8~1.0, 黏性土中q=0.3~0.5;γ为水的重度;h为地下水位距离刀盘顶部的高度。

在实际施工中, 由于管片顶部的注浆可能会不密实, 故地下水可能会沿着管片外部的空隙形成水通道, 当盾构长时间停机时必将形成一定的压力水头。

式中:q_砂浆为根据砂浆渗透系数和注浆饱满程度确定的一个经验值, 一般取0.8~1.0;γ为水的重度;h_w为补强注浆处和刀盘顶部的高差。

在计算水压力时, 刀盘后部的水压力δ_w1与刀盘前方的水压力δ_w取最大值进行考虑。因此, 水压力取δ_w=27k Pa。

3) 预备压力由于施工存在许多不可预见的因素, 致使施工土压力小于原状土体中的静止土压力。按照施工经验, 在计算土压力时, 通常在理论计算的基础之上再考虑10~20k Pa的压力作为预备压力。根据海河河底地质土层情况, 经过计算在盾构穿越海河施工过程中土仓压力理论值在123~147k Pa。在初始掘进过程中, 以理论计算值作为参考, 调整土仓压力。在过河段, 以土仓压力理论值和掘进过程中的土仓压力变化值为参考, 适时进行调整。

为了减少对开挖面和周围土体的扰动, 达到控制河床隆起和沉降的目的, 刀盘采用低扭矩高转速向前挖土, 随时观测刀盘扭矩的变化情况。

同步注浆采用水泥砂浆, 注浆量为理论空隙体积的150%~250%, 做到“掘进、注浆同步, 不注浆、不掘进”, 注浆压力为保证足够注浆量的最小值, 且与土压力相匹配。每隔5环, 采用水泥-水玻璃双液浆进行全断面注浆, 形成1道隔离环, 阻止同步注浆浆液及地下水向开挖方向流失, 减小河床差异沉降。

分别在过河段的左、右线里程DK45+335—DK45+415段采用多孔 (16孔) 注浆管片。穿越过程中每环采用二次加强深孔注浆加固地层, 加固范围为周圈 (360°) , 扩散半径为2m, 浆液采用水泥-水玻璃双液浆, 注浆压力0.15~0.2MPa, 当监测变形速率较大时宜采用双液浆, 注浆压力与注浆量双控, 在管片出盾尾4环后即可进行。以少量多次方式为主, 即以量控制为主, 压力为辅。注浆结束后, 拆除注浆头, 用双快水泥砂浆对注浆孔进行封堵, 填充后使用铸铁螺旋块封堵, 注浆如图7所示。二次深孔加强注浆浆液28d抗压强度≥1MPa, 若采用双液浆, 体积比1∶1, 加固后土体强度≥1MPa。

向刀盘面、土仓内和螺旋输送机内注入膨润土泥浆, 并增加对螺旋输送机内注入的膨润土泥浆量, 以利于螺旋输送机形成土塞效应, 防止喷涌。

盾构在过河前处于直线位置, 在停机检修完毕开机时就加强对盾构机姿态的测量, 确保盾构初始过河时姿态正确。过河时, 测量人员将后视点设置在合理位置, 保证盾构过河过程中尽量不移动后视点, 同时加强每班组的测量频率, 确保盾构过河过程中姿态正确。

在盾构穿越老海河施工过程中, 盾构掘进的参数要根据监控量测的结果来实时调整, 正确调整和设定盾构的各种参数才能有效控制盾构掘进引起土体扰动、河床沉降等施工影响, 确保盾构顺利穿越老海河。过河段监测点的布置要比一般段的间距小, 监测频率6次/d, 河床沉降点以5m为间距, 洞内沉降、收敛监测点按照5m间距布置。同时, 安排专人对河面情况进行24h观察记录, 观察内容包括河水水位变化、河面有无漏浆、冒泡等异常情况, 确保一旦发生不利情况, 能够第一时间了解情况, 采取应急措施。

1) 主固结沉降由土体的扰动引起, 盾构扰动周围土体, 受扰动的土体中会产生超孔隙水压, 盾构过后, 超孔隙水压消散, 其消散过程造成土颗粒压实, 从而引起土体沉降。

2) 地层损失引起的地面沉降。如果同步注浆时间滞后太久、注浆量不够、浆液配合比不合理, 管片安装有偏差、管片受压收敛值较大, 盾构机转弯引起的超挖等均会引起地表沉降。

3) 如果平衡土压力小于开挖面的实际土水压力, 则开挖面土体会向盾构方向移动, 造成盾构前方土体下沉;反之, 如果平衡土压力大于开挖面实际的土水侧压力, 盾构前方土体会隆起。

1) 地表观测

盾构隧道施工前, 在隧道掘进线路上每4环在隧道轴线上方设置1个沉降观测点, 每12环设置1个观测断面, 每个断面上布置13个测点。地表沉降监测点布置如图8所示。监测点位采用1m以上长度的16螺纹钢筋, 钢筋要深入原状土层中。在地表以下30cm内埋设120钢管保护测点。地表沉降监测点结构和地表沉降监测点布置如图8所示。

2) 老海河水位观测

为了及时观测老海河河水水位, 在河岸边设置水位标尺, 标尺采用5m长50不锈钢管制作, 钢管上标记刻度, 并安排专人观察记录。及时了解海河水位变化以指导施工, 及时调整盾构机土仓压力。

3) 盾构隧道监测

盾构隧道的监测主要有盾构隧道平面位置、竖向位置和水平收敛的监测, 在盾构隧道每环管片的拱底处, 采用手电钻钻孔布置1个膨胀螺栓作为盾构隧道平面位置和拱底隆起观测点。监测点位顶部不得高于管片表面3cm。在过河隧道中心水平位置用冲击钻钻孔布置10带弯钩膨胀螺栓作为收敛点。沉降、收敛点以5环为间距。

4) 盾构姿态监测

在穿越海河施工过程中, 盾构姿态的控制至关重要, 实时监测盾构姿态的变化, 以指导盾构姿态的调整。选取盾构机刀盘驱动中心点、铰接部位中心点、拼装机中心点3点作为盾构机姿态的观测点。通过这3点坐标位置的变化, 及时把握盾构姿态的变化情况, 以达到正确指导盾构机掘进方位。及时把采集的数据反馈至盾构操作负责人员, 以便及时对盾构姿态进行纠正。根据相关规范和工程经验, 制定监测指标如表5所示。

5) 监测结果反馈机制

以2次/d的频率对盾构穿越海河施工进行监测 (如遇特殊情况加密频率) , 与第三方监测同点同频率, 迅速处理所采集的数据, 并根据数据处理结果及时调整和设定盾构施工参数, 从而达到监测指导施工的目的, 这是过河施工至关重要的环节, 建立以下反馈机制, 确保信息流顺畅。监测与施工流程关系如图9所示。

1) 盾构过河前检查盾尾、铰接部位的密封效果, 并进行设备保养和维护, 保证连续作业, 不停机。

2) 盾尾刷采用加强型盾尾刷, 盾尾油脂采用优质泡沫油脂。

3) 盾构机匀速推进, 严格控制盾构姿态, 严禁在河底强行纠偏。

4) 螺旋输送机具备自动伸缩功能, 且前后2道闸门, 防止喷涌。

5) 洞内准备双液注浆机、快速水泥、棉布、钢丝球、300mm×300mm带阀门的钢板等应急物资。

1) 盾尾密封泄露对盾壳铰接处紧急气囊充气止住漏水, 再对漏水处密封进行修复, 修复后紧急气囊泄气重新掘进。如在河底发生较大泄露, 首先考虑多注盾尾油脂, 若仍无好转, 则盾尾密封刷可能已损坏。因在河底更换盾尾刷风险太大, 可从管片与盾壳间隙处塞入海绵条, 暂时止住漏水, 过河后再行更换。

2) 掌子面与河水连通掘进时若发现掌子面与河水连通, 先关闭出土闸门, 同时在河面抛填黏土袋。填压漏水点在少出土或不出土的挤压状态下继续向前推进, 通过连通段后恢复正常掘进。

3) 管片上浮在每环管片拼装完毕, 及时在该环管片以及相邻管片底部、运输轨道两侧堆放袋装黏土, 以防止管片发生上浮。若管片上浮严重, 应在管片两侧斜向下打设拉杆, 以固定管片。

4) 设备故障因盾构设备、压浆设备发生故障, 停止3d以上时, 在开挖面加设密闭封板、盾尾与管片间的空隙做嵌缝密封处理, 并在支承环的环板与已建成的隧道管片环面之间加适当支撑, 以防止盾构在停顿期间后退。当地层很软弱、流动性较大时, 盾构中途停顿时须及时采取防止泥土流失的措施。

5) 防涌水措施 (橡胶囊) 本工程盾构区间下穿老海河, 由地质剖面图可知, 老海河河底土质较差, 主要为淤泥、淤泥质粉质黏土、粉质黏土, 盾构在海河段的掘进路线位于淤泥质粉质黏土、粉质黏土中, 极易对土体产生较大扰动而不易形成承载拱效应, 对河底覆土的扰动在所难免, 易出现覆土坍塌、河水倒灌。在过河前项目部组织进行了院校合作的橡胶囊在地铁区间隧道全断面堵水填充效果研究课题, 并将该试验成果作为过河的防淹防涌水预备方案, 如图10所示。

该预案措施具有以下优点:作为一种临时的隧道内挡水结构, 橡胶囊制作材料价格较低, 具有极大的经济优势;橡胶囊作为一种临时挡水结构可通过充水 (气) 、泄水 (气) 达到重复利用的目的, 因此具有可重复利用性;橡胶囊挡水结构的安装和充灌时间较短, 几个小时甚至更短时间即可完成, 对于涌水速度较快险情具有极大意义;当险情消除后, 橡胶囊可随时泄水 (气) , 然后搬运出地铁隧道即可, 不存在拆除对隧道管片的影响问题。

1) 地表变形根据监测结果反馈, 盾构达到河堤开挖时, 地表沉降最大值为-6.98mm, 盾构通过河堤二次补浆后, 地表沉降趋于稳定, 无明显裂缝;盾构刀盘进入河床, 直至盾构顺利掘进, 盾尾离开河床后, 河床最大隆起值为5.16mm, 水面局部有气泡, 无安全隐患。

2) 成型隧道管片上浮得以有效控制, 未发现管片破裂和渗漏现象。

1) 盾构穿越时, 河堤的沉降值最大, 需通过试验段确定合理的土压力, 保证河堤安全;河床则表现为轻微隆起, 在盾构刀盘进入河床前, 及时调整土压力, 适当“欠压”推进。

2) 由于河床覆土浅, 注浆压力不宜过大, 应与土压力相匹配, 防止浆液注入河流污染环境。

3) 为阻止同步注浆浆液及地下水沿隧道掘进方向流水, 导致河床变形过大, 在河底段每隔5环设置1道双液浆隔离环。

4) 应用多孔管片进行深孔注浆, 不但有效解决管片上浮问题, 还为后续运营阶段提供可靠保障。

5) 在有针对性技术措施保障的前提下, 辅以防淹、防涌水应急预案, 即充灌气囊在隧道施工中的应用模型试验和理论分析, 初步验证了充灌气囊的挡水机制及可行性, 为类似的地下隧道施工抢险提供了一种行之有效的实践经验和防范风险的策略。