武汉市轨道交通8号线一期工程土建施工部分3标位于武汉市武昌区, 包含徐家棚站与黄浦路站—徐家棚站越江盾构区间。越江区间在长江二桥上游约450m处下穿长江, 穿越长江部分的隧道全长3 186m, 盾构机自徐家棚始发井始发, 下穿武昌江堤、汉口江堤。

大堤底边缘沿线路方向前后为大堤保护区, 武昌段大堤保护区里程为DK12+102—DK12+167, 保护长度65m;汉口段大堤保护区里程为DK10+407—DK10+590, 保护长度183m。

近年长江汛期水位较高, 而长江大堤的一个主要作用就是成为江防大堤, 它是两岸群众生命财产安全的有效保障。盾构穿越长江大堤时控制地表沉降、保证大堤安全是盾构施工的重中之重。

盾构机穿越长江大堤时, 严格按照设计要求将大堤地表沉降控制在10～30mm范围, 防止大堤出现一些影响结构稳定的安全问题, 如渗水、沉降等。

针对盾构穿越江河方面前人做了一些研究, 王吉云等研究15.43m超大直径盾构整体平移机及调头施工技术^[1], 温竹茵进行超大直径盾构小半径转弯技术研究^[2], 陈馈等进行武汉三阳路公铁合建超大直径盾构隧道设计方案研究^[3], 索晓明等进行北京地下直径线大直径盾构隧道技术研究^[4], 陈海军研究水下长距离浅埋大直径盾构隧道设计与施工^[5], 肖明清探讨国内大直径盾构隧道的设计技术进展^[6], 李岳等研究泥水盾构越江隧道段绿色施工的模糊综合评价^[7], 马健等研究盾构近距离多次下穿对既有隧道变形的影响^[8], 李凭雨进行某地铁区间隧道下穿既有地铁车站变形数值分析^[9], 谭信荣等探讨软弱富水地层隧道下穿燃气管道变形控制技术^[10]。

本文通过仿真计算研究隧道开挖对大堤的影响, 运用相应科学方法确定盾构机掘进穿越大堤时的一些重要参数, 研究控切口水压、出土量 (进排泥流量) 、同步注浆、推进速度、泥水质量、管片拼装、加强监控量测等环节具体方案, 为工程安全施工提供保障。

隧道在武昌下穿江北防洪堤, 基底至隧道顶距离约25.3m;于汉口下穿江南防洪堤, 基底至隧道顶距离约35.4m。由于武昌大堤与盾构隧道距离较近, 下面主要针对武昌大堤进行研究, 武昌长江大堤与盾构隧道位置关系纵剖面如图1所示。

如图2所示模型中1 轴为隧道轴线方向, 2 轴为深度方向, 3 轴为宽度方向, 模型 1方向宽60m, 模型2 方向深 60m, 模型3 方向长 40m;每开挖步长为4m即2个管片宽度, 共开挖10步。模型采用C3D8R单元, 共15 490个单元和17 814个节点;左右1方向约束, 前后3方向约束, 底部1～3方向约束。模型计算中采用的地层和材料参数如表1所示。

隧道开挖20m时大堤的竖向位移云图表明, 堤基表面最大沉降为19.04mm, 大堤表面最大沉降为1.67mm。计算表明, 当隧道开挖40m时, 堤基表面沉降达到最大;隧道开挖40m时大堤的竖向位移云图表明, 堤基表面最大沉降为30mm, 大堤表面最大沉降为3.02mm。盾构隧道从长江防洪堤下穿过, 长江防洪堤为重要防洪工程, 因此, 在施工过程中必须采取有效保护措施, 确保防洪堤万无一失。

根据试掘进试验段监测掘进沉降情况, 当按照设定的切口压力推进时, 地表隆起, 隆起量在1～5mm, 盾构机机壳穿越过程中及脱出盾尾后会产生5～10mm沉降量。盾构始发掘进试验段说明按照设定的参数进行控制时, 可将沉降控制在15mm以内, 在试验段掘进中, 最大沉降点出现在DB14+820处, 沉降量为17mm。

切口水压控制对防止大堤沉降起到重要作用, 切口压力太大则地表隆起, 太小则可能造成地表塌陷。

本工程在盾构机穿过长江大堤施工前, 根据每环 (即每2m) 准确算出盾构机的掘进切口压力值, 按照此计算值需对施工掘进进行控制, 并且在此过程中也不能忽视对地层沉降的监测, 通过监测便可及时修正切口压力的计算值, 控制好切口水压, 从而控制好地表沉降, 使之始终保持在要求范围内。

经过计算, 盾构机穿越汉口段长江大堤时, 覆土厚度为25.47～31.90m (到盾构机中部) , 切口水压计算值为4.36～4.5bar (1bar=0.1MPa) ;穿越武昌段长江大堤时, 覆土厚度为32.47～36.72m (到盾构机中部) , 切口水压计算值为4.09～4.6bar。

切口压力根据以下水土分算公式算得。

切口水压上限值:

$\begin{array}{l}{\rm P}{}_{\text{上}}={\rm P}{}_1+{\rm P}{}_2+{\rm P}{}_3=\gamma {}_{\text{w}}h+\\ {\rm K}{}_0\cdot [(\gamma -\gamma {}_{\text{w}})\cdot h+\gamma \cdot ({\rm H}-h)]+20(1)\end{array}$

式中:P_上为切口水压上限值 (kPa) ;P₁为地下水压力 (kPa) ;P₂为静止土压力 (kPa) ;P₃为变动土压力 (kPa) , 一般取 20kPa;γ_w为水的重度 (kN/m³) ;h为地下水位以下的隧道埋深 (算至隧道中心) (m) ;γ为土的重度 (kN/m³) ;H为隧道埋深 (算至隧道中心) (m) ;K₀为静止土压力系数, 本次施工取0.85。

切口水压下限值:

$\begin{array}{l}{\rm P}{}_{\text{下}}={\rm P}{}_1+{{\rm P}}^{\prime }{}_2+{\rm P}{}_3=\gamma {}_{\text{w}}\cdot h+\\ {\rm K}{}_{\text{a}}\cdot [(\gamma -\gamma {}_{\text{w}})\cdot h+\gamma \cdot ({\rm H}-h)]-\\ 2c{}_{\text{u}}\cdot \sqrt{{\rm K}{}_{\text{a}}}+20(2)\end{array}$

式中:P_下为切口水压下限值 (kPa) ; P′₂为主动土压力 (kPa) ;K_a为主动土压力系数, 本次施工取0.4;c_u为土的黏聚力 (kPa) 。

而且切口压力稳定性还有一个非常重要的作用, 即它的稳定可有效降低地表沉降。如果切口水压产生很大波动, 便会加大对正面土体的扰动, 使其不断流失减少。因此, 使用SAMSON气压调节系统能够稳定地将开挖舱泥水压力的波动值有效控制在-10～10kPa。开挖舱泥水压力波动情况如图5所示。

通过对盾构与管片之间建筑间隙的有效监测和对各土层特性的科学分析, 可较好地把控出土量, 其具体数值可作为开挖断面的98%～100%, 通过分析可获取范围内最合理的具体数值。

此次穿越大堤使用的盾构机是泥水盾构机, 它拥有实时自动切削出土量检查功能。在穿越大堤掘进过程中, 可显示出土量在理论和实际两方面值的偏差。通过对偏差的观察和分析可随时调整进出泥浆流量, 使出土量能始终保持在一定可保证安全的偏差范围内, 出土理论与实际对照情况如图4所示。

同步注浆可在避免地层沉降方面起到重要作用, 而且它包括2种参数控制, 分别是注浆量控制和注浆压力控制。盾构机开挖掘进时需充分注浆, 为使开挖过程中空隙被填满, 还需注意对注浆压力的有效控制, 这样可防止土体因开挖中出现的空隙而收缩塌陷。盾构机开挖与管片外径形成的空隙为15.78m³/环, 普通段掘进时按照空隙的120%～150%填充水泥浆;当盾构机穿越长江大堤时, 按照150%～200%加大注浆量控制, 即23.67～31.56 m³/环。注浆压力可根据比切口压力稍微大一点的值计算, 设计值为4.79～5.3bar, 依据本工程具体测试取值5bar。

掘进开挖过程中同步及时合理地调整浆液配合比, 通过提升水泥量可保证同步注浆浆液更快硬化, 并且强度更强, 同步注浆的浆液配合比如表2所示。

正面土体的一个重要参数是支护能力, 需重点加强, 这样可避免地面冒浆, 主要需一些参数进行把控, 经过测试泥浆密度范围取1.20～1.25g/cm³, 黏度范围为22～24Pa·s, 在需要时合理增加一些堵漏材料, 可在一定程度上降低该地层失水量, 保持掌子面的稳定性和安全性。同时, 为保证泥浆质量, 开挖中需提升泥水测试频率, 工作人员也需为使掘进开挖顺利进行而根据实际情况及时合理调整泥水参数。

推进速度不能过快, 也不能过慢, 而且需匀速前进, 这样即可降低对土体的扰动影响, 能有效控制地面变形。穿越掘进过程中, 盾构机速度维持在1～2.0cm/min较好, 保持匀速、稳定、平衡, 扰动影响小, 可有效降低结构安全风险。

盾构姿态矫正过后才能稳定开挖前进, 需控制盾构在开挖过程中的高程, 使其保持在设计轴线上下30mm内;因为考虑到覆土浅和盾构的上漂影响效应, 穿过大堤时, 控制盾构的高程在设计轴线下30mm左右。

因千斤顶产生收缩, 在拼装状态下, 盾构机很有可能会后退, 当盾构停在大堤下方拼装时, 为不让盾构机后退, 应少用千斤顶, 而且伸缩每台千斤顶进行管片拼装作业, 这样可平衡掘进开挖面的压力。在此过程中, 也要注意控制泥水压力, 有效控制泥水压力也可维持土体平衡。而且工作人员应熟练掌握拼装技术, 这样可保持质量、速度。

要使盾构安全穿过大堤, 另一个重要技术要求不可忽视, 便是先进的信息化施工。信息化施工的前提是监测, 监测点要依据设计要点在大堤上合理布置, 监测点提供监测数据, 通过对数据的掌握和分析便可进行信息化施工, 能及时调整盾构的施工参数, 使其在控制之内, 降低对地面影响。

按照区间监测方案, 在盾构穿越大堤范围内的两侧各60m范围内均匀布置13个监测点, 共5排, 每排间隔为10m, 5排分别布置于大堤顶面两侧和两侧坡脚, 共布设沉降监测点65个。

盾构机掘进开挖过程中, 其前后50m范围需监测, 所以要分派专人在此范围内实行全天监测, 每2h监测1次, 及时将监测情况和有关数据反馈给相关负责人, 提升施工管理效率。工程实施过程中监测得到堤基表面最大沉降为28mm, 大堤表面最大沉降为3.01mm, 满足大堤安全要求。

1) 仿真计算表明, 当隧道开挖40m时, 堤基表面最大沉降为30mm, 大堤表面最大沉降为3.02mm。

2) 运用相应科学方法算出盾构机掘进穿越大堤时的一些重要参数, 同时也要通过盾构机的掘进试验状况不断改良其开挖掘进时的重要参数, 严格控制切口水压、出土量 (进排泥流量) 、同步注浆、泥水质量、推进速度、管片拼装等环节, 将大堤地表沉降控制在10～30mm范围, 防止大堤的一系列问题出现, 如渗水、沉降等, 保证其基础和结构稳定性。

3) 采取信息化施工, 依据设计要点在大堤上合理布置监测点, 监测点提供监测数据, 通过对数据掌握和分析便可进行信息化施工, 能及时调整盾构的施工参数, 使其在控制范围内, 降低对地面影响。