大直径泥水盾构隧道穿越复杂环境地层变形敏感性研究

大直径泥水盾构隧道穿越复杂环境地层变形敏感性研究

顾云龙

中煤第三建设（集团）天津有限公司，天津市，300000

摘要：随着我国社会经济水平的不断提升，大盾构下穿既有地铁线路，盾构掘进参数和注浆参数控制不当，极易造成隧道周围土体变形，进而造成管廊隧道上方的既有地铁隧道结构变形超限，影响开通运营进度，重则引发安全事故，而在地铁隧道内安装自动化监测设备，实时监测地铁隧道结构变形情况，动态调整下方管廊盾构机掘进参数和注浆参数是成功下穿的关键。在地铁隧道施工过程中，盾构掘进会对土体造成一定的扰动，使得地层产生一定的位移和变形，其中主要表现为地表沉降。地表沉降超过一定限值后，会对周围环境产生影响，甚至导致周围建构筑物、道路、管线的破坏和坍塌。因此，在盾构掘进过程中，很有必要对地表沉降进行监测与预测。

关键词：大直径泥水盾构；隧道穿越；复杂环境；地层变形

引言

泥水平衡型盾构机由于施工过程中掌子面压力波动小，相对土压平衡盾构压力控制精度高，能有效控制地表沉降，保持地层稳定，使其被广泛应用于各类轨道交通及穿越江、河、湖、海等隧道建设中。盾构机在黏土层类地层掘进时，由于切削掉的泥渣黏结聚积成团逐渐附着于刀盘上，使刀盘孔眼堵塞、开口率减小，造成结泥饼，在泥水循环过程中，造成流量波动进而影响开挖面平衡压力波动、泥浆滞排、刀盘切削效率降低、掘进参数不达标等，如果不及时处理，会恶性循环，造成巨大损失。因此，泥水盾构在此类地层采取措施预防刀盘结泥饼至关重要。

1工程概况

1.1隧道与桥涵相对位置关系

该盾构隧道在里程XHDK2+425～XHDK2+480范围小间距下穿成雅高速高架桥涵，隧道线路中心线与桥面中心线平面夹角约为88°。其中成雅高速桥涵跨径为25m，上部结构总宽度为48m，采用两幅分离式现浇宽翼缘箱型连续梁结构，梁体高度为等高1.5m；桥梁下部结构桥桩采用桩柱式桥墩，桩径1.5m，长约28m，为摩擦桩；盾构隧道结构与桥桩水平净距为4～7.1m。同时，成雅高速下方既有地下人行过街通道（简称地道）结构宽6.0m，高3.1m，顶底板和墙厚0.5m；对应地道位置隧道距地面竖向距离约为9.26m，隧道顶与地道底板之间的净距约为5.5m，其竖向相对位置关系。

1.2穿越段措施和现场监测方案

盾构隧道穿越施工将引起周围地层扰动，这种扰动以地层变形的形式传递至邻近既有桥涵结构，使其产生附加变形和内力，给既有桥涵及桥梁上部结构的正常使用带来不利影响。为减少上述不利因素的影响，考虑本项目盾构隧道直径大、距桥涵间距小、埋深浅及砂卵石地层注浆效果差等不利因素,通过对加固措施综合比选，并结合文献[16]的隔离桩施工期间对既有桥桩的影响与隔离桩径呈正比的相关研究结果，采取小直径钢管隔离桩保护措施并结合信息化监测优化掘进参数等手段。为及时了解地层及桥涵变形数据，监测盾构施工相关动态信息，根据隧道与桥涵相对位置关系，分别在地表及桥涵结构布置具有针对性的监测点。

2盾构下穿既有道路沉降分析

2.1地表典型断面的沉降分析

由于为盾构隧道下穿高速公路路基,所以更关注路基的沉降变形情况,随着盾构隧道掌子面的推移,路基的沉降变形成为一漏斗状,且随着掌子面向前推进。而未加固工况下,最大沉降值为-28.6mm,略小于地表沉降控制标准的-30mm,远大于高速公路路面的控制沉降值-20mm。并且在模拟隧道盾构掘进的过程中,右线的开挖对于左线的沉降影响较小,所以在设计监测方案时,右线开挖时,左线的测点可以适当减小监测频率。

2.2轴向沉降情况分析

阶段①：盾构掘至之前，左右线轴向沉降均未发生明显的变化；阶段②：盾构掘至后，左右线轴向地层都发生明显的沉降。阶段③：左线掘至，离断面越来越远，并且此阶段存在停机保压时间，因此，左线轴向地表沉降下降量不大，趋于稳定；而右线离断面越来越近，右线沉降持续发生。阶段④：左右线轴向地层均发生沉降现象。这是因为右线逐渐掘至，导致右线轴向地层持续下降。同时，由于左右线隧道净距只有15m，右线掘进的同时，会影响既有成型的左线隧道，但相比右线隧道，左线隧道的沉降量较小。

3辅助气压工法应用

在土压平衡盾构机中，多采用半仓掘进，在开挖仓内上半部打开保压系统注入一定压力的压缩空气，实现辅助气压掘进以加强排渣。泥水平衡盾构机工作原理与土压盾构机不同，根据盾构机排浆方式及管路布置的不同，一般将泥水平衡盾构机分为直接式与间接式。直接式泥水平衡盾构机操作控制较为简单，通过计算得出的地层压力值可以通过盾构机自带的保压系统控制器进行设定，设定后保压系统可以根据设定值自动调节压力，保持开挖面压力值稳定，即使波动较大也可快速自动调整回设定值，因此广泛应用于国内外大直径盾构隧道或对沉降控制要求高的盾构隧道。间接式泥水平衡盾构机在掘进时前仓一般注满泥浆保持饱和状态下掘进，需要盾构机操作人员在掘进过程中手动调节泵的转速与通向开挖仓的阀门开度来控制泥浆流量进而稳定开挖仓压力，调节过程对操作人员要求较高。

一般常用的泥水平衡盾构机以间接式为主，本工程因下穿各类风险源较多，对控制精度要求高，采用间接型泥水平衡盾构机运行施工。

3.1辅助气压工法原理

泥水盾构采用辅助气压掘进是将压缩空气替换泥水仓上半部的泥浆，利用压缩空气平衡掌子面水土压力、盾构外密封系统压力。通常情况下，压缩空气的流速大于泥浆的流速，泥浆的流速大于渣土的流速。刀盘切削土体，出现空隙后，压缩空气与泥浆会立即对空隙填充，通过泥浆环流控制泥浆液位处于一定范围内，泥浆液位以上压缩空气会逐渐逼退泥浆占有的空间，将开挖仓与气垫仓再进行连通后，开挖仓泥浆液面也填充为压缩空气。压缩空气具备一定压力，除了与泥浆能共同维持掌子面稳定外，压缩空气进入盾体与开挖轮廓间隙，抵抗地下水、土压力，同时也平衡盾构机外密封系统。

3.2辅助气压工法实施过程

采取辅助气压法掘进原理是通过泥水盾构机独有的压缩空气控制系统（SAMSON系统）设定压力，然后利用平衡阀将气垫仓、开挖仓管路连通，利用SAMSON系统将空气压缩机提供的气源供气，将开挖仓上部的泥浆通过管路排出，注入压缩空气，下半部仍为泥浆，液位可根据上位机显示界面查看并通过环流调节。压力设定：应根据工程特性进行设定，结合本工程掌子面开挖直径与埋深条件，盾构机顶部与中部压力差约6Pa；液位控制在腰线以上1m～2m，利用泥浆为维持掌子面稳定，开挖仓上半部压力设定值与开挖仓掘进中泥浆线压力值持平，此时气垫仓液位与开挖仓相同。通过盾构机上位机显示界面与开挖仓布置的压力传感器可以实时监测开挖仓压缩空气与泥浆压力变化。

结语

在全断面黏土地层及气密性、自稳性良好的地层中，辅助气压工法掘进能提高施工效率，且将沉降值控制在可控范围内，有效提高了施工效率，该工程经验可为类似工程提供经验。桥桩受隧道开挖卸荷影响产生附加变形及弯矩，在隧道洞身范围其变形数值从下至上先增大后减小。地层适应性是本工法使用的前提条件，因此地层气密性、自稳性满足要求是采用泥水盾构辅助气压法的前提条件。当地质条件发生变化时，应立即切换回饱和泥浆状态进行掘进。应保证同步注浆填充性，避免气体从掌子面前方溢流至后方导致掌子面压力失稳。

参考文献

[1]娄寅.浅谈南京地铁越江隧道盾构机选型[J].河南科技，2013（24）：149，151.

[2]赖伟文.高粘性陶瓷土地层中泥水盾构施工技术[J].建筑机械化，2012，33（6）：72-73.

[3]竺维彬，钟长平，黄威然，等.盾构掘进辅助气压平衡的关键技术研究[J].现代隧道技术，2017，54（1）：1-8.