佘才高 韓高孝

(1.南京地鐵建設(shè)有限責(zé)任公司，210017，南京;2.同濟大學(xué)道路與交通工程教育部重點實驗室，201804，上?！蔚谝蛔髡?，教授級高級工程師)

隨著我國地鐵建設(shè)大規(guī)模的開展，盾構(gòu)法隧道施工得到了廣泛的應(yīng)用。雖然我國在盾構(gòu)隧道施工方面已取得大量的成功經(jīng)驗和技術(shù)積累，但仍然存在不少的技術(shù)問題有待探索。如何選擇合理的盾構(gòu)施工參數(shù)，通過參數(shù)的優(yōu)化使土體受到的擾動最小，從而有效控制地表變形，以減少對鄰近建筑物的影響，仍然是盾構(gòu)設(shè)計與施工中必須面臨的一個問題。

對此，國內(nèi)學(xué)者已開展了不少有益的探索。文獻［1］通過對廣州地鐵1、2號線盾構(gòu)機的刀盤扭矩等主要技術(shù)參數(shù)和刀具布置型式的分析研究，對其合理性進行了評價。關(guān)于盾構(gòu)機工作參數(shù)的匹配性研究方面，文獻［2］結(jié)合廣州地鐵3號線天河客運站—華南師大站盾構(gòu)區(qū)間隧道工程的施工，應(yīng)用正交試驗技術(shù)對土艙壓力、推力、刀盤轉(zhuǎn)速等主要掘進參數(shù)對掘進速度、刀盤扭矩的影響進行現(xiàn)場試驗研究，并建立了土壓平衡式盾構(gòu)在軟土中的掘進速度數(shù)學(xué)模型和刀盤扭矩數(shù)學(xué)模型。文獻［3］以盾構(gòu)前方的隆起量作為主要控制量，討論了盾構(gòu)各種控制參數(shù)的相互關(guān)系。文獻［4］結(jié)合南京地鐵一期盾構(gòu)掘進過程中的監(jiān)測數(shù)據(jù)，對土體變形特性與盾構(gòu)工作參數(shù)(土艙壓力、注漿量、出渣量)的關(guān)系進行了分析。文獻［5］研究了上海軌道交通2號線下穿1號線時，盾構(gòu)施工參數(shù)(正面壓力、推進速度、注漿量)對1號線變形的影響。文獻［6］結(jié)合上海軌道交通2號線的施工，研究了施工參數(shù)對地表沉降的影響，包括正面支護壓力的大小、頂進推力的大小、盾構(gòu)推進速度影響等。文獻［7］通過模型試驗研究了盾構(gòu)機推力的影響因素、掘進速度和盾構(gòu)推力的關(guān)系，以及掘進速度和貫入度、刀盤切削厚度之間的關(guān)系。文獻［8］也通過模型試驗研究了盾構(gòu)機土倉壓力變化、土倉壓力值與螺旋輸送機出渣率的關(guān)系，分析探討了出渣量變化率與地層變形模量大小之間的關(guān)系。但是，上述對于盾構(gòu)施工參數(shù)所開展的研究都是針對砂土和軟土地層開展的，很少有在巖石地層中的研究。本文以南京地鐵6號線下穿高速鐵路橋梁工程為背景，研究盾構(gòu)隧道全斷面穿越巖層時施工控制參數(shù)的確定。

1 工程背景

1.1 工程概況

南京地鐵6號線南京南站—勝太路站區(qū)間盾構(gòu)隧道自北向南依次下穿京滬高速鐵路高架橋、D3 走行線高架橋、滬漢蓉客運專線鐵路高架橋、D5 走行線高架橋、寧安城際鐵路高架橋、D6 走行線高架橋等共6 條鐵路高架橋。下穿處的鐵路高架橋均為預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土連續(xù)梁橋、群樁基礎(chǔ)，樁長在25～29 m 之間，樁徑為 1.25 m 和 1.5 m，樁端持力層為中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，基本承載力為1 300 kPa。下穿段盾構(gòu)隧道外邊緣與京滬高速鐵路橋梁樁基的距離最近為6.4 m，隧道底部高于樁端2.5 m。下穿段盾構(gòu)隧道與高速鐵路高架橋平面位置關(guān)系如圖1所示。

區(qū)間隧道采用國產(chǎn)CTE6440 型復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機施工，開挖直徑為6.47 m，盾尾間隙為30 mm。地鐵上下行線由2 臺盾構(gòu)機先后推進，先施工左線隧道，約25 d 后開始施工右線隧道。下穿段盾構(gòu)隧道中心埋深平均約27 m，地鐵隧道左、右線的線間距約30 m，隧道結(jié)構(gòu)外徑為6.2 m、內(nèi)徑為5.5 m。

1.2 地質(zhì)概況

下穿段盾構(gòu)隧道全斷面穿越中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，穿越段由上往下地層的主要物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見表1。地下水初見水位埋深為0.5～1.5 m，地下水靜止水位為0.5～3.9 m，地下水無穩(wěn)定的統(tǒng)一水位，隨地勢起伏而定。本區(qū)間地下水主要為孔隙潛水。孔隙潛水主要賦存于素填土中。素填土層結(jié)構(gòu)松散，厚度不均，富水性一般，透水性一般。粉質(zhì)黏土層以粉質(zhì)黏土為主，夾少量礫石，包裹性較好，勘察時未測得承壓水水位。本區(qū)間底部基巖主要為白堊系葛村組(K1g)泥質(zhì)粉砂巖，裂隙不甚發(fā)育，且呈緊密閉合狀，裂隙連通性差，含水微弱。

圖1 盾構(gòu)隧道與高速鐵路高架橋平面位置關(guān)系圖

表1 地層參數(shù)表

2 施工參數(shù)研究

2.1 施工參數(shù)分析

從控制地層位移和變形的角度看，土倉內(nèi)設(shè)置的土壓力值應(yīng)能維持刀盤前方土體的穩(wěn)定，不致因土壓偏低造成土體坍塌、地下水流失;從減小施工損耗、提高功效的角度看，土倉內(nèi)的土壓力應(yīng)盡可能低，以降低掘進推力和扭矩、提高掘進速度、降低對刀具的磨損，尤其在硬巖地層中長距離連續(xù)穿越多條高速鐵路線路時應(yīng)避免在穿越段換刀的可能。掘進時土倉壓力的合理設(shè)置是建立在對刀盤前方水土壓力準(zhǔn)確計算的基礎(chǔ)上，選擇合適的計算方法對掘進面靜止土壓力值準(zhǔn)確的計算就顯得十分重要。由于本工程隧道全斷面穿越中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，埋深均為27 m 左右，屬于深埋隧道，因此土壓力計算采用我國《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》所采用的計算公式:

式中:

q——圍巖豎直均布壓力，kPa;

γ——圍巖重度，kN/m3;

h——圍巖壓力計算高度，m;

S——圍巖級別;

ω——寬度影響系數(shù)，ω =1 +i(B-5)，其中:B為坑道寬度，m;i 為B 每增加1 m 時的圍巖壓力增減率(當(dāng) B ＜5 m 時，取 i=0.2;B ＞5 m 時，可取 i =0.1)。

由式(1)、式(2)可計算得出本工程盾構(gòu)土倉內(nèi)土壓力的理論值為0.08 MPa。

從圖2 可以看出，盾構(gòu)掘進過程中土倉壓力在0.04～0.17 MPa 之間變化，約為理論土壓力值的 50%～200%，但在施工過程中并沒有引起地表產(chǎn)生比較明顯的隆起和沉降。由此可得出，由于巖層的自穩(wěn)性較好，為了提高掘進速度、降低對刀具的磨損，在巖層中進行盾構(gòu)施工時可以將土倉壓力的值控制在較低的水平，且土倉壓力的波動不會引起掌子面的失穩(wěn)。

圖2 實測土倉壓力變化曲線

盾構(gòu)的推進速度與與土倉正面土壓力、推力、土體性質(zhì)等有關(guān)，應(yīng)進行綜合考慮。為了減小盾構(gòu)施工對周圍地層的擾動，在穿越段采取了較小的推進速度，見圖3。由圖3 可知，實測盾構(gòu)推進速度在15～32 mm/min 之間變化，推進速度比較穩(wěn)定，其平均推進速度為22.3 mm/min。

圖3 實測盾構(gòu)推進速度變化曲線

同步注漿量的大小在理論上等于每一環(huán)管片形成盾尾空隙的體積，而實際上注漿量的大小與土層情況、漿液性能、注漿壓力、注漿管管路損耗及盾構(gòu)曲線超挖等因素有關(guān)。在盾構(gòu)掘進中，一個行程的理論注漿量Q 為:

式中:

D1——刀盤的理論掘削直徑;

D2——管片外徑;

m——行程長度;

a——漿液注入率，主要和注入壓力決定的壓密系數(shù)a1、土質(zhì)系數(shù)a2、施工損耗系數(shù)a3、超挖系數(shù)a4等有關(guān)。根據(jù)《地下鐵道工程施工及驗收規(guī)范》a一般取 1.3～1.8 左右。

根據(jù)式(3)計算，當(dāng)a 取1.8 時，每一環(huán)的同步注漿量為5.8 m3。從圖4 可以看出，盾構(gòu)穿越高速鐵路橋群期間同步注漿量均在6 m3以上，平均注漿量約為6.6 m3，是理論同步注漿量的200%左右。

圖4 實測同步注漿量變化曲線

考慮到管路損失，同步注漿壓力通常取注漿點位處靜止水土壓力的 1.1～1.2 倍，即 0.09～0.10 MPa，在實際操作過程中應(yīng)根據(jù)管路情況進行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，注漿壓力最大不得超過0.4 MPa。從圖5 可以看出，盾構(gòu)的同步注漿壓力在0.13～0.28 MPa 之間變化，平均注漿壓力為0.21 MPa，注漿壓力均大于理論的土壓力(0.08 MPa)。

圖5 實測同步注漿壓力變化曲線

2.2 橋墩及地表變形分析

在盾構(gòu)隧道施工過程中對橋墩和地表變形進行了實測。圖6 至圖9 為寧安城際鐵路5#橋墩(盾構(gòu)隧道外側(cè)邊緣離樁基的最近距離為6.6 m)的觀測結(jié)果。由圖6 可以看出，橋墩沉降整體呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢并最終趨于穩(wěn)定，最大下沉為0.5 mm。由圖7 可知，由于在5#橋墩兩側(cè)都要進行隧道施工，橋墩縱向水平位移呈現(xiàn)出來回波動的特點，橋墩先向左線隧道一側(cè)發(fā)生偏移，位移達到最大值0.5 mm后開始減小，然后橋墩又向右線隧道一側(cè)偏移，最終最大值達到0.2 mm 后趨于穩(wěn)定。由圖8 可知，5#橋墩橫向水平位移也呈現(xiàn)出波動的特點，位移先向隧道推進方向(隧道由京滬高速鐵路向?qū)幇渤请H鐵路方向推進)增大，當(dāng)達到最大值0.7 mm 后又向相反方向發(fā)展，基本回歸原來的位置。由圖9 可知，5#橋墩先向左線隧道傾斜，但變化較小，最大傾角接近6″，之后向相反方向傾斜并基本回歸到原先的狀態(tài)。總的來說，盾構(gòu)施工對于橋梁的影響很小。

圖6 實測隧道施工引起的5#橋墩沉降

圖7 實測隧道施工引起的5#橋墩縱向位移

圖8 實測隧道施工引起的5#橋墩橫向位移

圖9 實測隧道施工引起的5#橋墩傾角

由圖10 可以看出，盾構(gòu)在穿越鐵路橋群地段地表沉降在0.5～2.9 mm 之間。由此可知，盾構(gòu)施工對周圍土層的擾動較小。

無論是橋墩變形和地表變形都說明:在下穿鐵路橋群期間盾構(gòu)施工參數(shù)的控制良好，所采用的施工參數(shù)是合理的。

圖10 地鐵盾構(gòu)下穿鐵路橋群施工時地表平均沉降變化曲線

3 結(jié)語

本文主要對穿越高速鐵路橋群期間地鐵隧道盾構(gòu)掘進的施工參數(shù)、橋梁變形和地表監(jiān)測數(shù)據(jù)進行了分析。地表監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，盾構(gòu)在穿越鐵路橋群期間橋墩變形和地表變形都很小。由此可知，在此種工況下所采用的盾構(gòu)施工參數(shù)是合理的。

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