王國安， 張文新

（中鐵隧道局集團有限公司，廣州 511458）

0 引言

隨著城市建設的發(fā)展，城市車流量增多，交通壓力增大，越江越海隧道工程因其不制約航運、不受氣象條件影響、抗震性能好的特點廣泛應用，隧道施工也采用了大直徑泥水平衡盾構施工技術，提高通行能力。雖然盾構法有機械化程度高、掘進速度快、施工安全、對周圍環(huán)境影響小等諸多優(yōu)點，但仍不可避免地對周圍土體產(chǎn)生擾動，引起周圍地層的移動和地表沉降，過大的不均勻沉降會對江河大堤的安全構成危害。國內(nèi)外隧道工程技術人員對大直徑盾構隧道穿越大堤有一也總結和研究。例如，楊有詩等[1,2]對大直徑泥水盾構通過長江大堤施工參數(shù)設置和地層沉降及施工控制技術進行了分析；張忠苗等[3-7]對杭州市慶春路過江隧道工程中的錢塘江大堤的沉降分析，提出了泥水平衡盾構穿越大堤控制地表沉降的措施；陳欣[8]介紹了對AVN2440DS復合式泥水平衡盾構機采取的掘進施工技術和各種地面沉降控制辦法，確保盾構機成功穿越；李磊等[9-14]分析大直徑泥水盾構施工引起的地表沉降規(guī)律，對比理論和實際數(shù)據(jù)，及時總結為后續(xù)施工提供指導；江強等[15]考慮到施工質(zhì)量切口壓力欠壓率及注漿壓力超壓率等因素造成的等效地層損失，提出了GAP參數(shù)的修正公式。以上研究對于大直徑盾構穿越海中圍堰沒有相應的工程案例，也鮮和類似資料描述。

文中結合蘇埃通道工程大直徑泥水盾構在海中圍堰內(nèi)始發(fā)，穿越人工圍堰堰體為依托，從圍堰結構設計，盾構穿越是的參數(shù)控制和圍堰沉降情況分析，總結其沉降變形規(guī)律，可為后續(xù)類似工程的設計、施工等積累經(jīng)驗。

1 工程概況

1.1 隧道概況

汕頭蘇埃通道工程隧道分為東、西兩線，盾構段長度約為3047.5m。盾構隧道從南側圍堰內(nèi)始發(fā)，到北岸華僑公園接收，隧道開挖直徑達到15.03m，隧道管片外徑14.5m，內(nèi)徑13.3m。

1.2 圍堰概況

（1） 圍堰位置及平面設計。汕頭市蘇埃通道圍堰工程位于已建海灣大橋和礐石大橋之間，南岸南濱路市跳水館西側海域內(nèi)，圍堰總長950m，從南濱路起伸入海域312.5m，為盾構機及后配套的拼裝和始發(fā)基坑施工提供場地。

圍堰內(nèi)坡腳距離盾構井結構外邊線最小距離按35m控制，根據(jù)現(xiàn)場情況，東南側為避開水閘，平面布置進行變更，變更后圍堰坡腳距離基坑邊線最小距離僅約24m。平面位置如圖1所示。

圖1 圍堰平面

（2） 盾構穿越圍堰段地質(zhì)情況。盾構施工段將要穿越的地層有：淤泥質(zhì)土、淤泥、中粗砂及粉質(zhì)粘土，隧道底板及以下分布花崗巖強-全風化層，段洞身穿越地層為約在EK6+745處底板位置發(fā)現(xiàn)石英巖脈體，在EK6+807處底板位置處發(fā)現(xiàn)孤石，揭露孤石直徑不小于80cm。地質(zhì)剖面如圖2所示。

圖2 地質(zhì)剖面

（3） 隧道穿越段圍堰結構設計。圍堰結構北側盾構隧道穿越段都采用高壓旋噴為基礎，上部填泥結石，設置放浪墻、排水溝等，坡比為1：1.5。其中，高壓旋噴樁根據(jù)剖面地質(zhì)深入高程為-25.00m，實際以深入巖層以下2m計量。布置原則為矩形布置，間距2m,采用單管旋噴法，噴漿壓力為20～30MPa，成樁直徑為0.8m。高壓旋噴樁樁體材料采用強度等級為42.5級以上的硅酸鹽水泥，水泥漿水灰比為1～1.5，注漿形成的加固體強度和范圍，應通過現(xiàn)場試驗確定并不小于4MPa。高壓旋噴樁總進尺約12432.64m。圍堰結構及加固如圖3所示。

圖3 圍堰穿結構及加固

2 盾構機穿越圍堰的參數(shù)設置

2.1 泥水壓力

東線盾構機穿越圍堰段之前泥水壓力為1.46～1.52bar;在穿越圍堰時，為了平衡圍堰自重產(chǎn)生附加應力，泥水壓力增大至1.81～2.10bar;穿越圍堰之后，泥水壓力沒有減小，增大到2.10～2.20bar之間；西線盾構機穿越圍堰是壓力保持在1.8～1.7bar，變化較小。泥水倉頂部壓力大，容易導致地面漏氣或漏漿，影響地層的沉降。泥水倉頂部壓力隨盾構掘進環(huán)號的變化如圖4所示（兩虛線范圍內(nèi)，即43～58環(huán)對應盾構下穿大圍堰的范圍，下同）。

圖4 泥水倉頂部壓力隨環(huán)號變化

2.2 掘進速度

由于盾構處于始發(fā)后的較近段落，掘進速度整體較小。東線盾構穿越圍堰之前，掘進速度較快，控制在6.6～9.3mm/min;在下穿圍堰區(qū)段，根據(jù)各種施工檢測，渣樣反饋，掘進速度先減小，后增大，又減小的形式，控制在5.3～13.5mm/min；西線盾構機整體掘進速度小于東線，在穿越圍堰時的掘進速度也是先小后大的情況。通過圍堰堤之后，掘進速度有所加快，為進入海域淤泥質(zhì)軟土地段準備。掘進速度隨盾環(huán)號的變化如圖5所示。

圖5 掘進速度隨環(huán)號變化

2.3 刀盤轉速

東線盾構穿越圍堰時，刀盤轉速從0.6rpm增加到1.0rpm，并保持相對穩(wěn)定；西線線盾構穿越圍堰時，刀盤轉速從0.69rpm增加到1.2rpm，并保持相對穩(wěn)定。刀盤轉速隨盾構掘進的環(huán)號變化如圖6所示。

圖6 刀盤轉速隨環(huán)號變化

2.4 同步注漿

東線盾構穿越圍堰時，同步注漿量有所變化，維持在21.3～34m3之間，其中在58環(huán)的注漿量較大，達到38m3；西線盾構穿越時，注漿量整體大于東線隧道，維持在35～40m3之間。注漿量的增大有助于填充隧道管片背后孔隙，減少地層沉降。注漿量隨盾構掘進的環(huán)號變化如圖7所示。

圖7 注漿量隨環(huán)號變化曲線

3 圍堰沉降情況分析

3.1 圍堰沉降測點布置

為了充分了解圍堰在大直徑泥水盾構隧道掘進前后的沉降情況，沿東、西線隧道掘進影響范圍，在大堤布置了4排40個沉降觀測點，其中EK6+748.8、EK6+743.8、WK6+745、WK6+740兩排點位于圍堰頂路面，EK6+753.8、WK6+750 位于圍堰內(nèi)坡面，EK6+738.8、WK6+735位于圍堰外坡面。東線隧道施工中，圍堰監(jiān)測時間自2018年10月1日～2019年5月30日，西線觀測時間自2019年1月17日～同年5月30日。

3.2 圍堰堰堤沉降的組成

盾構隧道通過后，造成上方圍堰堰堤產(chǎn)生沉降的原因，是由施工過程中的地層損失和對土層的擾動影響因素造成，總結變形規(guī)律，圍堰沉降隨盾構掘進過程影響可分為5個階段：①刀盤距測點在一倍洞徑范圍外先期沉降；②刀盤到達測點前的沉降；③刀盤到達后至盾尾到達測點期間；④盾尾到達至盾尾脫出60m（30環(huán)）范圍，主要為盾尾孔隙地層損失引起的沉降；⑤后續(xù)沉降。

3.3 圍堰的沉降歷時曲線

以位于圍堰路面中央處（里程為EK6+744.2和WK6+740）的1排監(jiān)測點為特征點，監(jiān)測西線和東線盾構隧道穿越期間及后期的沉降歷時變化情況。圖8、圖9分別為西線和東線隧道完整穿越過程的圍堰監(jiān)測點沉降時程曲線（測點具有對稱性，僅繪出了隧道軸線一側監(jiān)測點的沉降時程曲線）

圖8 西線隧道處圍堰沉降曲線

由圖8可見，西線隧道處的圍堰沉降基本上未受東線隧道先期掘進施工影響，是由于圍堰結構北側盾構隧道穿越段都采用高壓旋噴為基礎，上部填泥結石，地層穩(wěn)定性較好,且圍堰處的兩條隧道中心間距約為洞徑的2倍，達到30m?？傻贸鰞伤淼涝谙嗑嘁欢ň嚯x時穿越地層穩(wěn)定,對圍堰的影響相互獨立。

由圖8、圖9可知，西線隧道引起的圍堰沉降量稍大于東線，二者引起的圍堰監(jiān)測點的累計沉降歷時規(guī)律基本一致：在盾構距測點1倍洞經(jīng)范圍外的第I階段，圍堰出現(xiàn)了超前沉降量，當數(shù)值較小,基本在5mm以內(nèi)；在第II、III、IV階段，圍堰整體上出現(xiàn)較大沉降，受盾構掘進快慢、泥水艙壓力、注漿量、注漿壓力等變化影響,偶有短暫隆起現(xiàn)象；在第階V段，圍堰繼續(xù)沉降，下沉速度較小，但持續(xù)時間較長，直至沉降基本穩(wěn)定。

圖9 東線隧道處圍堰沉降曲線

通過后續(xù)監(jiān)測，東線隧道和西線隧道通過后圍巖沉降穩(wěn)定所需時間約為4個月左右，圍堰的沉降影響均已趨于穩(wěn)定。這說明了軟土地層沉降時序時間較長，如果施工過程經(jīng)制不佳，造成圍堰產(chǎn)生較大的累計沉降量，由此導致圍堰沉降穩(wěn)定所需的時間也將越長。

3.4 各階段沉降所占比例

分析隧道軸線正上方圍堰路面沉變形情況，東西線隧道5個階段的沉降量占總沉降量的百分比情況見表1、表2。在盾構距測點1倍洞經(jīng)范圍外的第I階段，圍堰的平均超前沉降水平分別約占總沉降量的1.92%和5.31%,表明了大直徑泥水盾構對圍堰的先期沉降量較為明顯。西線盾構掘進速度較慢，在總沉降量分布中，第I階段占5.9%,第II階段占26.14%,第III階段占總24.12%；第四階段和第五階段分別為23.15%和20.99%。而東線隧道掘進較快，所表現(xiàn)出的規(guī)律與西線不同，主要體現(xiàn)在盾構通過及后續(xù)階段，即第III階段占27.72%.第V階段占44.42%，得出了盾構穿越圍堰速度的快慢對其不同階段沉降變化速度和占比有著較為明顯的影響。同時，盾構掘進快慢對第II、III、IV這3個階段的沉降量影響也不同（西線隧道合計為73.7%,東線隧道為53.6%）。

表1 東線隧道測點在各階段沉降量占總沉降量的百分比%

表2 西線隧道測點在各階段沉降量占總沉降量的百分比%

3.5 后續(xù)階段的橫向沉降槽特征

圖10分別為東、西線隧道穿越圍堰后的橫向沉降槽曲線。圍堰結構北側盾構隧道穿越段都采用高壓旋噴加固地層，上部填泥結石，地層穩(wěn)定性較好，西線隧道上方圍堰沉降槽基本未受到東線影響，圍堰沉降趨穩(wěn)后近似對稱分布，隧道中心位置的沉降量最大，距離隧道中心越遠處，沉降越小。

圖10 隧道上方圍堰沉降曲線

由圖10可見，大直徑泥水盾構的隧道開挖范圍與圍堰沉降槽分布范圍密切相關。東線和西線隧道兩穿越地層條件相同，西線隧道穿越后最大沉降量為138mm,東線的最大沉降量為159mm,并且二者沉降槽寬度較接近。對于大直徑泥水盾構，合理控制掘進參數(shù)，及時二次回填注漿，圍堰沉降量控制在較好的范圍內(nèi)，沉降槽分布也較均勻，經(jīng)過持續(xù)觀測，圍堰處于安全狀態(tài)。

4 結語

（1） 大直徑泥水盾構施工中，合理的設置掘進參數(shù)和掘進速度，施工擾動導致的超前沉降量主要集中在刀盤距測點15m（即1倍洞徑）范圍。盾構隧道穿越圍堰中，盾構施工穿越圍堰速度的快慢對第III、IV階段的沉降構成影響較大。

（2） 東線盾構因停機中漏氣、泥水艙壓力、注漿壓力、注漿量等施工參數(shù)控制不到位，使圍堰產(chǎn)生一定沉降。在西線盾構掘進時，吸取東線施工經(jīng)驗調(diào)整了施工參數(shù)，尤其是加大了注漿量，及對管片孔隙進行較好填充，使沉降有一定減小。

（3） 圍堰結構北側盾構隧道穿越段都采用高壓旋噴為基礎，上部填泥結石，圍堰沉降槽分布較窄，集中體現(xiàn)隧道中心兩側約1倍盾構直徑范圍。東西線隧道穿越圍堰后沉降趨穩(wěn)歷時約4個月，所需時間符合軟土地層沉降特性。對圍堰的長期觀測和臺風季檢驗，圍堰處于安全狀態(tài)。