小断面泥水盾构穿越三汊河堤防施工技术

易定达，刘 坚

(1.中铁隧道集团二处有限公司，河北三河 065201；2.河海大学岩土研究中心，南京 210098)

0 引言

采用泥水盾构法在软土地区修筑水底隧道时，不可避免地要穿越堤防。对泥水盾构穿越堤防的施工技术进行系统分析，阐述堤防拔桩、控制沉降措施及沉降规律，并结合南京电缆盾构隧道穿越三汊河堤防的工程实例，验证所述风险控制措施的合理性及可行性。本文对设计阶段的地面沉降量、影响范围进行预测与对比，通过大量实测工程数据并结合理论数值模拟，得出了盾构隧道引起的地表沉降变化规律，以确保堤防结构及施工安全。

1 工程概况

码头变电缆隧道位于南京市下关区，隧道穿越三汊河河道及其堤防，内径2.44 m、隧道埋深17 m，采用泥水盾构施工。盾构穿越段堤防的水利工程等级高、地质条件差(主要为淤泥质粉质黏土)，原堤防布设有钻孔灌注桩对其进行抗滑加固处理;其中，抗滑桩桩体直径0.8 m，桩深25 m，桩体自重约50 t。

盾构下穿堤防前需拔除已有抗滑桩，设计方案采用等强抽换拔桩施工方案。即先对隧道周边堤岸土体采用高压旋喷桩加固，并布置托换钻孔灌注桩，然后对已有抗滑桩进行拔除。盾构穿越大堤时需严格控制地表沉降，确保堤防稳定。

2 堤防拔桩施工

2.1 工程边界条件

1)三汊河堤防顶部宽3 m且不允许破堤施工，各施工设备、材料均不能直接从便道进入拔桩现场;

2)拔桩施工场地狭窄，不能容纳大型施工设备;

3)临水作业，安全风险高。

2.2 拔桩施工工艺

2.2.1 场地布设

1)堤顶布设1台25 t汽车吊，各设备、材料均通过该汽车吊从附近道路吊入拔桩作业面，吊车基础采用钢筋混凝土现浇结构加宽、加固;

2)拔桩时搭设钢围堰，钢围堰兼作拔桩施工平台。

2.2.2 设备选型

目前国内尚无定型的专用拔桩设备，国外采用360°全回转套管钻机，该设备的工作原理是:驱动钢套管进行360°回转，并将钢套管压入桩体四周(套管起护壁作用)，然后用液压冲抓斗将钢套管内弃桩桩体抓出，在套管内进行清障拔桩作业;清障完成后，进行钢套筒内回填水泥土施工。但因该设备具有自身尺寸大、自重大且施工造价高等缺点，不适用于本工程。

在考察黄海机械厂生产的正循环GM—20型工程钻机设备参数后，改装该钻机作为拔桩设备，其传递动力的“钻杆”是自制的大口径钢质中空套管。施工工艺原理为:套管套住桩体、正循环带浆沿弃桩钻进，实现弃桩与周边土体隔离，消除拔桩过程中桩侧土体对弃桩的摩阻，利用孔内泥浆对弃桩桩体的浮力以降低弃桩桩体自重，在汽车吊的提吊作用下分节拔出弃桩、分节截断，待桩体全部拔除后，再往桩孔内灌注水泥砂浆封孔。

2.2.3 施工工艺

1)搭设钢围堰(作业平台)。采用型钢、钢板及方木搭设钢围堰，钢围堰兼做拔桩作业平台。见图1和图2。

2)凿除桩顶承台、人工挖孔揭露原有桩基。采用人工、风镐凿除拟拔桩的桩顶承台，并人工挖孔埋设φ2 m、长2～3 m的钢护筒，使原桩基被揭露一定长度。

3)成孔。用套管套住拟拔弃桩，采用正循环回转钻及泥浆护壁法，通过逐节接长套管沿弃桩钻进，钻头钻进中切削下的土体、套管与弃桩间的土体经钻头搅拌后绝大部分形成泥浆，剩余的钻碴被泥浆携带沿钻孔上升，从护筒顶部排浆孔排入沉淀池，从而实现弃桩与套管隔离、套管与弃桩周边土体隔离的目的。见图3和图4。

4)桩体拔除与截断。成孔后，逐节取出孔内全部套管，用钢丝绳套住桩头，用钻孔桩机配合25 t汽车吊把弃桩分节拔出地面并固定桩体，人工、风镐截断拔出的桩体。见图5和图6。

5)回填。采用灌注水下混凝土的方法往拔桩孔内填筑M5.0砂浆。

6)孔内残留铁件处理。在原桩体吊出后，采用强力磁铁打捞孔内残留钢筋，防止掘进时钢筋损伤盾构设备。

图5 弃桩拔除Fig.5 Obsolete pile pulling

图6 截断拔出桩体Fig.6 Pile cutting

2.3 施工中存在的问题及解决措施

1)弃桩桩体出现倾斜、扩孔现象。遇到障碍桩倾斜、扩孔严重时，下钻要慢，一旦钻进困难或钻不下去时，将套管取出并检查套管刀具，及时更换破损的刀具，利用刀具强行切割桩体扩孔后的混凝土进行钻进。

2)拔桩过程中，桩体出现断裂现象。断裂原因:弃桩桩身为二元结构，在钢筋混凝土结构与素混凝土结构的界面附近为应力集中区，该部位易出现桩体断裂现象。

处理措施:利用多次套拔法多次重复进行弃桩的套、拔作业，直至断桩全部拔出。

2.4 实施效果

堤防拔桩工序从2010年11月1日开工至12月15日施工结束，共计45 d，拔除φ 1.2 m桩体共50 m、φ 1 m桩体共260 m、φ 0.8 m桩体共210 m。盾构机穿越堤防时，未遇到地下障碍物。

3 盾构过堤防控制沉降措施及沉降规律

防洪大堤是三汊河整个防洪体系的重要组成部分，盾构法越江隧道穿越大堤时，如何控制施工以减少对大堤的扰动，是确保大堤安全的重要问题。

3.1 盾构穿堤前的准备工作

1)合理安排施工进度，避免在雨季和汛期穿越大堤;

2)对大堤结构、大堤处隧道开挖面及上覆土层进行详细调查，委托专业机构对盾构穿越大堤可能造成的影响进行分析、评价，并有针对性地提出应对措施;

3)盾构始发前对盾构设备全面检修，以保证设备正常运转，避免在穿堤时停机检修;

4)准备必要的应急物资和抢险设备，一旦出现险情及时处理。

3.2 优化各施工参数，使各参数相匹配

1)严格控制泥水舱压力、土砂量掘削及泥水指标。①泥水压力。泥水压力介于“地下水压力+地层静止土压力+地层主动土压力”(0.187 MPa)与“地下水压力+地层静止土压力+地层被动土压力”(0.285 MPa)之间，泥水压力的增加会使作用于开挖面的有效支撑压力增加，但不得超过其上限值。②土砂量掘削控制。用盾构理论掘削土砂量(Q1)与送、排浆管内的泥浆流量差(Q2)作对比。当Q1＞Q2时，可以判断为逸泥状态(泥水或泥水中的水渗入地层);当Q1＜Q2时，可以判断为掘削面涌水状态或坍塌状态，需立即检查泥水密度、黏度和切口水压，在查明原因后应及时调整有关参数，确保开挖面稳定。③泥水指标控制。送泥泥水密度1.05～1.08 g/cm3，排泥泥水密度1.15～1.30 g/cm3。其中泥水密度需与盾构掘进速度相匹配;漏斗黏度25～35 Pa·s;析水率5%;泥浆pH值8～9。泥浆配合比为膨润土:CMC∶纯碱∶水=300∶2.2∶11∶870(质量比)。

2)加强同步注浆及二次补强注浆。合理设定注浆压力，及时、同步地注浆;严格控制浆液质量，在盾构穿堤前反复试验确定浆液的最佳配比;注浆应均匀，注浆量和掘进速度相匹配;推进时均匀、同步地压注盾尾密封油脂，保证盾尾密封的止水效果。在盾构通过后，进行二次注浆，进一步填充建筑空隙，抑制地层变形的进一步发展。同步注浆配合比为水泥∶粉煤灰∶膨润土∶细砂∶水 =250∶150∶100∶450∶1125(质量比)，二次注浆配合比为水泥∶粉煤灰∶膨润土∶细∶砂∶水=300∶150∶150∶480∶1155(质量比)。

3)盾构掘进速度及姿态控制。在保证开挖面稳定的前提下，尽可能快速地通过大堤，并避免盾构较长时间的搁置;每环正常掘进过程中，掘进速度值需尽量保持恒定，减少波动，以保证切口水压稳定和送排浆管的畅通。推进轴线尽量与隧道轴线保持一致，减少纠偏量，减轻盾构与周围土层之间的摩擦，防止偏挖，减少盾构机俯仰、偏转及横向偏移。

4)管片拼装质量控制。提高管片拼装精度和拼装质量;加强螺栓连接，在盾构通过一段距离后应再对其复紧，避免衬砌变形过大引起大堤沉降。

5)监测控制。在大堤上布置合理的监测点位，加大监测频率，密切关注大堤沉降情况;根据监测结果实时优化切口环泥水压力、推力及掘进速度等掘进参数。

6)穿越期间持续降雨的处理。持续降雨时，考虑到雨水入渗使土体重量增加，应将泥水舱压力适当提高0.01～0.02 MPa。对堤顶和坡面出现的张拉裂缝立即采取防渗措施，防止雨水入渗。

7)盾构穿堤后的处置。在盾构穿越后，仍需长期监测，掌握大堤的沉降状况，出现情况及时处理，大堤沉降监测应持续到沉降稳定为止。

3.3 盾构穿大堤沉降规律

3.3.1 沉降机理和特点

盾构推进引起的堤防沉降按沉降变化可分为初期沉降、开挖面沉降(或隆起)、尾部沉降、尾部空隙沉降和长期延续沉降5个阶段;从隧道横剖看，沉降槽曲线似正态分布曲线。

3.3.2 堤防沉降理论分析

地面沉降量及影响范围的预测可以分为设计阶段预测和施工阶段预测。设计阶段的预测方法主要以Peck法为代表的经验公式法，施工阶段的沉降又可分为上述5个阶段，各阶段地层移动的预测可以用弹性理论、固结理论等分别求解。本文仅对设计阶段的地面沉降量、影响范围进行预测与对比。

1)Peck公式。1969年，Peck教授根据当时大量隧道开挖引起的地表沉降实测资料，提出了地层损失的概念和预测隧道开挖引起地表沉降的实用方法，即Peck公式。他认为:在不排水情况下，隧道开挖所形成的地表沉降槽的体积应等于地层损失的体积。他假定地层损失在整个隧道长度上均匀分布，隧道施工产生的地表沉降横向近似为正态分布曲线，如图7所示，并提出地表沉降的预测公式:

图7 Peck沉降槽的正态分布曲线Fig.7 Normal school of Peck settlemtnt groovy

式中:S(x)为距隧道中心线x处的地表沉降;Smax为隧道中心线上的地表沉降;i为地表沉降槽宽度系数;Vs为单位长度地表沉降槽体积;Vl为地层损失(1% ～3%);D为隧道直径;R为隧道半径;Z0为隧道埋深。

2)镜像解析法。采用镜像法原理，推导了非均匀位移收敛模式下的地层位移计算公式，对解析公式中的泊松比进行了分析，将地层沉降槽宽度参数引入解析公式，并对其推导的解析公式进行了修正。采用非均匀收缩位移模式，忽略衬砌影响的地表总沉降。

3)随机介质法。随机介质理论要综合考虑施工因素和地层条件，可以很好地预测地表沉降及变形，对随机介质法预测地层位移的过程进行了简化:采用非均匀收缩位移模式的地表总沉降。

式中:W(x)为距隧道中心线x处的地表沉降;R为隧道半径;g为间隙参数(查阅相应表格);β为地层影响角(查阅地勘资料);H为隧道埋深。

肾上腺为腹膜后位器官，毗邻器官较多，左肾上腺根据其前方在不同的断面毗邻器官，分别为胃底、胰体、降结肠、脾及其动静脉等。毗邻肾上腺的结构发生病变形成类似囊实性肿物时，在影像学容易表现为左肾上腺来源的肿物。故CT读片时未引起注意而易误诊为肾上腺肿瘤或囊肿[4-5]。

3.3.3 堤防沉降监测情况

1)测点布设情况。在北岸、南岸大堤上垂直隧道轴线各布置一排沉降监测断面，北岸监测点编号为R16～D24，南岸监测点编号为R25～R33，布置情况如图8所示。

图8 测点布置图Fig.8 Layout of monitoring points

2)大堤沉降监测数据分析

①同一断面不同工况地表沉降。图9和图10为在不同工况下，断面A和断面B处各测点的地表沉降。从图中可以看出:地表横断面各测点表现为先正位移后负位移，即地表先隆起后下大隆起和下沉均发生在隧道轴线位置，其他各值以轴线为中心、对称分布，近似于正态曲线;离轴线越沉，远沉降值越小，距最轴线15 m以外，地表沉降几乎不受隧道掘进过程影响;随着盾构机不断接近测量断面，隧道轴线处隆起值逐渐达到最大，主要因为此时开挖面距测量断面的测点只有5 m左右(也就是约5环的距离)，与此前的规律相吻合。

②不同时间同一断面位置地表沉降。图11为不同工况时测点R25，R27和R29的地表沉降。从图中可以看出:盾构掘进过程中，各测点地表沉降变化趋势一致，即均表现为先隆起后下沉，且最大隆起均发生在距开挖面前方测点5环左右的位置，隆起值不等，但最大隆起值控制在10 mm之内;随着开挖面远离测点，地表由隆起变为下沉，且下沉量慢慢增大;但当开挖面远离测点30 m及以上时，地表沉降已基本稳定且最大沉降控制在30 mm以内;当测点位于盾构机机身正上方时，由于刚度较大的盾壳对其正上方测点附近土体起到了暂时的支撑作用，因此地表沉降值较小。

③不同时间不同断面位置地表沉降。图12为盾构掘进过程中，同一时间测点 R16，R25，R20和R29的地表沉降。从图中可以看出:开挖面在断面A，B之间，盾尾刚刚脱离断面B，故该点处地表有较大沉降;随着盾构机掘进，即慢慢远离断面B，当开挖面处于断面A时，断面B的测点已达到稳定;在距开挖面前端5 m的距离，地表出现最大隆起。

3.3.4 堤防沉降的理论值与实测值比较

本文基于上述工程实例，进行了3种相应的理论值与实测值的对比分析。图13—图16为断面A处隧道横断面的理论与实测曲线，从图中可以看出:

1)采用Peck公式计算得出的横断面上地表各测点的理论值与对应的实测值相差较大，相差最大位置出现在隧道轴线上，最大相差16 mm;其原因是，在确定沉降槽宽度系数i时只考虑了隧道埋深与隧道半径2个因素，且没有任何修正系数，使计算结果产生误差。

图16 理论值与实测值比较Fig.16 Comparison and contrast between theoretical value and measuring data

2)采用镜像解析法公式计算地表沉降，发现运用镜像法除隧道轴线上方对应的地表测点沉降值较实测值偏保守外，横断面上其余测点的地表沉降理论值均大于实测值，但相差不多;随机介质法较镜像解析法所得地表沉降结果更接近实测值，其原因主要是相关参数的选取，在镜像解析法中沉降槽宽度参数K的取值主要是通过经验选取，相对而言，随机介质法中引入的地层影响角β更具备理论性。

3)在距隧道中心线15 m左右的地表处，理论与实测所得沉降值均在10 mm以内，说明盾构机的掘进已对距隧道中心线1倍及以上埋深的地表沉降影响很小。

4 结论与讨论

通过整理大量实测工程数据并结合理论数值模拟，对比分析了盾构隧道引起的地表沉降变化规律，得到的以下结论。

1)盾构掘进过程中，地表纵断面沉降变化趋势一致，均为先隆起后下沉，且最大隆起发生在距开挖面前方5环左右的位置，但隆起程度不等，最大隆起值在10 mm之内。开挖面前方10环以外地表几乎没有竖向位移，位于盾构机身正上方的地表沉降值小，随着开挖面逐渐远离，盾尾后方的地表沉降慢慢增大，但沉降速率减小;当开挖面远离测点30环及以上时，地表沉降已基本稳定，且最大沉降在30 mm以内，地表横断面表现为先隆起后下沉，最大隆起和下沉均发生在隧道轴线上方位置，并以轴线为中心对称分布，近似于正态曲线;离轴线越远沉降值越小，距轴线约1倍埋深以外，地表沉降几乎不受隧道掘进的影响。

2)盾构隧道轴线正上方地表竖向位移最敏感，随着盾构机的掘进，其沉降逐渐增大;远离盾构隧道轴线的地表沉降逐渐减缓，在距离盾构轴线约1.2倍埋深的位置地表沉降很小，隧道开挖时可忽略对该点及更远处地表沉降的影响，随着盾构机的掘进，地表纵向将发生不同程度的沉降，越远离盾尾沉降越明显，当远离盾尾1.2倍埋深后，地表沉降速率减缓，沉降趋于稳定。

3)采用Peck公式计算得出的横断面上地表各测点的理论值与对应的实测值相差较大，相差最大位置出现在隧道轴线上。采用镜像解析法公式计算地表沉降，除隧道轴线上方对应的地表沉降值较实测值偏保守外，横断面上其余位置地表沉降理论值均大于实测值，但相差不多;随机介质法较镜像解析法所得地表沉降值更接近实测值。

4)通过理论分析，论述了地铁盾构施工导致地表沉降的机理与主要影响因素，分别以弹性模型和弹塑性模型分析了隧道开挖导致的应力变化规律，分析了隧道内壁的变形情况，并指出:地表沉降是隧道内壁变形扩展到地表的反映;引起盾构隧道地表沉降的主要原因是地层损失;地表沉降量与隧道所处地层条件、地层应力、引起地层应力的外载、隧道开挖半径以及隧道壁后注浆效果等密切相关。

在实际工程中，隧道网络交织复杂多变，因此，针对隧道之间相互位置的多变性以及隧道各项参数选取的多样性仍需进行更多的研究分析;地下工程土体情况极其复杂而且区域性明显，采用更贴近实际的本构模型把孔隙水压和土的固结、蠕变等效应考虑在内进行更全面的分析也是有必要的。

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