深埋超大直径盾构长期停顿地基加固施工技术

袁风波

(上海隧道工程股份有限公司，上海 200082)

0 引言

当前国内软土地层超大直径(＞14 m)隧道工程建设方兴未艾。超大直径盾构在掘进施工过程中，因机械设备故障、动拆迁滞后、工期控制不当或设计线路调整等造成盾构须在设计线路上停顿的情况时有发生，往往这种停顿将持续1～6个月，甚至更久，而由此带来的盾构及已建成形隧道的稳定与安全问题备受建设各方关注。同时，不可避免因盾构长期停顿对地面沉降和周边环境造成影响。对这一问题的研究，目前国内外还比较少见。

为规避盾构长期停顿风险，控制盾构姿态、隧道稳定及地面沉降，须采取一定的技术措施，如盾构壳体外侧注浆、已建隧道与盾构刚性连接、盾构刀盘舱充填及地基加固处理等。考虑到后续盾构掘进施工，地基加固处理无疑是一种最合适的办法。目前，国内在深基坑开挖、盾构进出洞施工等方面采用了多种地基加固处理方法，如注浆、水泥土搅拌桩、高压旋喷桩、素混凝土柱法、冻结法及其他多种工法的混合加固方法等［1－5］，这些方法大多用于深度在30 m以内的地基加固处理中，但对于深度超过50 m的超深地层地基加固处理则难以满足要求［6－7］。同时，随着城市地下空间开发的快速发展，限于城市土地和空间资源，地下空间开发深度将更大，开挖与支护将更深，这必然要求地基加固处理技术应适应更大深度施工要求。结合上海市某超大直径越江隧道工程在超深地层(埋深50 m以下)进行地基加固，通过设计、优化加固区域，采用双高压旋喷(RJP)注浆工法。

1 工程概况

上海某超大直径越江隧道工程采用泥水平衡盾构穿越黄浦江，圆隧道段总长约3.6 km。隧道外径14.5 m，内径13.3 m，采用楔型环通用管片，管片厚度为600 mm，环宽2 m。2008年3月，拟暂停盾构掘进施工，以便于隧道轴线等相关调整工作的进行。而盾构长期停顿后可能存在以下风险:盾构姿态变化异常、隧道位移变化异常、盾尾漏泥水、刀盘正面土体坍塌及地面沉降过大。为了保证盾构停顿过程中的安全、稳定、可靠，对拟停靠位置的土体进行地基加固，盾构掘进至加固区内停顿。

根据地质详勘报告，盾构停顿区场地属软弱场地土，场地类别为Ⅳ类，抗震设防烈度为7°区。场地地基土在65 m深度范围内均为第四系松散沉积物，主要由饱和黏性土及粉性土组成。地层由上至下分别为①1层填土、②1层褐黄色粉质黏土、③层灰色淤泥质黏土、④层灰色淤泥质黏土、⑤2－1灰色粉质黏土、⑤2－2灰色砂质粉土、⑤3灰色粉质黏土及⑧1灰色粉质黏土。

该工程线路沿线地下水主要为分布浅部土层中的潜水以及分布于⑤2、⑦和⑨层中的承压水。浅部潜水水位埋深为0.50～1.50 m。微承压水分布在第⑤2－2层，埋深一般在3～8 m，⑦层承压水头埋深一般在3～13 m。盾构停顿区土层分布情况见图1，其中⑦层土缺失;其土层特性见表1。

图1 盾构刀盘中心面地层情况(单位:m)Fig.1 Geological conditions(m)

表1 盾构停顿区土层特性表Table 1 Parameters of soil in shield pausing zone

2 地基加固措施

考虑盾构停顿时间较长，当前的盾构掘进施工状态处于正常状态，监测显示成环隧道稳定性较好，地基加固方案重点考虑盾构停顿期间的稳定性和盾构恢复推进施工时能顺利穿越加固区，并综合考虑加固深度和加固施工的可行性、加固体强度和施工的经济性等因素。

当前，地基加固施工多采用直接注浆法、三轴搅拌桩、旋喷桩注浆和冻结法等。由于加固深度达52.1 m，且须满足盾构恢复掘进施工需要，通过比选，采用双高压(RJP)旋喷注浆工法进行加固。施工所采用的是泥水平衡盾构，为避免旋喷注浆工法的高压水和水泥浆渗透至刀盘面，拟在盾构前方100 m设定加固区。

3 加固方案设计与优化

根据本次选定的盾构暂停区域埋深、地质水文和土体特性等条件，为确保盾构停顿后的安全，地基加固后应能满足盾构和隧道的稳定要求。结合上海超大直径盾构进出洞加固体设计与施工经验，同时考虑到盾构本体的主要质量分布在盾体前2/3长度范围内，重心偏前，并尽量减少盾尾与后续成环管片所处地质环境的差异性，对加固区范围、强度等提出以下相关要求［8－10］:

1)盾构停顿期间要确保盾构开挖面的稳定;

2)盾构就位停顿后，盾构刀盘前方的加固体应该有不小于3 m的厚度，同时该处的加固体应具有较好的水密性;

3)盾构上方加固体厚度不小于1.0 m，盾构左右两侧加固体厚约2.5 m，盾构底部加固体厚度应不小于 3.0 m;

4)所有加固体的强度应该控制在1.0～1.2 MPa。

本次旋喷桩加固区域布置在平面上为长20.0 m、宽11.2 m的长方形区域，由于盾构前端旋喷加固有止水要求，考虑到加固深度较深且桩斜因素不可避免，必须加大旋喷桩桩间的搭接长度，才能提高旋喷桩的止水效果。旋喷桩直径分为1 800 mm和1 500 mm 2种。为了既能保证工程安全，又能尽量减少工程量、节约成本，对盾构切削区域进行优化，不进行地基加固。1 800 mm桩径(桩间搭接600 mm)加固区主要作为盾构外侧隔水层和持力层，1 500 mm桩径(桩间搭接300 mm)加固区主要是改良土体承载力，旋喷桩在加固区域内均匀布置，桩间距及排间距均为1 200 mm。同一根旋喷桩采用2种不同的桩径(通过调整喷射压力和提升速度实现)。具体布桩方案见图2—4。

图2 地基加固纵剖面图(单位:mm)Fig.2 Longitudinal profile of ground reinforcement(mm)

4 加固施工技术

根据本工程设计桩径、地质条件等情况，施工参数见表2和表3。

施工主要控制参数:1)桩孔位偏差＜5 cm;2)桩垂直度偏差＜0.5%;3)注浆压力达设计值;4)严格计量每根桩的水泥用量。

5 地基加固效果

通过钻孔取芯，经过检测，芯样在龄期24—62 d的抗压强度达1.2～1.3 MPa。同时，盾构机进入加固区后停顿158 d，期间，为保持盾构泥水舱液位处于零位，因泥水外渗所补充膨润土浆液(补液材料为高性能泥浆，具有堵漏、增黏效果)约153 m3。盾构姿态变化为:盾构头部下沉7 mm，盾构尾部上浮2 mm，姿态稳定。盾构姿态变化见表4。

在盾构停顿期间，未采取衬砌壁后补压浆措施，地面最大沉降量为17.5 mm，满足设计要求。

盾构自加固区恢复掘进施工时，盾构总推力和刀盘扭矩出现明显增大。与停顿前相比，总推力最大增幅达20.9%，刀盘扭矩最大增幅达100%，但仍在盾构机正常掘进施工可控范围内。

盾构恢复掘进总推力曲线见图5，盾构恢复掘进刀盘扭矩曲线见图6。

图3 地基加固横剖面图(单位:mm)Fig.3 Cross-section of ground reinforcement(mm)

图4 旋喷注浆平面布桩图(单位:mm)Fig.4 Plan layout of jet grouting piles(mm)

表2 φ1 800mm桩施工工艺参数Table 2 Construction parameters of 1 800 mm piles

表3 φ1 500 mm桩施工工艺参数Table 3 Construction parameters of 1 500 mm piles

表4 盾构机姿态变化表Table 4 Errors of posture of shield machine

6 结论与讨论

为满足上海某深埋超大直径盾构长期停顿期间的稳定需要，采用双高压(RJP)旋喷注浆加固施工技术，通过设计与优化地基加固区域，控制施工参数，达到了工程预期目标，得出以下结论:

1)代表当前国际先进技术的双高压(RJP)旋喷技术具有桩径大、加固深度大、施工质量可靠等特点，能满足超深地层的地基加固处理要求。

2)通过双高压(RJP)旋喷注浆加固施工技术，有效保证盾构及已建隧道在长期停顿期间的稳定，并较好地控制了地面沉降。

3)盾构自加固区恢复掘进施工时，盾构总推力和刀盘扭矩有较大幅度增长，应避免因加固土体强度过高而影响盾构的掘进。

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