行业要闻

 

摘　要：结合天津市轨道交通二号线一期工程东南角站－建国道站区间工程，通过分析该区间工程地质特点后，在隧道下穿海河及侧穿进步桥桩基做了专项设计，并通过施工过程中的监测数据分析，确保工程顺利实施。

关键词：盾构区间；海河；进步桥；监测

 

      天津地铁２号线东南角站至建国道站区间左线长８４５．８１８ｍ（共计７０５环），右线长８５９．４２４ｍ（共计７１７环）；盾构隧道在始发后２０３ｍ（１６９环）至２９３ｍ（２４４环）穿越海河，穿越段长度９０ｍ，隧道左右线分别从进步桥两侧穿越。区间左右线盾构均从东南角始发掘进到建国道站。本工程主要特点为：

      （１）穿河段覆土层厚度小。天津地铁目前已完成的以及在建的盾构区间，覆土厚度一般都在１０ｍ以上，而本区间盾构在过海河地段最小覆土厚度仅为７．８ｍ，覆土厚度较小。在浅覆土地段，土层受到影响后，河床的反应比较敏感，盾构施工存在的风险较大。注浆压力控制不严格导致冒浆，在过河段就有可能因击穿造成河水倒灌。土仓压力的控制要求比较精准，过大的土压可能导致前方隆起过大，土压过小则容易引起超挖，导致河底塌陷。

      （２）淤泥层厚。海河河底的沉渣和淤泥层较厚，根据实测河底的淤泥层厚度在３ｍ左右，淤泥层承载能力较低。根据地勘报告，淤泥层的含水量均高于液限，处于流塑状态，淤泥层对盾构施工造成的影响几乎无抵抗能力。

      （３）砂层厚。根据天津地区的一般地质条件，可将粉土、粉砂层划分为渗透系数相对较大，为地下结构施工存在危害的不良土层。东南角站至建国道站区间盾构隧道掘进面的２／３以上面积 处于粉土、粉砂层内。盾构机在该种土层中掘进，很容易出 现喷涌，如果控制不及时，措施不合理，可能酿成海河 倒灌隧道的灾害。

      （４）含水率高。根据地质勘察报告，海河河床以下土层的含水率高，基本接近相应土层的液限。在这种情况下，盾构机的扰动很可能造成高含水率的砂层产生液化，施工风险高。

 

      本区间隧道在海河的土层主要为软土，本场地的主要土层为淤泥质土、粉土、粉砂、粘土、粉质粘土层。隧道掌子面土层主要是粉土和粉砂层。海河河底地层岩土勘探报告如表１所示。

      本场地内表层地下水类型为第四系孔隙潜水，赋存于第Ⅱ陆相层中及其以下粉、细砂及粉土层中的地下水具有微承压性，为微承压水。

      表层潜水埋藏较浅，勘测期间地下水埋深０．０～２．８ｍ，高程３．０３～０．９６ｍ，主要赋存于人工填土层①_１层杂填土、①_２层素填土，新近沉积层②_２层粉土。第Ⅰ陆相层③_２层粉土及第Ⅰ海相层④_２层粉土层中。接受大气降水和地表水补给，排泄主要有蒸发、人工开采和下渗补给下部承压水。其水位变化受季节影响明显，高水位期出现在雨季后期的９月份，低水位期出现在干旱少雨的４～５月份。潜水位年变化幅度的多年平均值约０．８ｍ。各含水层粉土多与粉质粘土互层，其储水量较高，但出水量不大，水平、垂直向渗透性差异较大。当局部地段夹有粉砂薄层时，其富水性、渗透性相应增大。

      微承压水以第Ⅱ陆相层的⑤_１和⑥１粉质粘土为相对隔水层，区间影响范围内微承压水主要赋存于⑥_２、⑦_２、⑦_４的粉土及粉细砂层内。承压水稳定水位１．５～２．５７ｍ，承压水头为含水层顶板至稳定水位的距离。主要接受上层潜水的渗透补给，与上层潜水水力联系紧密，排泄以相对含水层中的径流形式为主，同时以渗透方式补给深层地下水。该层地下水水位受季节影响较小。

      进步桥先完于施工，在其桩基施工前与地铁设计配合，根据计算增加原有桩长（进步桥人行桥原设计桩长１３ｍ，桩径６００ｍｍ，为确保桥梁安全，根据计算对桩基进行加长，增加长度约１０．４ｍ，加长后左线桩尖距左线隧道底２．８８ｍ，右线距盾构隧道底２．９１ｍ）。考虑后期盾构侧穿对其影响，在桩基施工完成后及时在隧道与桩基之间施作一排隔离桩，桩径８００ｍｍ，距离桩基１．５ｍ。

      采取加固措施后通过计算模拟分析，盾构隧道掘进完成后，桥桩的沉降数据在规范允许的范围之内。

      本次计算取图１作为计算模型，计算采用ｍｉｄａｓ－ｇｔｓ进行二维数值模拟分析，考虑围岩与结构的共同作用、分步施工过程。计算模型左右水平计算范围均取盾构隧道直径的３倍，垂直计算范围向上取至自由地表，向下取隧道高度的３倍。隧道围岩本构模型采用摩尔库伦模型，以考虑围岩的非线性变形。主体结构采用弹塑性各向同性的直梁材料模拟。旋喷桩及桥桩采用等效面单元进行模拟。

      施工采用盾构机掘进开挖，施工计算步骤严格按照隧道施工顺序进行，先进行桥桩左侧的盾构掘进，再掘进右侧。计算程序首先计算原始地应力，岩土体的开挖是在前一计算步骤所得地应力分布的基础上进行的，根据结构整体刚度的改变，按实际开挖方法施加地层释放荷载，并求解开挖后的应力场。

      经计算模拟，经旋喷桩加固隔离后，后期盾构隧道掘进对桥桩影响小，桩基变形控制在规范允许范围之内。

 

      盾构过河段左线处于半径Ｒ＝４００ｍ的圆曲线上，右线处于Ｒ＝６００ｍ的圆曲线上，纵坡为０．３％的直线坡度。海河河面宽约９０ｍ，河水深约１０ｍ，水流速度为１．２ｍ／ｍｉｎ。隧道下穿海河平面及剖面如图４、图５所示。

      管片采用错缝拼装，断面计算以修正惯用设计法作为结构设计依据，以梁－弹簧模型法模型分析作为参考补充。结合东南角站－建国道站区间的埋深及环境情况，经计算分析，正常使用阶段控制结构设计。管片结构配筋如下：管片配筋８Φ２５／环，环、纵向连接采用５．８级的Ｍ３０螺栓，采用１２００ｍｍ宽３５０ｍｍ厚的管片。

      下穿海河时主要从以下４个方面控制：（１）顶进速度（本区间采用三菱土压平衡式盾构，为减小盾构穿越过程中对河床下土体的扰动并结合天津地区相关经验，穿越海河顶进速度确定为３ｃｍ／ｍｉｎ，匀速通过）；（２）注浆量和注浆压力：注浆量３．０ｍ^３，注浆压力０．２ＭＰａ；（３）土仓压力：土仓压力取０．２ＭＰａ；（４）渣土改良：盾构穿越土层存在⑦_４砂层，需对土体进行改良，在刀盘内加膨润土。

      根据海河河床及该段工程及水文地质特点主要预防下列险情的发生，如喷涌现象、盾尾涌水涌砂、密封泄漏、掌子面与河水联通。为确保施工安全避免上述险情的发生应编制有效的应急措施以及储备足够的应急物资。

      目前盾构已顺利穿越进步桥桩基，在盾构穿越桩基（１２０环位置）前后各１０环进行调整注浆压力至０．２～０．２５ＭＰａ（理论计算值），并严密监测地面沉降情况，沉降较大时进行二次注浆。表２为盾构左线施工过程中注浆压力。

      在盾构穿越段，平均注浆压力控制值为０．２５５ＭＰａ，不考虑管路阻力，实际注浆压力在０．２ＭＰａ左右，穿越后桩基的累积沉降最大５．１ｍｍ，与模拟计算５．５ｍｍ基本相符，基本无水平位移（Ｑ_１：远离左线盾构桥桩测点；Ｑ_２：靠近左线盾构桥桩测点；Ｑ_３：靠近右线盾构桥桩测点；Ｑ_４：远离右线盾构桥桩测点）。盾构通过后桥桩基累计沉降如表４所示。

      盾构实际施工过程中，通过对海河的巡视，未发现海河河面出现异常，无任何气泡产生，说明盾构运行平稳，各种压力参数配置正确，河底未出现异常。

      通过对地面测点数据的分析，地面沉降变形均较小，控制在１５ｍｍ以内，主要数据统计如表５所示。

      通过上述各表实测数据记录及判断，各指标与理论模拟计算数据基本一致。

 

      目前东南角－建国道区间已实现左右线洞通，本工程克服了盾构覆土埋深较浅、土层性质较差、复杂交错等不利因素，保证了盾构下穿河流的施工安全，有效控制了对河底、桥桩的扰动，成为天津地区第一例成功下穿海河的地铁工程。

      既有桥桩与盾构隧道之间设置隔离桩是有效的，能控制盾构隧道施工对既有桥桩的影响。

      下穿河流时，要掌握河床及其下部工程水位地质特性，建议无特殊原因时，盾构下穿覆土适当加厚，避开不良土层。