超大直径土压平衡盾构复杂地层中下穿机场滑行道沉降控制技术研究

胡斌

（上海隧道工程有限公司，上海市200082）

0 引言

随着城市化建设的发展，现代隧道工程除具备长大深的趋势之外，在狭小空间的城市密集区、大型交通枢纽下穿机场等敏感地区进行大型隧道施工已无法避免，由此带来的隧道周边环境保护问题更加突出。而超大直径土压平衡盾构以其良好的地层沉降控制性能和较强的适应性正广泛应用于城市密集区和环境保护敏感区的市政工程建设中。盾构隧道在含有微承压水的灰色砂质粉土层中下穿机场滑行道，不可避免地会对周围土体产生扰动，引起周围地层损失及滑行道地基沉降，严重时会影响机场安全运营。因此，结合工程特点和实际地质条件，研究超大直径土压平衡盾构复杂地层中下穿机场滑行道的施工技术措施十分必要。

1 工程概述

迎宾三路隧道位于上海虹桥机场南侧，沿东西走向，采用Φ14.27 m超大直径土压平衡盾构施工。隧道衬砌结构外径13.95 m，内径12.75 m，厚0.6 m，环宽2 m。盾构隧道主线最大纵坡为-5.5%，最小平曲线半径为 R700 m，隧道全长1 860 m，管片共930环。根据工程设计施工图，盾构在里程SK1+410～SK2+060即469环～793环将下穿机场滑行道，穿越机场滑行道段隧道上覆土厚度为22.891 m～27 m，如图1、图2所示。

图1 盾构穿越机场滑行道示意图

图2 典型地层断面分布图

盾构下穿机场滑行道时，盾构主要在④T灰色砂质粉土，⑤31灰色粉质黏土夹粉砂，⑤3T灰色粉质黏土夹粉质黏土，⑦1T灰黄色粉质黏土夹粉砂，⑦2灰色粉细砂土层中掘进施工。根据该项目勘察测试结果，④T层微承压水水位埋深5.83～5.76 m（-1.40～-1.53 m），⑦层承压水水位埋深5.62～8.21 m（-1.62～-4.20m）。

该下穿段工程具有以下特点：

（1）穿越机场环境保护要求高、距离长。机场滑行道变形控制要求为：相邻两个坡度的差异沉降≤1.5‰；曲率半径为变坡曲线的最小曲率半径≥30 000 m。

（2）隧道轴线在下穿时平面位于R700左曲线上，竖直方向上则为-14‰～+3‰的变坡曲线段，双向曲线段推进施工无疑给沉降控制和滑行道的保护带来极大的挑战。

（3）在位于滑行道下的盾构开挖面内分布着厚度3.1～12.9 m含有微承压水的④T层（灰色砂质粉土）。该土层摇振反应迅速、干强度低、韧性低、渗透性强。饱和灰色砂质粉土开挖时，在一定水头的动水压力作用下易产生流砂、管涌现象，导致开挖面失稳；在地震等循环剪应力条件下有液化的可能，均对盾构施工沉降控制十分不利。

2 施工风险理论分析

PECK假定，盾构施工引起的地表沉降是在不排水情况下发生的，所以沉降槽体积等于地层损失的体积，并结合采矿引起地面位移的一种方法，提出了盾构施工引起施工阶段地面沉降的估算方法。此方法假定地层损失在隧道上方均匀分布，地面沉降的横向分布似正态曲线，如图3所示。

图3 地面沉降及沉降范围预测横向分析图

此次盾构穿越段机场滑行道过程最浅覆土为25.9 m，按3‰的地层损失率控制来计算，地表的最大沉降为9.2 mm，最小曲率半径为32 175 m，方能符合《国际民航公约附件十四》规定的机场跑道的控制标准（最小曲率半径≥30 000 m）。

3 沉降控制措施

针对下穿盾构隧道各段埋深、地层情况不同，盾构施工参数必须根据各监测数据及时调整。为了能够确定盾构下穿机场滑行道时的最佳施工参数，尽可能降低盾构下穿施工引起的地层沉降对滑行道的影响，将穿越机场滑行道控制区分为四段：盾构试验段、穿越前控制段、穿越中控制段及穿越后控制段。

3.1 盾构试验段

为了进一步研究施工参数对地表沉降的影响，在盾构穿越试验段期间对土舱压力、同步注浆量等关键施工参数进行调整（见图4），为盾构穿越滑行道施工参数确定提供依据。

图4 多点同步注浆示意图

（1）在切口到达H96前，侧压力系数k在0.7～0.8之间小幅波动。切口到达H96后，侧压力系数k调整为0.86。切口前方土体由沉降逐渐过渡为微量隆起。

（2）H90后提高单环同步注浆量，注入率高达148%，且相同高度注浆管注浆量宜相同，由上而下注浆管注浆量比例为4：3：1.5：1。浆液采用新型的抗剪切砂浆，抗剪强度高，泌水率低，具有较好的抵抗周围土体变形和管片上浮的能力。

对图4各断面地表沉降分析图中切口到达前地表沉降发展趋势进行对比分析可以发现，H90断面在盾构切口到达前地表呈沉降趋势，切口到达时的地表沉降量为显著。其他断面在盾构切口达到前呈先上抬后下沉的趋势，H99断面地表上抬量约4 mm。

盾构通过过程中各监测断面地表均呈持续下沉趋势。H96断面受盾构停推和前期同步注浆效果欠佳的双重影响，在盾构通过阶段沉降增量最大（见图5）。

从图5可见，在盾尾脱出H90后四个监测断面地表沉降曲线同时出现明显的拐点。

3.2 穿越前控制阶段

根据试验段监测数据总结及参数反馈情况，制定正式穿越期间的合理施工参数，验证土压力设定、土体改良配比，进行改良浆液压注操作，同时对盾构机进行一次全面检查，排除一切故障隐患，进行磨合调整。

图5 各断面地表沉降分析图

（1）开挖面稳定控制：验证泡沫剂各项参数的准确性，保证穿越期间的土体改良效果均衡稳定，并将单环出土量与土压力设定相结合，有效地控制欠挖或超挖。

（2）改良浆液质量：浆液的质量直接影响到管片与土体之间建筑空隙的填充效果，对控制滑行道沉降及自身隧道的上浮控制起到关键性作用。穿越过程中对于每环浆液进行指标（比重、坍落度）检测，严格控制浆液质量。

（3）轴线控制：通过自动导向系统，严格控制各区油压和千斤顶的行程，按照勤纠、少量的纠偏原则，使盾构沿设计轴线推进，避免盾构进行过大的纠偏。

3.3 穿越中控制阶段

根据推进前控制段确定的各项参数进行均衡施工，同时根据实时自动化监测系统及人工复核情况对施工参数做微幅调整，降低盾构下穿施工引起的地层沉降。

（1）土仓压力设定：土压平衡盾构施工中正面土压的设定至关重要。在试验段的推进过程中，随着盾构土仓土压的增加，地表的沉降值明显有减小。这主要是由于略大的正面土仓压力迫使盾构切口前方土层产生一定的隆起，从而降低了后期的累计沉降。在过程中密切关注监测反馈信息，根据前期试验段分析数据和穿越过程中沉降点的监测数据逐步微调土仓压力，详见图6所示。

图6 土舱压力设置示意图

（2）推进速度控制：盾构掘进速度控制在2 cm/min左右，尽量使盾构均衡、匀速地穿越机场滑行道，以减少对周边土体的多次扰动影响，以免对其产生不利影响。

（3）同步注浆控制：注浆采用压力、注浆量双控原则，以压力控制为主，注浆量控制为辅，以便对盾尾间隙产生最好的填充效果，减少盾尾土体损失。注浆压力根据外界水土压力加泵送管阻进行制定，并根据管片姿态及监测数据做适当微调。

（4）管片拼装：严格控制管片的环面平整度及整圆度；通过封顶块位置的合理选择，控制盾尾间隙。减少拼装和盾构停顿的时间，减少上方土体的沉降。当土仓压力下降过大时，可通过推进模式摒土压至设定值。

（5）隧道整体稳定性控制：盾构穿越滑行道区域所用管片内弧面纵、环向均布置预埋钢板，管片拼装完毕用钢板将纵、环向预埋件焊接牢固。同时在管片端面安装剪力销，加强管片环与环之间的连接，提高隧道的自身刚度，控制隧道在可能液化土层④T层（灰色砂质粉土）中的稳定性，减少地表沉降。

3.4 穿越后控制阶段

在该阶段的施工过程中，合理逐步调整参数，使各项施工参数逐步过渡到常规段指标，同时密切关注滑行道穿越段的监测情况，必要时采用壁后压力注浆应急措施。

若盾尾后沉降累积超过8 mm，即开始壁后压力注浆施工。在管片内弧面预设的注浆孔位置插入锌管，及时对隧道上方120°范围土体进行深孔分层注浆，固定受扰动的土体，使地层及早地稳定，有效地减小地表的沉降。

考虑到盾构穿越的④T（灰色砂质粉土）土层位为微承压水层，二次注浆浆液采用双液浆。在注浆过程中，除严格控制水泥浆水灰比外，还应控制水玻璃的浓度和掺量，确保注入浆液初凝时间满足配比要求，使浆液尽快凝固，减少浆液向周边地层中的流失，同时避免地下水和浆液向隧道内的渗漏，如图7所示。

图7 注浆孔布置示意图

通过以上沉降控制技术，Φ14.27 m超大直径土压平衡盾构下穿滑行道施工引起的累积沉降仅-9.03 mm，成功地将施工对滑行道的影响控制在保护标准（±10 mm）内。

4 结语

本文以上海虹桥枢纽内超大直径土压平衡盾构在含有微承压水的④T（灰色砂质粉土）复杂地层中下穿机场滑行道盾构工程为背景，针对超大直径土压平衡盾构施工引起的地层沉降对滑行道影响，以及相应的控制措施进行了分析研究，得出如下结论：

（1）通过PECK法估算了盾构施工对机场滑行道的影响，并得知在只有当地层损失率需控制在3‰以内，方能将盾构施工对滑行道的影响控制在安全控制标准以内。

（2）通过对比分析试验段各断面的地表沉降曲线与盾构机相对位置关系，指出当超大直径土压平衡盾构在较厚的含有微承压水的④T（灰色砂质粉土）地层中推进施工设定土仓压力时，侧压力系数k应取0.86，高于以往上海地区的经验取值（0.7～0.8）；同时单环同步注浆量已高达理论建筑空隙的150%，同样高于以往110%～130%的经验注浆率。这也说明了当盾构在较厚的含有微承压水的④T（灰色砂质粉土）地层中施工时，盾构周围的灰色砂质粉土很可能发生了液化，液化之后的土体强度急剧下降，呈流动状，表现为土体侧压力系数k变大，同时浆液在很小的压力下就劈裂了土体，导致同步注浆量增大。

（3）结合长距离下穿滑行道，沉降控制要求严，盾构轴线控制难度高等工程特点，除在草坪区布设盾构推进试验段，还将盾构下穿施工分为三阶段进行控制：穿越前控制段、穿越中控制段、穿越后控制段，分别制定施工措施，包括开挖面稳定控制、改良浆液质量、轴线控制、出土量控制、掘进速度、同步注浆控制、管片拼装控制、隧道整体稳定性控制等，并给出具体的盾构施工参数。

（4）针对穿越后控制阶段中累积沉降量过大时，提出壁后二次压力注浆措施，布置增开注浆孔、进行深孔注浆，从而有效控制地表沉降。