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盾构施工地面沉降控制要点

1研究目的

地铁隧道盾构施工由于其为地下工程、周边环境复杂、自身风险大的特点,施工中易出现地面沉降和变形的事故,其原因是盾构施工引起的地层损失和施工过程中隧道土体受扰动或者受剪切破坏的土体再固结所造成。因此,通过分析盾构法隧道施工中土地扰动及沉降机理、地表沉降的规律,参考大量文献,明确影响隧道施工地层扰动及沉降的地层相关因素,并针对影响因素制定地表沉降控制措施,减少地铁施工造成的人员伤亡和财产损失。

本文研究针对天津市盾构施工过程中对周边地表沉降控制开展研究,对施工全过程进行了跟踪,掌握了详尽的现场资料,通过重点保护措施的实施,分析对周边地表沉降控制的有效性,总结盾构施工对周边地表沉降控制的重点:①根据区间地质水文条件合理选择盾构机型号;②合理布置盾构始发段后靠受力体系和盾构参数;③依据盾构姿态不断调整优化同步注浆参数;④分析得出盾构施工控制地表沉降的要点。

2施工过程控制

本盾构区间下穿建筑物、构筑物,盾构始发约有二分之一断面处于⑥4粉质粘土,约有四分之一断面处于粉质粘土,约有四分之一断面处于⑧1粉质粘土。盾构接收约有25%断面处于⑧1粉质粘土,约有50%断面处于⑧21砂质粉土,约有25%断面处于⑧22粉砂。接收端为红旗南路站,其为3号线与6号线换乘站,目前3号线已经运营,而且接收端地质条件差,接收时保证安全是工程的重点,一旦出现端头井渗漏,出现大面积沉降的话,将造成既有线瘫痪,影响巨大。

21加固区控制

施工过程中全程监控加固桩质量,始发前,对加固区进行了抽芯检测,检测结果:具有良好的均匀性和自立性,所取桩芯均满足28d无侧限抗压强度大于等于1.0MPa;渗透系数小于等于1.0×107cm/s。为了进一步检验加固区质量,还需在洞门处进行探水,洞门内布置探孔数量为9个,在洞门中心及距离洞门圈30cm间隔2.3m位置开设探孔;洞门圈外部结构死角处布置探孔4个,孔位布置详间探孔布置,39。采用岩心钻按照确定的点位进行钻孔,钻孔深度为3.0米,孔径为Φ50mm。探孔开设完毕后经观察均无明水。综上,说明本次端头井加固质量良好,对进出洞门处的土体改良效果显著,证明了所选技术参数合理。

22始发阶段控制

盾构始发后,为了更好地掌握盾构的各类参数,将盾构始发后的前100m推进为试推进段。此段施工时应注意对推进参数的设定,对推进时的各项技术数据进行采集、统计、分析,摸索地面沉降与施工参数之间的关系,争取在较短时间内掌握盾构机械设备的操作性能,及盾构在本标段地质条件下推进的施工参数设定范围。

(1)实施100m试推进的目的:①用最短的时间对盾构机的操作方法、机械性能进行熟悉;②了解和认识本工程的地质条件,掌握土压盾构在本地区的施工特性,尽快摸索出各种参数的正确设定方法;③为了掌握各种施工参数的正确设定方法,在试验段采取多种监测手段如地面沉降监测、深层沉降监测等,广泛采集信息以指导盾构施工;④通过本段施工还要求通过对各种监测信息的分析,掌握盾构掘进参数和合适的同步注浆量。施工试验段时要求增加监测频率,并及时将监测数据反馈给施工技术人员进行分析,据此随时调整各参数,直至地面沉降及盾构姿态处于受控状态为止。

(2)100m试推进段的施工重点:①当推进至20环时,对洞门进行注浆,防止可能的土体流失;②100m试推进结束后,隧道拥有足够的摩阻力来抵抗盾构掘进反力后,可趁施工间隙进行负环管片和盾构基座的拆除工作。同时在井底搭设作业平台铺设岔道,以及双道平行电机车轨道。

23盾构参数控制

(1)加固区内推进:①盾构在穿越加固区时,应要密切注意刀盘扭矩、螺旋机扭矩、油温、水温等参数;②严格控制土压力,将始发压力设定在0.000.10MPa,并结合推进油压、刀盘油压等情况进行合理调整。同时结合沉降报表和其它施工参数进行分析、调整,反馈给推进班组确保始发施工安全;③严格控制出土量,每环出土量控制在46.99m347.95m3。并通过分析调整,寻找最合理的数值;④推进速度偏慢,控制在1cm/min以内。同时根据需要在盾构正前方引入发泡剂或膨润土,以改善前方的土质;⑤对测点进行密布并提高监测频率;⑥动态信息传递;⑦穿越加固区注意事项:a.负环管片脱出盾尾后,需进行加固;b.千斤顶总推力控制在适当的范围内,防止后靠变形过大,推力尽量不超过1000T;c.盾构机器驶入洞圈时,需加强关注洞圈止水设备完好状

态,状态不好要采取加固措施。

(2)出加固区后的推进:①平衡压力值的设定原则,始发段理论土压力0.152MPa;②推进出土量控制,每环理论出土量47.95m3,推进出土量保证在98%100%之间;③推进速度,宜控制在12cm/min之间,并根据各种因素合理调整推进速度;④盾构轴线误差及地表沉降量要求,轴线误差不得大于50mm。地面沉降量控制在+10mm~-30mm。对于特殊部位,则根据保护要求适当提高沉降控制标准。

24同步注浆和二次注浆

(1)同步注浆。盾构推进中的同步注浆是充填土体与管片圆环间的建筑间隙和减少后期变形的主要手段,也是盾构推进施工中的一道重要工序。盾构推进施工中的注浆应及时、均匀、足量的压注,确保其建筑空隙得到及时和足量的充填,并由此使地表变形和管片偏移量降低到最小,同时辅助防止管片接缝漏水。浆液设计性能要求:同步浆液(见表1)应满足泵送要求,浆液的泌水率、浆液1天的强度、28天的强度均应满足设计和规范要求。为满足以上要求,本工程决定使用可硬性浆液。可硬性浆液已在很多工程中使用,其强度指标满足设计要求,在保持隧道稳定等方面具有良好的效果。此外,此浆液的体积缩小量低,地下水造成的稀释影响小,且无污染。

(2)二次注浆。在每台盾构机最后一节车架后面配备2.5*1m平板车,放置一台注浆机、一套搅拌系统,保障盾尾以后车架范围内的所有管片都能随时实现间歇注浆或二次注浆。根据实际情况进行加密补压浆。对管片的建筑空隙二次注浆一般为每隔5环注浆一次。浆液为可硬性浆液,特殊重要区域二次注浆可采用双液浆,为水泥浆和水玻璃的混合浆液。压浆时必须指派专人负责,对压入位置、压入量、压力值均作详细记录,并根据地层变形监测信息及时调整,确保压浆工序的施工质量。此外,还需根据后期沉降的情况进行适当的补压浆。

25接收阶段控制

盾构接收前50环为接收阶段,在接收段盾构施工过程中必须严格控制切口平衡土压力,使得盾构切口处的地层有微小的隆起量来平衡盾构背土时的地层沉降量。同时也必须严格控制与切口平衡压力有关的施工参数,如出土量、推进速度、总推力、实际土压力围绕设定土压力波动的差值等。防止超挖、欠挖尽量减少平衡压力的波动。在盾构进入加固区以后,土压和总推力适当减小,保证洞门的安全,主要控制要点如图1

本次洞门凿除采用粉碎性凿除,割去内排钢筋、外排钢筋,清理洞门内残余钢筋,保证到达接收时无障碍物。要求在洞圈区域内适当位置打出一定数量的样孔以核验盾构到达正前方的地层加固情,暂定在洞门上下位置、左右位置及中心部位总共设置9个样孔,同时依据样孔的情况适当增加。确保样洞条件良好的前提下,才能进行洞门凿除工作,如图2、图3所示。

3监测分析

针对一中心医院站~红旗南路站盾构区间的沉降观测共持续240天,共测取观测数据6500多组,分为三个阶段,其中盾构始发阶段21天,盾构正常掘进段146天,盾构接收段及后续监测73天。第一阶段最大沉降量为20.55mm,观测点位为DBC0908,观测日期为2015120;第二阶段最大沉降量为15.37mm,观测点位为DBC3504,观测日期为2015620;第三阶段最大沉降量为17.93mm,观测点位为DBC4318,观测日期为2015830日。统计如表2所示。

根据一中心医院站~红旗南路站盾构区间施工的监测数据,分为三个阶段沉降观测点的沉降-时间曲线图。

第一阶段(盾构始发阶段):盾构始发阶段施工中,对地表沉降点DBC05DBC09断面的各测点进行了数据整理,其沉降-时间变化曲线如图4

第二阶段(盾构正常掘进阶段):盾构正常掘进阶段施工中,对地表沉降点DBC16DBC17DBC18DBC35断面的各测点进行了数据整理,其沉降-时间变化曲线如图5

第三阶段(盾构接收阶段):盾构接收阶段施工中,对地表沉降点DBC43DBC44断面的各测点进行了数据整理,其沉降-时间变化曲线如图6

根据盾构施工三个阶段的地表沉降-时间变化曲线图可以看出,盾构施工中即便采取各项控制沉降的施工措施,但是必然会引起地表沉降,盾构始发阶段沉降最大,其次是盾构接收阶段,沉降最小的是盾构正常掘进阶段。

4结论

本论文以天津的水文地质条件为基础,结合天津地铁6号线一中心医院站~红旗南路站盾构区间工程实际,对盾构法施工引起的周边地表沉降进行了沉降规律的研究。对一中心医院站~红旗南路站盾构区间的沉降观测结果中各种现象进行了分析,并与理论计算相对比,课题得出以下主要结论:①对天津地铁6号线一中心医院站~红旗南路站盾构区间工程实施为期240余天的地表沉降变形观测,得到:地表最大沉降量为20.55mm。各点沉降均在规范允许变形范围内,盾构区间周边地表没有发生过大变形和沉降。证明该工程采用的盾构机型号、端头加固方案、盾构接收方案以及盾构掘进中的各项参数控制是有效的,其成果对地铁施工有重要指导意义;②在粉砂和砂质粉土地层中掘进地表沉降控制采取的措施:确定出土量,通过试验段确定粉砂和粉质粘土的松散系数,避免超挖;注浆量控制,确保管片四周由浆液填充密实;注重渣土改良,通过该地层掘进发现在该地层中掘进时,会有喷砂现象发生,应多注重渣土的改良,试验证明泡沫和钠基膨润土单独或者混合使用有很好的效果;③天津地区盾构施工减少周边地表产生沉降的措施:保证盾构始发接收段端头井地基加固质量;根据天津地区地质特点合理控制盾构机刀盘和开口率;粉砂和砂质粉土掘进中控制好土压、注浆量的同时,注重渣土改良能够很好的控制地表沉降;加强盾构施工各项简册控制,形成网络式的监控量测处理系统,执行监测指导施工的原则。

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