土壓平衡式盾構穿越建筑群施工控制技術

陳周斌

(杭州市地鐵集團有限責任公司,310020,杭州∥高級工程師)

采用盾構法修建隧道是目前地鐵建設普遍采用的方法,因為該方法不需要地面開挖施工,對周邊環境及構(建)筑物影響較小,造價也較低[1-2]。但由于該施工方法在施工過程中會不可避免地擾動土體,必然會造成隧道周邊圍巖不同程度的變形。如果是淺埋隧道,其上部土體的變形會更嚴重,上部土體的變形就會造成相應構(建)筑物的變形和沉降。這種變形和沉降超過一定的值,就會造成構(建)筑物的損毀,并可能發生事故[3-4]。因此,做好盾構施工時有關參數的控制及有關的準備工作,避免構(建)筑物過多沉降和變形,防止事故發生,就顯得非常重要。

1 工程背景

本穿越工點位于杭州地鐵某區間,盾構隧道外徑6.2 m,管片厚度0.35 m,采用錯縫拼裝。隧頂埋深9.2～11.5 m。盾構機下穿民居所穿越的土層為:④2淤泥質黏土,⑥1淤泥質粉質黏土。穿越范圍內民居有25幢之多。這些民居多為2、3層磚混結構、條形基礎,建設年代從20世紀30年代到本世紀初不等。盾構穿越區的平、剖面圖如圖1、圖2所示。

圖1 盾構穿越居民建筑群平面示意圖

2 盾構掘進參數的確定

盾構下穿建筑物施工時,相關參數的控制尤為重要,主要包括土倉壓力、盾構推進速度、同步注漿參數等。現從數值模擬、理論分析對盾構主要施工參數進行分析確定,以對施工進行指導。

2.1 土倉壓力值的設定

土倉壓力值的設定對地層變形控制影響較大,根據經驗一般設定為理論值(靜止土壓+水壓)的105%～115%[5];但由于各地土層性質差異,需對該系數進行適當的修正。

圖2 盾構穿越居民建筑群剖面示意圖

通過有限元模擬,分析不同土倉壓力值對上部建筑物沉降的影響[6]。選取一計算斷面,隧道埋深為9.5 m。利用巖土工程軟件PLAXIS建立三維隧道有限元模型,有限元網格基于15節點楔形單元。計算土層區域橫向取60 m,縱向取24 m。模型中的土體采用Mohr-Coulomb彈塑性屈服準則。隧道襯砌與土體的相互作用則是通過在模型隧道表面設置古德曼接觸面單元,并選取合理的虛擬厚度因子及強度折減因子模擬。模型底部施加完全固定約束,在兩側施加豎直滑動約束,模型表面則取為自由邊界。計算中先開挖右線,后開挖左線。

模型中土層參數及結構物參數分別如表1、表2所示。

表1 土層參數

在數值模擬中分別選取土倉壓力為1.1 P0、1.2 P0、1.3 P0三種工況進行計算(P0為靜止土壓力),分析在不同的土倉壓力設定下,盾構隧道開挖對于上部建筑物的影響。由于本工程所涉建筑物均為淺基礎,因此可以方便地認為基礎底部變形與地表變形一致[5]。本文取不同工況下地表沉降作為分析對象。計算模型如圖3所示。

表2 結構物參數

圖3 計算模型

經計算,得到不同土倉壓力下盾構推進引起地表的沉降(如圖4所示)。

圖4 地表沉降曲線

通過圖4可知,隨著土倉壓力的加大,地表沉降量相應減小,但兩者呈非線性變化關系。因此,在盾構穿越民居時適當增大土倉壓力,可減小開挖引起的地表沉降,相應可減小地面建筑物的變形。因此,在盾構穿越過程中土倉壓力設置為靜止土壓的1.2～1.3倍。

2.2 推進速度的選取

穿越區推進速度的選取,并不是單一因素的確定,而是與刀盤轉速、盾構機推力、扭矩、螺旋輸送機轉速等多個控制參數有關,甚至與線路條件、地質條件等有關[7]。穿越建筑物時,推進速度是快還是慢才對上部建筑物有利,尚無定論。但在穿越過程中保持推進速度的穩定,避免波動過大,就可降低施工風險。

推進速度的確定,不能簡單參照其他穿越工程的經驗,必須根據本工程所處地層條件、線路條件及盾構機性能而定。

為得到合理的推進速度,在盾構穿越民居前選取一定長度(近100 m)作為試驗段。該試驗段內將推進速度保持在2.0～2.5 cm/min。觀測該試驗段內盾構推進過后地表的沉降,如圖5所示。

圖5 試驗段地表沉降

通過試驗段推進發現,當盾構推進速度保持在2.0～2.5 cm/min掘進時,地表沉降較小,在可控范圍內。因此,確定盾構隧道穿越民居過程中,推進速度應盡量保持在2.0 cm/min,以勻速通過。

2.3 同步注漿量的確定

同步注漿量理論上為襯砌和周圍地層之間的空隙體積。本工程中,刀盤外輪廓直徑為6.34 m,管片外徑為6.20 m,理論上每環空隙體積為1.654 6 m3。考慮到施工中必然存在的超挖量以及漿液流失等因素,實際注漿量常采用理論計算值的1.4至2.0倍[5]。

筆者根據杭州盾構隧道施工經驗來看,盾構所穿越土層大多為含砂性土,本地區同步注漿量采用1.4至2.0倍理論值顯偏少。以杭州某盾構隧道施工為例:其隧道外徑6.2 m,隧頂埋深約15 m,穿越砂質粉土、淤泥質粉質黏土;根據施工記錄,整理出推進近700環的注漿量數據(如圖6所示)。

圖6 某盾構隧道注漿量和注漿率

由圖6可見,該區段盾構推進時平均注漿量為3.68 m3,為理論空隙值的224%。

類似收集整理杭州市若干施工區段的施工紀錄,包括隧道埋深、穿越土層、注漿率以及盾構施工推進過后發生的最大工后沉降量,如表3所示。

表3 杭州市地鐵盾構部分區段施工參數整理

通過上述數據可以發現,在不同標段中盾構隧道施工的同步注漿量均超過理論值的2.0倍,注漿率達到220%～280%。

考慮到本工程盾構隧道所穿越土層為淤泥質黏土,同步注漿量設置較其他區段小,建議注漿率取為200%左右,并根據施工監測進行調整。

3 盾構推進實施及效果分析

盾構于民居下方穿越,整理盾構穿越期間施工參數,并結合監測數據來分析本次穿越工程的施工效果。

3.1 盾構推進實施情況

1)施工參數的選定。將盾構推進過程中的土倉壓力、推進速度、同步注漿等參數進行整理,如表4所示。從實際施工參數可以發現,土倉壓力的設定約為靜止土壓力的 1.34倍;同步注漿量約為170%。

表4 穿越區盾構施工參數表

2)其他施工措施:①同步注漿材料——為充分填充管片外部建筑空隙,并形成早期強度,抑制隧道成型管片變形及房屋沉降,選取可硬性漿液作為同步注漿漿液,其配合比見表5。②二次注漿——為減小盾構通過后房屋的后期沉降,在下穿房屋段的隧道內進行了二次注漿,通過每環6個注漿孔進行壓注,注漿壓力為0.3～1.0 MPa;具體配合比為水泥∶水玻璃∶水=0.8∶0.04∶1。

表5 同步注漿材料配合比

3.2 盾構推進引起的房屋沉降

盾構推進階段以及推進過后,應對地表隆沉、房屋沉降情況進行監測。測點布置如圖7所示。

通過對監測數據的整理,得到盾構到達時刀盤前方土體的隆沉情況以及盾構推進過后地表和建筑物的沉降情況。現選取一個建筑物的典型測點,分析該點位在盾構施工過程中隨時間的變化過程。

圖7 測點布置圖

3.2.1 盾構刀盤前方的隆沉

由監測數據可以發現,刀盤前方始終保持有0.2～1.2 mm的隆起量(見圖8)。這在一定程度上有利于保護建筑物。

圖8 刀盤前方隆沉

3.2.2 盾構推進過后的沉降

盾構推進過后,地表發生沉降。整理得到盾構通過后12 h、48 h后的地表沉降,以及通過15天后的建筑物沉降情況,如圖9、10所示。

通過上述數據可以發現,盾構推進過后12 h累計沉降小于1 mm,48 h內累計沉降不超過3 mm。而工后的建筑物沉降小于10 mm。可見,盾構推進對建筑物的影響在可控范圍內。

3.2.3 變形時程曲線

為觀測建筑物變形的時程曲線,選取F14觀測點整理其變形數據。該點工況為:2009年9月3日23:00,盾構機開始下穿F14點;至9月 4日下午15:00,盾構機盾尾完全脫離F14點。該點處建筑物變形的時程曲線如圖11所示。由圖11可見,盾構通過后沉降變化速率較快,10天后基本趨于穩定。該點處最大沉降量為9.2 mm。

4 結語

本文通過數值模擬與理論分析,研究了盾構隧道穿越成片民居過程中盾構主要施工參數的選取,并且結合監測數據分析盾構穿越施工的效果。主要得到以下結論:

1)杭州地區盾構隧道穿越既有建筑物施工時,需合理選取施工參數:土倉壓力宜取為靜止土壓力的1.2～1.3倍;推進速度取2.0 cm/min,且勻速通過;同步注漿率取200%左右。

2)盾構穿越既有建筑物時,除選取合理施工參數外,還需采取相應輔助措施。即采用可硬性漿液作為同步注漿材料。對穿越段采用雙液漿進行二次注漿,有助于減小建筑物沉降。

3)盾構機通過建筑物下方后數天內,建筑物沉降變化速率較快,10天后趨于穩定。

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