淺議臨近保護(hù)建筑物端頭井盾構(gòu)進(jìn)出洞口土體加固方案和工法的選擇

徐 鈞

(上海電力通信有限公司, 上海 200336)

0 引 言

隨著地鐵工程如火如荼地在全國(guó)各地開展,盾構(gòu)施工技術(shù)也被大力推廣.盾構(gòu)施工可以根據(jù)不同地質(zhì)條件,采用相適應(yīng)的方法構(gòu)造復(fù)雜的盾構(gòu)機(jī),通過計(jì)算機(jī)精密控制,完成隧道建設(shè)工作.在盾構(gòu)法隧道施工中,端頭井盾構(gòu)進(jìn)出洞口土體加固是盾構(gòu)機(jī)始發(fā)、到達(dá)工序的重要保障措施,是必須關(guān)注的危險(xiǎn)源控制點(diǎn)之一.由于地下土體情況的復(fù)雜多變和打開端頭井的未知性,質(zhì)量欠佳的端頭井盾構(gòu)進(jìn)出洞口土體加固會(huì)使得盾構(gòu)進(jìn)、出洞工作險(xiǎn)象環(huán)生.因此選擇端頭井盾構(gòu)進(jìn)出洞口土體加固方案時(shí)除了加固效果、費(fèi)用、工期外更應(yīng)該關(guān)注方案與工程情況的匹配性.

1 工程概況

案例為軌道交通10號(hào)線陜西南路站-高安路站區(qū)間隧道,隧道工程采用裝配式鋼筋混凝土管片通縫拼裝,內(nèi)、外直徑分別為5.5 m和6.2 m.使用的盾構(gòu)機(jī)為直徑6.34 m的兩臺(tái)土壓平衡式小松盾構(gòu),盾構(gòu)長(zhǎng)8.6 m.盾構(gòu)從陜西南路(南昌路)出發(fā),往高安路方向推進(jìn),最終在高安路站東端頭井盾構(gòu)進(jìn)洞程.端頭井盾構(gòu)進(jìn)出洞口土體加固深度:17.666 m,進(jìn)洞端加固寬度:25.4 m.

在擬加固的場(chǎng)地的東北側(cè)為保護(hù)建筑林肯公寓,該公寓向北傾斜2.4%,向西傾斜0.8%,由于年代久遠(yuǎn)未能找到該建筑的建設(shè)單位、施工單位.在1941年11月曾對(duì)該建筑進(jìn)行過改建,改建之后的林肯公寓為磚混結(jié)構(gòu),4層樓房,局部達(dá)到5層,面積為1 336 m2.在完成端頭井盾構(gòu)進(jìn)出洞口土體加固工作之后,盾構(gòu)隧道對(duì)其進(jìn)行一次近距離下部穿越,所以為了保證盾構(gòu)穿越時(shí)建筑的安全性,必須對(duì)嚴(yán)控本次端頭井盾構(gòu)進(jìn)出洞口土體加固的質(zhì)量,嚴(yán)格控制保護(hù)建筑的沉降.

在盾構(gòu)加固之前,車站結(jié)構(gòu)施工已經(jīng)完成,端頭井部分頂板已經(jīng)封閉.同時(shí)因?yàn)槎祟^井施工場(chǎng)地在道路中間,兩側(cè)道路車流量較大,且施工場(chǎng)地較小.道路主管部門要求施工時(shí)不得影響周邊道路的正常使用.根據(jù)車站施工監(jiān)測(cè)記錄顯示,在車站施工階段,林肯公寓的沉降數(shù)據(jù)在控制范圍內(nèi).

1.1 水文地質(zhì)情況

根據(jù)表1及地質(zhì)勘查報(bào)告看出,高安路端頭井盾構(gòu)進(jìn)出洞口土體加固區(qū)域所處地質(zhì)主要為①填土、②粉質(zhì)粘土、③淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、④淤泥質(zhì)粘土、⑤1-1粘土.

表1 土層物理性質(zhì)力學(xué)指標(biāo)表

1.2 周邊管線情況

在端頭井南側(cè)和東側(cè)進(jìn)洞加固區(qū)外2.5 m處有一根φ1 200的雨水管,臨近加固區(qū)較近,施工時(shí)須注意沉降變化,控制變形量.其余管線相對(duì)加固距離較遠(yuǎn).

2 端頭井盾構(gòu)進(jìn)出洞口土體加固方案分析及選擇

端頭井盾構(gòu)進(jìn)出洞口土體加固工藝是利用水泥等其他材料改善盾構(gòu)機(jī)進(jìn)出洞的影響區(qū)域(通常為水平方向加固洞口邊緣以外3 m,豎直方向加固洞口底部以下3 m至地面)內(nèi)的土體止水性、土體強(qiáng)度、抗剪能力等性能的工藝方法.

本次端頭井盾構(gòu)進(jìn)出洞口土體加固方案有如下選擇范圍:深層水泥土攪拌法(二軸攪拌樁機(jī)、三軸攪拌樁機(jī))、高壓旋噴樁(兩重管、三重管)、SMW工法、冷凍法.各種加固方案在費(fèi)用、加固效果、施工時(shí)間上都各有千秋,應(yīng)根據(jù)工程實(shí)際情況選擇最適合的方案.[1]

2.1 深層水泥土攪拌法

水泥土攪拌法是利用水泥等材料作為固化劑通過特制的攪拌機(jī)械,將地基軟土和固化劑(漿液)強(qiáng)制攪拌,使軟土硬結(jié)成具有整體性、水穩(wěn)性和一定強(qiáng)度的水泥加固土.其施工工期較短,造價(jià)較為低廉.現(xiàn)有工程中,一般采用兩軸攪拌樁機(jī)及三軸攪拌樁機(jī).

2.1.1 兩軸攪拌樁機(jī)

兩軸攪拌樁機(jī)施工工期較短,經(jīng)濟(jì)效益較好.但其是加固深度較淺,上海地區(qū)一般加固最深為18～20 m.

2.1.2 三軸攪拌樁機(jī)

三軸攪拌樁機(jī)施工設(shè)備一般為進(jìn)口鉆機(jī),對(duì)周邊土體擾動(dòng)小、施工工期短,加固范圍深,但機(jī)械占地范圍較大,進(jìn)場(chǎng)費(fèi)用較高.

2.2 旋轉(zhuǎn)噴射注漿法

旋轉(zhuǎn)噴射注漿法是利用鉆機(jī)把帶有特殊噴嘴的注漿管鉆進(jìn)至土層的預(yù)定位置后,用高壓脈沖泵,將水泥漿液通過噴射裝置,向四周以高速水平噴入土體,切削土體,使噴射范圍內(nèi)的土體遭受破壞,并徐徐攪拌提升,使土體與水泥漿液充分?jǐn)嚢?其優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡(jiǎn)單,施工方便,所需施工場(chǎng)地較小.其工程造價(jià)較攪拌樁為高.

2.2.1 兩重管旋轉(zhuǎn)噴射注漿法

兩重管旋轉(zhuǎn)噴射注漿法施工時(shí)使用雙通道二重注漿管,同時(shí)噴射出高壓漿液和低壓空氣兩種介質(zhì).缺點(diǎn)是:施工時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量泥漿,對(duì)施工周邊產(chǎn)生影響.并且土體擾動(dòng)大,對(duì)周邊建筑物變形影響較大.

2.2.2 三重管旋轉(zhuǎn)噴射注漿法

三重管旋轉(zhuǎn)噴射注漿法施工時(shí)使用分別輸送水、氣漿液3種不同介質(zhì)的三重注漿管.與兩重管法比較,其對(duì)土體擾動(dòng)少,周邊環(huán)境影響小.

2.3 SMW工法

SMW工法是在水泥土中插入型鋼等鋼等材料形成加筋水泥土墻.其中型鋼承受彎矩和剪力,水泥作為止水防滲,對(duì)型鋼還有圍箍作用.其中H型鋼可以回收,節(jié)約成本.但其所需要的施工場(chǎng)地較大,對(duì)硬土的加固效果有限.在型鋼回收過程中如果拔斷,會(huì)極大影響后續(xù)盾構(gòu)進(jìn)出洞工作.[2]

2.4 冷凍法施工

冷凍法施工時(shí)在洞口及加固區(qū)域內(nèi)布設(shè)一定數(shù)量的凍結(jié)孔.用冷凍的手段將地層中的地下水凍結(jié)成冰,讓下水不再流動(dòng),結(jié)冰后地層的強(qiáng)度大大提高.常用的冷凍液有液氮或者鹽水兩種.其施工安全可靠、對(duì)土體上部能夠全面加固.其缺點(diǎn)也相對(duì)明顯:費(fèi)用高、周期長(zhǎng)、對(duì)周邊管線的影響較大,后續(xù)盾構(gòu)推進(jìn)容易因刀盤在加固區(qū)被凍結(jié)而處于危險(xiǎn)狀態(tài).[3]

各類進(jìn)洞方案比較見表2.

表2 端頭井盾構(gòu)進(jìn)出洞口土體加固方案比較

2.5 端頭井盾構(gòu)進(jìn)出洞口土體加固方案的選擇

本工程場(chǎng)地位于淮海中路與高安路交界處,屬于市中心地段.車流量大,管線較為復(fù)雜.從總平面圖及現(xiàn)場(chǎng)查看情況來看,本次施工場(chǎng)地較為有限,周邊臨近建筑物較多,其中尤其是臨近加固區(qū)東南方面的林肯公寓西側(cè)的傾斜已經(jīng)達(dá)到了2.4%,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了0.7%的危房標(biāo)準(zhǔn).在加固施工開始之前,已完成端頭井結(jié)構(gòu)部分、頂板封頂工作的施工,保護(hù)建筑的沉降數(shù)據(jù)在允許范圍內(nèi).

綜合工程技術(shù)要求、施工場(chǎng)地、周邊環(huán)境及經(jīng)濟(jì)效益等因素對(duì)方案選擇進(jìn)行的分析如下:

首先,擬采用對(duì)周邊建筑物影響較小的深層水泥土攪拌法施工,但因現(xiàn)場(chǎng)施工場(chǎng)地較小,無(wú)法滿足攪拌法施工的工藝要求.同樣,加固擾動(dòng)較小的SMW工法的施工工藝對(duì)場(chǎng)地的要求也較大,現(xiàn)有場(chǎng)地?zé)o法滿足,只能排除以上方案.

其次,兩重管旋噴注漿法加固質(zhì)量較好,但其在施工時(shí)產(chǎn)生大量泥漿且對(duì)周邊土體產(chǎn)生大量擾動(dòng),會(huì)嚴(yán)重影響到周邊道路的正常使用,對(duì)保護(hù)建筑的擾動(dòng)也過大,無(wú)法滿足施工要求.

再者,冷凍法施工,現(xiàn)場(chǎng)管線勘探顯示加固區(qū)周邊的管線過于靠近.冷凍法施工既會(huì)對(duì)該管線造成較大的影響.同時(shí)施工現(xiàn)場(chǎng)為鬧市區(qū),交通車流量較大,影響冷凍加固效果,不利于冷凍法加固施工的開展.再考慮到冷凍周期長(zhǎng)、費(fèi)用高,該方案也被排除.

最后,選用三重管旋轉(zhuǎn)噴射注漿法施工.該方案對(duì)施工場(chǎng)地要求不高,泥漿外排要求可以滿足,對(duì)周圍土體的擾動(dòng)也在可控范圍內(nèi).同時(shí)該方案的施工重點(diǎn)是以控制周邊建筑物沉降變形為主.為保障土體與端頭井盾構(gòu)進(jìn)出洞口土體加固效果,在水泥攪拌樁與地下連續(xù)墻間500 mm的空隙采用φ1 100三重管旋噴樁的補(bǔ)加固,搭接300 mm.

3 三重管旋轉(zhuǎn)噴射注漿法實(shí)施

3.1 三重管旋轉(zhuǎn)噴射注漿法施工參數(shù).

3.1.1 加固深度

高壓旋噴樁加固標(biāo)高范圍:進(jìn)洞加固段樁長(zhǎng)為17.666 m,樁徑φ1 100 mm搭接300 mm.加固深度及范圍見圖1.

3.1.2 水泥參量參數(shù)

圖1 旋噴樁施工加固剖面

高壓旋噴樁采用三重管法,水泥使用P.O 32.5級(jí)普硅水泥.加固區(qū)分為一、二兩個(gè)區(qū)域,加固區(qū)一的高壓旋噴樁水泥摻入量為450 kg/m3,加固區(qū)二的水泥摻入量為150 kg/m3.加固土體28 d單軸抗壓強(qiáng)度不得小于0.8 MPa.夾心區(qū)為水泥攪拌樁與地下連續(xù)墻間500 mm的空隙采用φ1 100三重管旋噴樁的補(bǔ)加固,搭接300 mm.高壓旋噴樁采用三重管法,水泥用P.O 32.5級(jí)普硅水泥,水泥使用前必須復(fù)檢.高壓旋噴樁水泥摻入量為450 kg/m3,加固土體28 d單軸抗壓強(qiáng)度不得小于1.0 MPa,滲透系數(shù)≤1×10-8cm/s.

表2 三重管法高壓噴射注漿施工技術(shù)參數(shù)

注：提升速度14～16 cm/min；旋轉(zhuǎn)速度10 r/min；漿液配合比

水∶水泥=1∶1；水泥摻量450 kg/m3.

3.1.3 三重管旋噴樁施工順序

旋噴樁打樁以控制保護(hù)建筑林肯公寓變形為前提進(jìn)行.首先,對(duì)端頭井靠近保護(hù)建筑的東、北側(cè)外圍旋噴樁進(jìn)行施工.其次,完成其余外圍旋噴樁,形成一個(gè)封閉的旋噴樁環(huán).按與保護(hù)建筑由近至遠(yuǎn)的順序施工,能夠有效減少對(duì)保護(hù)建筑的擾動(dòng).最后,待到外側(cè)封閉的圍旋噴樁具備一定強(qiáng)度后,開始進(jìn)行內(nèi)部旋噴樁施工工作,利用外圍旋噴樁的自身強(qiáng)度將旋噴樁施作時(shí)對(duì)周圍土體的擠壓應(yīng)力有效減少.三重管旋噴樁施工全部完成且具備施工強(qiáng)度后,在盾構(gòu)進(jìn)洞前進(jìn)行“夾心區(qū)”的水泥攪拌樁與地下連續(xù)墻間500 mm的空隙施工,以保證加固區(qū)與地下連續(xù)墻之間的充分加固.

4 結(jié) 語(yǔ)

本案例中選擇的三重管高壓旋噴方案在所有備選方案中對(duì)周邊土體的擠壓變形控制并非最小,加固質(zhì)量也并非最優(yōu)的,但受工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件所限,應(yīng)當(dāng)采用最適合工程情況的方案.而通過施工過程中的參數(shù)控制及順序調(diào)整有效保證了端頭井盾構(gòu)進(jìn)出洞口土體加固的質(zhì)量.在之后盾構(gòu)機(jī)進(jìn)洞時(shí),端頭井盾構(gòu)進(jìn)出洞口土體加固質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)要求,無(wú)涌水涌沙現(xiàn)象.通過本次的案例討論,簡(jiǎn)要探討了各類端頭井盾構(gòu)進(jìn)出洞口土體加固方式各自的優(yōu)缺點(diǎn)及適用范圍.希望通過選用匹配工程情況的端頭井盾構(gòu)進(jìn)出洞口土體加固方案,提高施工質(zhì)量,減少盾構(gòu)進(jìn)洞出洞的風(fēng)險(xiǎn).

參考文獻(xiàn):

[1] 朱洪威.客大盾構(gòu)區(qū)間端頭井加固技術(shù)必選[J].隧道機(jī)械與施工技術(shù)，2007(8):50-55.

[2] 馬洪建.SMW工法在天津地鐵建設(shè)中的應(yīng)用[J].鐵道建筑，2004，44(6):24-26.

[3] 李宏安.何滿潮.雷軍，等.液氮冷凍法在盾構(gòu)始發(fā)底層加固工程中的應(yīng)用[J].市政技術(shù)，2008，11(26):539-541.