饱水粉砂地层盾构穿越既有建筑群施工技术探讨.pdf

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饱水粉砂地层盾构穿越既有建筑群施工技术探讨1 饱水粉砂地层盾构穿越既有建筑群施工技术探讨2 饱水粉砂地层盾构穿越既有建筑群施工技术探讨3 饱水粉砂地层盾构穿越既有建筑群施工技术探讨4 饱水粉砂地层盾构穿越既有建筑群施工技术探讨5
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·隧道/地下工程· 收稿日期:2014 07 03 饱水粉砂地层盾构穿越既有建筑群 施工技术探讨 刘金山 (中国铁建大桥工程局集团有限公司 天津 300300) 摘 要 在城市地下进行盾构施工,不可避免要穿越建筑物。以苏州市轨道交通2 号线为例,通过对盾构在饱水 粉砂层以小半径曲线穿越建筑群采用的土仓压力、出土量、泡沫剂、监控数据等参数的分析和探讨,研究和总结了 苏州地铁盾构在粉砂层穿越建筑群采用的技术措施,希望对同类工程施工提供借鉴。 关键词 盾构 穿越建筑群 监控量测 饱水粉砂地层 中图分类号 U455.43 文献标识码 B 文章编号 1009 4539 (2014)10 0052 05 Approach on Construction Technology of Shield Crossing Existing Building in Saturated Silt Strata Liu Jinshan (China Railway Construction Bridge Engineering Bureau Group Co.Ltd.,Tianjin 300300,China) Abstract In the construction of underground shield tunneling,sometimes shielding will inevitably cross the buildings. Taking the Suzhou Metro Line 2 as an example,through analysis and discussion of soil pressure,the excavation volume, foams,monitoring data and other parameters used in small radius curve crossing buildings in saturated silt strata,this paper studies and summarizes the technical measures used in Suzhou Metro shield through the buildings in silt layer,hoping to provide a reference for similar projects. Key words shield;crossing buildings;monitoring and measurement;saturated silt strata 1 工程概况及重难点分析 苏州市轨道交通2 号线6 标三医院站~石路站 区间线路总体为西南走向,线路始于三医院站南 端,出站后以400 m 半径向西南延伸,侧穿汀州会 馆、新民桥,下穿山塘河,再以450 m 半径依次下穿 大片建筑群到达广济路,最后正穿上塘河广济桥, 以直线到达石路站北端头井,见图1 所示。区间隧 道纵坡呈“V”型,其中最大纵坡为25‰,最小纵坡 为3.132‰。区间隧道经过山塘河和上塘河处隧道 覆土分别为约5.7 m、7.7 m,其余位置隧道覆土厚 度8.7 ~15.0 m。在施工中盾构主要穿越③2 粉质 黏土层、④1 粉质黏土层、⑤1 粉质黏土层,局部进入 ④2 粉砂层。苏州市地处江南水网区,属长江流域 太湖水系,区内地表水系极其发育。本区间施工 重、难点主要有: 图1 三医院站~石路站区间线路走向 (1)出加固区后开始穿越建筑物。三石区间出 三医院站南端洞门始发段便处于400 m 小半径曲线 上,且盾构机出加固区后便开始穿越山塘综合管理办 52 铁道建筑技术 RAILWAY CONSTRUCTION TECHNOLOGY 2014(10) ·隧道/地下工程· 公室2 ~3 层楼房,中间没有试验段进行试掘进,对盾 构始发推进段的参数积累和优化带来了一定困难。 (2)穿越建筑物种类多。本区间隧道穿越建筑 物72 处。房屋建筑密集、基础薄弱、结构形式多样, 施工风险大,施工控制要求高。 (3)小半径穿越建筑物。区间隧道分别为半径 400 m、450 m 的曲线,隧道区间纵坡呈“V”型,其中 最大纵坡为25‰。平、纵断面两条曲线同时存在, 对盾构施工操作、同步注浆等都有着十分严格的 要求。 (4)建筑物密集,监测布点困难。区间线路基 本上沿建筑物正下方行走,建筑物分布密集,地表 和房屋监测点布置困难,地表变形值采集量大。 2 工程应对措施 2.1 推进参数设定 2.1 .1 土仓压力值P的选定 P1 值与地层土压力和静水压力相平衡,设刀盘 中心地层静水压力、土压力之和为P0,P0 =γh(γ为 土体的平均密度,h 为刀盘中心至地表的垂直距 离),则P1 =K0 P0(K0 为土的侧向静止土压力系数, 黏性土取0.6,砂性土取0.7)。穿越楼房段施工中 考虑到建筑物的重力因素,预测楼房的重力G,则楼 房增加的土仓压力P2 =K1 G(K1 为建筑物对土仓的 侧向土压力系数,经验值取0.5)。根据经验,理论 计算土压另加P3 =0.01 MPa。则盾构推进设置的 土压力为: P =P1 +P2 +P3 =K0P0 +K1 G +0.01 MPa (1) 2.1 .2 盾构掘进参数及推进出土量控制 刀盘贯入土体量不超过25 mm/r;总推力 10 000 ~13 000 kN,根据土层情况及埋深情况实时 调整;刀盘转数0.9 ~1.3 r/min;刀盘扭矩小于30% 并适时加入泡沫剂调节。 每环理论出土量=π/4 ×D2 ×L =π/4 ×6.342 ×1.2 =37.88 m3 。盾构穿越楼房段推进出土量控 制在97% ~99%之间。 2.1 .3 添加泡沫剂及推进速度 根据地质情况,应在盾构前方压注泡沫剂,以 保护刀盘,保证盾构螺旋出土机正常出土,防止土 仓土体闭塞、堵仓情况发生。在黏性土层中泡沫 注入率5%,富水砂性地层中合理的改良注入率为 8% ~15%。 要完全消除盾构法在软土层中施工引起的地 面沉降是不可能的,但为了减少对盾构通过土体区 域的扰动,在穿越建筑群时盾构机应降低速度,推 进速度控制在2 ~3 cm/min,盾构设置自动控制使 之匀速推进。 2.1 .4 盾构纠偏、管片拼装及参数优化 由于区间线路穿越建筑物段平面上处于先右转 400 m 半径曲线,再左转450 m 曲线,出加固区便进行 盾构姿态纠正,根据测量结果管片脱离盾尾后会产生 1 ~2 cm 的上浮量,因此盾构推进过程中垂直姿态控 制在设计轴线垂直方向-2 cm 位置。施工过程中姿 态调整遵循“勤测量、少纠偏”的原则进行控制,保持 盾构姿态沿曲线内弧面行走,同时做好管片的线型拟 合工作。推荐的盾构调整参数见表1。 表1 参数调整 类型土压力/MPa 掘进参数匀速推进速度/cm 出土量姿态纠偏其它 土层 黏土层加0.01 刀盘转速0.9 r/min 3 99% 适当纠偏 粉砂层减0.01 刀盘转速1.3 r/min 2 98% 少纠偏加注泡沫剂 穿越形式 正穿减0.01 推力稍小3 99% 不纠偏 侧穿加0.01 推力稍大2 98% 少纠偏 曲线穿越加0.01 减小区域推力差2 97% 环环均匀纠偏 基础形式 浅基础减0.01 推力稍大2 99% 不纠偏 桩基础加0.01 推力稍小3 98% 适当纠偏 在盾构拼装状态下,由于千斤顶的收缩,引起盾 构机的后退,在穿越楼房时,为避免盾构机后退,在盾 构机推进结束时等待10 ~15 min 之后,待周边土体 和盾构机的动摩擦力变为静摩擦力时再进行千斤顶 铁道建筑技术 RAILWAY CONSTRUCTION TECHNOLOGY 2014(10) 53 ·隧道/地下工程· 的回缩,保持开挖面的平衡压力,管片在30 min 内拼 装完成。 2.2 穿越建筑物关键问题及推进参数优化 2.2.1 姿态纠偏对地表沉降的影响及小半径曲线 推进措施 盾构在姿态纠偏过程中,当出现以下情况时, 对地表沉降会产生很大影响: (1)所用推力差异使盾构曲线行进,造成开挖 土体较大。 (2)刀盘与轴线开挖面形成夹角,形成不均匀 的超挖或欠挖,土层受到波动。 (3)由于纠偏幅度过大,或多次进行纵坡调整, 使推进轴线产生蛇形,扰动地层。 (4)管片轴线与盾构轴线不在一条线上,差异 值较大,使管片脱离盾尾的间隙不均衡。 针对以上情况,在施工中采取以下控制措施: (1)盾构穿越楼房段时,根据勘探、测量数据, 正确下达每班指令,及时跟踪调整。 (2)盾构穿越楼房时控制盾构姿态与设计轴线 偏差±30 mm 以内,并确保管片与盾尾的四周间隙。 对初始出现的小偏差应及时纠正,减少过大纠偏,以 “小纠偏、勤纠偏”为原则,严格控制盾构的纠偏量。 (3)调整盾构千斤顶进行纠偏,相对区域千斤 顶油压差应小于5 MPa,伸出长度差应小于2 cm,防 止盾构机纠偏量过大[1],防止推力对正面土体产生 不均扰动与偏向挤压。在姿态控制良好时,预计轴 线前行的可能造成的偏差量,提前对盾构姿态纠 偏,并及时调整管片与盾构的偏差,使盾构轴线与 管片轴线在一条直线或平行线上,使盾构机身与设 计线路夹角控制在0.3%以内,管片提前贴片量以1 ~2 mm 为主。对急纠偏段,对盾构机周边土体进行 改良注浆。 (4)根据正面土压力变化,严格控制出土量,减 少超、欠挖,根据地面沉降监测数据,调整刀盘转 速,控制推进速度。根据测量数据,调整各千斤顶 的顶力及总推力,根据施工中的变形监测数据,及 时调整注浆参数,对轴线进行有效地控制。 (5)管片严格居中拼装,采用低压石棉橡胶板 进行整环贴片调整,使管片受力均匀,从而使管片 处于理想状态。 (6)盾构纵坡控制措施。纵坡采用上下两组对 称千斤顶的行程差来控制。盾构纵坡用稳坡法控 制在施工中难度较大,但能减少对地层扰动,减小 对地面的沉降。 (7)盾构平面轴线控制。平面采用左右两腰对 称千斤顶行程差来控制平面位置的运动轨迹。以 测量盾构与设计轴线的相对位置为依据来设定行 程差参数。当盾构首尾位于轴线同一侧,如切口偏 离轴线的数值小于盾尾,说明盾构运动轨迹有渐近 设计轴线趋势,此时可保持盾构原有姿态推进;反 之则立即纠偏[2]。 2.2.2 盾构穿越楼房段注浆施工措施 (1)同步注浆措施。同步注浆控制主要分为注 浆量控制、注浆压力控制、浆液质量控制三个方面。 在本工程中同步注浆系统采用新推广的“准厚浆”, 并有回路清洗管路,避免浆液堵管,一旦堵管,使用 备用管路及时注浆,避免穿越楼房关键地段停机。 盾构掘进注浆采用盾尾同步注浆,每推进一环的建 筑空隙为1.656 m3 ,根据经验:穿越楼房段每环的 同步压浆量一般为建筑空隙的200% ~250%。同 步注浆与盾构掘进同步实施。根据盾构掘进速度 计算产生的间隙,调整同步注浆注入流量,再根据 注浆压力实时调整,确保同步注浆填充效果。针对 本标段穿越楼房的不同土层、穿越形式、楼房基础 类型进行了同步注浆调整,优化的调整如表2 所示。 (2)二次注浆。二次注浆采用采用水泥、水玻 璃双液浆,二次注浆于管片脱出盾尾5 环开始实施, 并于管片脱出盾尾7 环内注完。能对同步注浆起到 进一步补充和加强作用,同时也是对管片周围的地 层起到充填和加固作用。 (3)盾尾油脂压注。盾构出洞前,选用进口的 密封刷,确保在地层中推进的寿命较长,密封效果 较好;盾尾刷内充填进口手涂型优质油脂,充填饱 满,保护其密封性;选用优质盾尾油脂。盾构机要 严格按要求操作,控制好姿态和速度,防止损坏尾 刷;盾构掘进时,同步进行盾尾油脂压注。 3 施工监控分析 3.1 穿越建筑群典型房屋监测分析 三石区间对建筑物进行了实时监测,并且根据 监测数据,对区间进行补注浆措施。图2、图3 给出 了建筑物监测变化图,所有监测点均在10 mm 沉隆 54 铁道建筑技术 RAILWAY CONSTRUCTION TECHNOLOGY 2014(10) ·隧道/地下工程· 范围内。山塘综合办、松鹤楼为盾构起始端,出加 固区后即开始穿越建筑区,没有试验段,隧道埋深 逐渐增加,加上地表地物自身情况的特殊性,穿越 建筑群过程中随时调整各种参数。掌握优化参数 方法和能够根据变化作出有利于盾构控制的调整 措施就成为成功穿越建筑物的关键。 表2 不同土层、穿越形式、楼房基础同步注浆调整 类型浆液配比注浆孔位注浆压力/MPa 注浆量/m3 其它 土层 黏土层增加骨料量四孔同注0.25 3.6 控制稠度<11 粉砂层增加水泥量上两孔多注0.3 4 控制稠度<11 穿越形式 正穿增加骨料量上孔注量略大0.25 3.6 控制稠度<11 侧穿增加水泥量近楼房侧孔多注0.3 4 控制稠度<11 曲线穿越增加水泥量反曲线侧孔多注0.3 4 控制稠度<11 基础形式 浅基础增加水泥量上孔注量加大0.3 4 控制稠度<11 桩基础增加骨料量四孔同注0.25 3.6 控制稠度<11 图2 山塘综合管理办公室监测数据 图3 松鹤楼监测数据 3.2 重要参数分析 建筑群影响区间范围为1 ~349 环,分析时以1 ~349 环数据为研究对象,针对盾构穿越建筑群施 工过程中的重要参数变化进行分析。推进速度严 格按设定措施进行调整;考虑到盾构穿越的地层为 粉砂层,地下水丰富,为避免施工过程中遭遇流砂, 故必须保持较高的速度,快速通过该区域,以防止 发生事故,推进速度保持在40 ~50 mm/min;有时加 大泡沫剂注入量后会改善渣土特性,摩擦阻力减 小,盾构掘进速度会明显提高。 3.2.1 土仓压力推进数据分析 盾构推进土仓压力设定为0.16 MPa。经计算 整个推进过程土仓压力平均值为0.162 6 MPa,土仓 溢出值仅为1.625%,说明土仓设定值比较准确。 实测土仓压力曲线见图4 所示。可见第1 ~70 环, 盾构机穿过山塘众合办及松鹤楼到达山塘河驳岸 以及两侧商铺,盾构下行,完全脱离③2 粉质黏土 层,进入④1 粉质黏土层⑤1 粉质黏土层。松鹤楼4 月14 日JZ2 -1 点最大沉降为-5.24 mm,多数监测 点均有沉降,所以进行二次注浆加强对建筑物沉降 控制。第70 ~220 环土压有上下波动,地面及建筑 监测图示有明显沉降趋势,建筑物密集,沉降呈连 续性,但是二次注浆受次数及时间工艺因素影响不 能达到曲线连续只能达到趋势性连续。当土仓压 力处于超平衡状态时,地表隆起值增大,地表沉降 值减小,且沉降减小量远大于隆起增加量;就地表 沉降量而言,超土压平衡引起的地表沉降量最小。 在满足盾构前方土体不被破坏的前提下,增加土仓 压力是减小地表沉降的有效手段[3],所以,为达到 控制地表沉降的目的,也可以适当增加土压值。 3.2.2 推进推力数据分析 在盾构推进前,推进推力设定为10 000 ~ 13 000 kN。经计算整个推进过程中土仓压力平均 值为12 040 kN,以下仅对突出范围点进行分析。推 力总体上趋势性比较明显,连续性较好。1 #点为第 71 环完全进入④1 粉质黏土层、⑤1 粉质黏土层,完 铁道建筑技术 RAILWAY CONSTRUCTION TECHNOLOGY 2014(10) 55 ·隧道/地下工程· 全脱离③2 粉质黏土层,土质突然变化使得推力突 然变大,后进行微调,推力值恢复。4 月16 日山塘 河驳岸商铺监测曲线JZ5(1 ~8)沉降值均在-2 ~ 0 mm附近,控制有效。2#点139 环处为空地,推进 速度增加,导致推力增加。4 月22 日监测报表沉降 最大量为JZ8 -2,-2.99 mm。3#点为170 环到达 停车场,同样增加推进速度以尽快通过。推进速度 增加导致推力增大。 图4 实测土仓压力曲线 3.2.3 推进扭矩数据分析 盾构正常推进后扭矩逐渐变小,受土层土质影 响。盾构逐渐脱离③2 粉质黏土层进入④1 粉质黏土 层、⑤1 粉质黏土层,土层中土质含水率增加,扭矩减 小。至第157 环突然降低,土体添加泡沫剂后,扭矩 减小。为了增加扭矩的稳定性,经常性地添加泡沫, 扭矩曲线比较平稳。推进实测扭矩曲线见图5 所示。 图5 三石区间盾构穿越建筑段实测扭矩曲线 3.2.4 基于监测数据分析的盾构施工控制要点 穿越楼房群施工控制要点如下: (1)穿越无基础、浅基础楼房时,严格控制与切 口压力有关的施工参数,尽量减少土压力波动,同 时控制螺旋机的出土量和出土阀门的开启大小,发 生漏水或涌砂时关闭螺旋机阀门;降低盾构机掘进 速度,控制盾构机掘进速度尽量匀速在2 cm/min, 防止因掘进速度快而导致姿态变化量大而造成的 土体扰动加大;严格控制盾构机的姿态,将盾构机 切口和尾部的姿态变化值,控制在每环的变化量不 超过3 mm,防止盾构姿态变化大增加对土体的扰 动;及时、有效、足量地充填衬砌背后的建筑间隙, 保证浆液拌制质量和注浆量,二次加固注浆及时、 足量压注,避免后期沉降;及时、足量添加盾尾密封 油脂,防止盾构机倒退损坏盾尾密封刷[4]。 (2)盾构侧穿高层建筑物时,穿越前,对盾构 机进行全面检修,并制定好在隧道内检修的预案, 严格控制同步注浆量及注浆压力,根据注浆速度 和注浆量调整推进速度;穿越阶段应低速、匀速掘 进,尽量控制盾构机掘进速度在2 cm /min,防止因 掘进速度快导致姿态变化量大而造成的土体扰动 加大。 通过监测数据分析,土仓土压力、推进速度及 其它推进参数是影响沉降的主要因素,增加土仓压 力可以有效地减少地表沉降。在管片脱离盾尾时, 使用可硬性浆液进行同步注浆,使注入土体的浆液 能尽快固结,减缓、减少浆液在土体内的离析,控制 同步注浆浆液质量及压注量等措施,能有效地减缓 地面下沉;二次注浆使用双液浆,及时压注,及早使 管片外围的空隙立即被浆液包住,并迅速凝固,有 效地控制地面的二次下沉趋势;对部分地层,根据 地面情况反馈信息及时进行三次或多次注浆,能有 效控制地面下沉,使土体稳定。 4 结论 苏州市轨道交通2 号线6 标三医院站~石路站 区间隧道穿越大片建筑物,建筑物种类多、分布密 集、地表和房屋监测点布置困难。前面对盾构在粉 砂层穿越建筑群时所采用的技术措施进行了分析 和探讨,通过对建筑物沉降控制的监测分析表明该 区段施工处于可控状态;保证了盾构下穿既有建筑 物的成功施工,为同类工程提供可借鉴经验。 参考文献 [1] 张苏.轨道交通盾构穿越铁路施工技术[J].中国市政 工程,2008(6):81. 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