龔學(xué)權(quán) 唐 聰 陶炳權(quán)
(1.四川省冶金地質(zhì)勘查局六〇六大隊(duì),401320,成都;2.四川省鑫冶巖土工程有限公司,405200,成都;3.四川省地創(chuàng)建設(shè)工程有限公司,404300,成都//第一作者,高級(jí)工程師)
近年來,我國(guó)相關(guān)學(xué)者和工程技術(shù)人員針對(duì)砂卵石地層盾構(gòu)施工引發(fā)地表沉降及其控制技術(shù)已有不少針對(duì)性研究,并取得了一定的研究成果。文獻(xiàn)[1-2]對(duì)富水砂卵石地層盾構(gòu)施工引起的地表沉降原因進(jìn)行了分析,并提出了針對(duì)性的控制技術(shù);文獻(xiàn)[3]對(duì)砂卵石地層盾構(gòu)施工引起的地表滯后沉降進(jìn)行了細(xì)觀研究,提出砂卵石地層的特殊工程地質(zhì)性質(zhì)是滯后沉降形成的根本原因;文獻(xiàn)[4]研究了淺覆土大粒徑無水砂卵石地層盾構(gòu)施工技術(shù)。但是,關(guān)于砂卵石地層中盾構(gòu)多次下穿淺基民房區(qū)的變形控制技術(shù)還少有研究報(bào)道。本文針對(duì)成都地鐵7號(hào)線2標(biāo)盾構(gòu)隧道施工過程中,因盾構(gòu)多次穿越淺基民房片區(qū)可能引發(fā)的地面沉降和房屋坍塌問題,進(jìn)行了針對(duì)性研究并提出了相關(guān)控制措施。
成都地鐵7號(hào)線2標(biāo)段工程位于環(huán)線東北角,為府青路站—八里莊站—二仙橋站—成都理工大學(xué)站區(qū)間隧道。根據(jù)鉆探結(jié)果顯示,施工地層主要為:雜填土(Q4ml)、素填土、黏土(Q3al+pl)、細(xì)砂、粉土、泥巖(K2g)等。工程標(biāo)段區(qū)間隧道主要穿越<3-5-2>中砂、<3-6-2>粗砂、<3-8-3>卵石土層。該地區(qū)地下水主要為孔隙型潛水、基巖裂隙水(賦存在第四系砂卵石地層中),無承壓水存在。卵石土層結(jié)構(gòu)比較松散,卵石含量高,粒徑大小不均勻,局部有孤石,含水豐富,滲透系數(shù)大,透水性強(qiáng),水流交替循環(huán)強(qiáng)烈。
根據(jù)設(shè)計(jì)線路及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查,盾構(gòu)施工過程中需多次穿越眾多重要建(構(gòu))筑物,其中淺基民房達(dá)7棟。區(qū)間隧道沿線穿越的主要建(構(gòu))筑情況統(tǒng)計(jì)如表1所示。
表1 區(qū)間隧道沿線主要建(構(gòu))筑物情況
盾構(gòu)施工具有廣泛的地層適應(yīng)性、安全性及快捷性等優(yōu)點(diǎn),但因水文地質(zhì)和施工環(huán)境復(fù)雜多變,盾構(gòu)隧道開挖會(huì)不可避免地對(duì)地層產(chǎn)生擾動(dòng),最終對(duì)地面建構(gòu)(筑)物產(chǎn)生影響[5-7]。本工程區(qū)間隧道盾構(gòu)需多次正穿、側(cè)穿眾多重要建(構(gòu))筑物,復(fù)雜的周邊環(huán)境對(duì)盾構(gòu)推進(jìn)安全提出了更為嚴(yán)格的要求。在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中,如何有效地控制地表沉降,防止地面、建(構(gòu))筑物坍塌,并對(duì)技術(shù)措施和管理措施進(jìn)行總結(jié)和調(diào)整,已成為盾構(gòu)施工中需要解決的難點(diǎn)之一。
成都地鐵7號(hào)線2標(biāo)段隧道工程沿線穿越砂卵石特殊地層(夾雜有粉細(xì)砂層),地下水豐富、水位高、補(bǔ)給迅速,盾構(gòu)施工難度大,目前尚無較好的經(jīng)驗(yàn)可以借鑒,也無相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。
鑒于成都地鐵7號(hào)線2標(biāo)段八里莊站—二仙橋站區(qū)間隧道工程特點(diǎn),需要解決的難點(diǎn)是通過對(duì)盾構(gòu)施工過程中的土倉(cāng)壓力、刀盤扭矩與轉(zhuǎn)速、地表沉降等關(guān)鍵參數(shù)的分析,研究并提出適合成都砂卵石地層盾構(gòu)安全穿越建(構(gòu))筑物的掘進(jìn)關(guān)鍵技術(shù),以降低盾構(gòu)穿越建(構(gòu))筑物所產(chǎn)生的安全風(fēng)險(xiǎn),以及對(duì)刀盤刀具和螺旋輸送機(jī)的磨損,防止螺旋輸送機(jī)出現(xiàn)涌水等問題。
3.1.1 難點(diǎn)分析
由于成都砂卵石地層卵石含量大、強(qiáng)度高,且地下水滲透系數(shù)大、流動(dòng)性強(qiáng),不適用攪拌樁和旋噴樁進(jìn)行加固,故多采用袖閥管注水泥漿加固[8-10]。本文以八里莊站—二仙橋站區(qū)間高富水砂卵石地層盾構(gòu)下穿二仙橋西路5號(hào)淺基礎(chǔ)舊居民房為對(duì)象進(jìn)行分析。舊民房與盾構(gòu)隧道平面和立面關(guān)系如圖1所示。
a)平面關(guān)系示意圖
b)立面關(guān)系示意圖圖1 舊民房與盾構(gòu)隧道的相對(duì)位置關(guān)系
圖1中的7層磚混結(jié)構(gòu)建筑物位于二仙橋西路5號(hào),建成于1995年,長(zhǎng)41.5 m,寬21.0 m,建筑面積3 064.46 m2,建筑物基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式為獨(dú)立柱基。成都地鐵7號(hào)線盾構(gòu)隧道下穿該建筑物?,F(xiàn)場(chǎng)檢查過程中發(fā)現(xiàn),該房屋上部主體結(jié)構(gòu)存在一定缺陷,詳細(xì)情況如表2所示。
3.1.2 加固措施
盾構(gòu)下穿淺基民房片區(qū)過程中,為了防止房屋產(chǎn)生不均勻沉降及傾斜,經(jīng)研究決定采用隧洞內(nèi)加固為主、隧洞外加固為輔的技術(shù)措施。
表2 現(xiàn)場(chǎng)建筑結(jié)構(gòu)缺陷情況
3.1.2.1 洞外注漿
在盾構(gòu)通過建筑物前,應(yīng)與相關(guān)產(chǎn)權(quán)單位做好充分溝通。進(jìn)場(chǎng)后,先進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)管線調(diào)查,再進(jìn)行注漿孔位測(cè)量放線,進(jìn)而確定基礎(chǔ)位置及打孔角度和深度。從房屋基礎(chǔ)側(cè)斜向注漿,注漿影響范圍覆蓋二仙橋石油社區(qū)大樓基礎(chǔ)。斜向注漿具體參數(shù)要求如下: ①第1排注漿管距房屋邊線50 cm,與豎向夾角為17.5°,鉆孔深度為7.3 m,基礎(chǔ)底部4 m范圍均進(jìn)行加固; ②第2排注漿管距房屋邊線100 cm,與豎向夾角24.0°,鉆孔深度為7.3 m,基礎(chǔ)底部4 m范圍均進(jìn)行加固。對(duì)于不能采用地面注漿加固的部位,則采用隧道內(nèi)多孔注漿、加強(qiáng)型管片加強(qiáng)注漿等方式進(jìn)行加固。地面加固平面范圍如圖2所示。
圖2 地面加固平面范圍圖
袖閥管深孔注漿注意事項(xiàng):首次注漿范圍為基礎(chǔ)底部以下4 m,袖閥管水平間距d=1.5~2.0 m布置,遇到地下管線干擾時(shí)可適當(dāng)加大。沿建筑物兩側(cè)布置兩排,排間距D=0.5 m,袖閥注漿管與水平面傾角按建筑物基礎(chǔ)與隧道間關(guān)系靈活布設(shè),向建筑物斜下方打設(shè)。漿液的水灰比1∶1,注漿壓力0.3~0.5 MPa,注漿速度30~40 L/min,注漿次數(shù)2~3次,反復(fù)注漿,采用少量多次的注漿方式進(jìn)行注漿加固。注漿結(jié)束后清洗管路,保留注漿口,留待盾構(gòu)通過時(shí)再次注漿。本次盾構(gòu)穿越二仙橋石油社區(qū)共成功打設(shè)148個(gè)孔,基礎(chǔ)加固注漿共506 t,給盾構(gòu)安全順利下穿二仙橋石油社區(qū)提供了有效的保障措施。
3.1.2.2 隧道洞內(nèi)注漿
盾構(gòu)在富水砂卵石地層中下穿淺基民房的洞內(nèi)注漿包括盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)的同步注漿及盾構(gòu)穿越后的二次深孔注漿[11-12]。
(1)同步注漿: ①最佳注漿壓力為320~420 kPa,實(shí)際盾構(gòu)注漿壓力約為0.3~0.4 MPa;②富水砂卵石地層中,注漿量一般每環(huán)為6~8 m3; ③采用“納米改性塑性轉(zhuǎn)向劑”優(yōu)化同步注漿漿液。根據(jù)本工程盾構(gòu)隧道砂卵石地層特點(diǎn),對(duì)同步注漿漿液性能進(jìn)行改良優(yōu)化,在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工中達(dá)到了很好的應(yīng)用效果。注漿液的主要配比參數(shù)如表3所示,配比稠度為(12±1)%,初凝時(shí)間為6~8 h。優(yōu)化后的同步注漿漿液性能得到較大提升,主要體現(xiàn)為:高密度、充填性良好;體積收縮率低;漿液不分層、不離析;良好的固性,不易流失;良好的流動(dòng)性。
表3 優(yōu)化后盾構(gòu)推進(jìn)同步注漿材料及配比
(2)二次深孔注漿需要從以下3個(gè)方面進(jìn)行控制: ①注漿管加工采用φ32 mm×3.5 mm的鋼花管,長(zhǎng)度不小于2.0 m(其長(zhǎng)度根據(jù)實(shí)際情況而定),鋼花管設(shè)φ4 mm泄?jié){孔,孔間距10~15 cm,呈梅花形布置的溢漿孔; ②鉆孔采用隧道頂部開直孔,開孔位置避開封頂塊和拼接縫,在鄰接塊吊裝孔位置每環(huán)管片開一個(gè)孔,兩孔之間距離不得小于3 m,孔內(nèi)插入φ32 mm的鋼花管; ③鋼花管與二次注漿設(shè)備連接,采用雙液漿進(jìn)行注漿,隧道內(nèi)采用二次深孔注漿,對(duì)隧道上方房屋一定范圍內(nèi)的地層進(jìn)行壓密注漿加固。
3.2.1 掘進(jìn)參數(shù)取值
3.2.1.1 土壓力參數(shù)
通過前期100 m試掘進(jìn),在確保地面建筑物安全的條件下,適當(dāng)調(diào)高土倉(cāng)壓力,最后確定下穿建(構(gòu))筑物過程中的土倉(cāng)壓力參考值為: ①盾構(gòu)始發(fā)段100 m(隧道埋深約10.0~11.5 m,卵石土層),參考土倉(cāng)壓力值為0.08~0.10 MPa;②二仙橋石油社區(qū)(隧道埋深約11.5~13.0 m,卵石土層),參考土倉(cāng)壓力值為0.10~0.11 MPa。
3.2.1.2 刀盤轉(zhuǎn)速、推進(jìn)速度及推力
保持盾構(gòu)土倉(cāng)壓力相對(duì)平衡情況下進(jìn)行盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)的選取與動(dòng)態(tài)調(diào)整。為減小盾構(gòu)下穿期間的房屋變形,建立了試掘進(jìn)參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù),并對(duì)參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和優(yōu)化。盾構(gòu)下穿二仙橋石油社區(qū)時(shí)采用的試掘進(jìn)參數(shù)設(shè)置如下:盾構(gòu)掘進(jìn)速度40 mm/min左右,盾構(gòu)總推力控制在16 000~18 000 kN,刀盤轉(zhuǎn)速控制在1.2~1.3 r/min,扭矩控制在4 000 kN·m以下。
3.2.1.3 同步注漿和二次注漿
同步注漿與二次注漿是減少與防止因隧道掘進(jìn)而引起地表沉降的關(guān)鍵措施。
(1)同步注漿。砂卵石由于地下水豐富,存在流動(dòng)性,管片拱頂漿液難以填充密實(shí),且注漿管道極易造成漿液堵塞現(xiàn)象。為確保管片注漿的飽滿,在進(jìn)行盾構(gòu)掘進(jìn)設(shè)計(jì)時(shí),對(duì)盾構(gòu)同步注漿系統(tǒng)在原成都地鐵盾構(gòu)注漿管路的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化前后對(duì)比情況如圖3所示。由于漿液是從盾尾4個(gè)注漿孔注入地層,因此上部注漿孔壓力比下部約小0.05 MPa。根據(jù)地質(zhì)及隧道埋深情況確定的同步注漿壓力為0.3~0.4 MPa,每環(huán)同步注漿量為6~8 m3。為確保安全,盾構(gòu)穿越二仙橋石油社區(qū)建筑物基礎(chǔ)時(shí)實(shí)際注漿量均大于6 m3,對(duì)于注漿壓力未達(dá)到設(shè)定值的區(qū)段,進(jìn)行二次補(bǔ)充注漿。
(2)二次注漿。二次注漿在盾構(gòu)脫出4~6環(huán)后即開始實(shí)施,對(duì)房屋基礎(chǔ)下部隧頂120°范圍內(nèi)的土體進(jìn)行注漿加固。
3.2.2 實(shí)際掘進(jìn)參數(shù)控制
以八里莊站—二仙橋站區(qū)間隧道右線掘進(jìn)100 m為研究對(duì)象,對(duì)盾構(gòu)施工的各項(xiàng)主要技術(shù)參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析,為富水砂卵石層盾構(gòu)施工提供參考依據(jù)。
a)優(yōu)化前(4孔注漿4孔備用)
b)優(yōu)化后(4孔注漿6孔備用)圖3 優(yōu)化前后盾構(gòu)同步注漿管布置圖
(1)土壓力參數(shù)選擇與控制:盾構(gòu)下穿淺基礎(chǔ)舊民房區(qū)時(shí),盾構(gòu)司機(jī)手動(dòng)進(jìn)行土壓控制,使土倉(cāng)壓力保持在1.0~1.1 MPa。
(2)推進(jìn)速度、推力及刀盤等參數(shù)控制:盾構(gòu)下穿淺基礎(chǔ)舊民房區(qū)時(shí),保持均速通過,掘進(jìn)速度40 mm/min,刀盤轉(zhuǎn)速1.2~1.3 r/min。穿越過程中需減少刀盤左右旋轉(zhuǎn)調(diào)整次數(shù),且刀盤扭矩需控制在4 000 kN·m以下,總推力控制在16 000~18 000 kN。
(3)出土量控制:盾構(gòu)下穿淺基礎(chǔ)舊民房區(qū)時(shí),采用出土量和出土質(zhì)量雙控措施,把出土量始終控制在56 m3,出土質(zhì)量控制在101 t,以確保地層穩(wěn)定。
(4)管片加強(qiáng):根據(jù)設(shè)計(jì)要求,盾構(gòu)下穿淺基礎(chǔ)舊民房區(qū)時(shí),采用增設(shè)注漿孔的加強(qiáng)型管片。在提高隧道襯砌承載力的同時(shí),便于隧道內(nèi)進(jìn)行加密二次注漿。
(5)同步注漿和二次注漿:同步注漿漿液采用改良后的漿液,該注漿漿液在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工中體現(xiàn)出很好的效果,可確保地層穩(wěn)定。在管片頂部120°范圍內(nèi)進(jìn)行加密注漿,雙液漿凝結(jié)時(shí)間控制在60 s左右,對(duì)管片外圍進(jìn)行封堵,確保注漿效果。
根據(jù)成都地區(qū)以往工程實(shí)例,由于砂卵石具有黏聚力小、摩擦角大的特點(diǎn),在盾構(gòu)穿越后易形成拱效應(yīng),因此在盾構(gòu)穿越后需及時(shí)進(jìn)行二次補(bǔ)償注漿。本工程所有危險(xiǎn)源均處于隧道穿越全斷面或上半斷面卵石層后,所以為有效防止后期沉降,需盡快使擾動(dòng)的土體固結(jié)。除二次注漿外,還需在隧道內(nèi)通過管片吊裝孔及增設(shè)注漿孔進(jìn)行二次深孔注漿。注漿區(qū)域位于隧道穿越建(構(gòu))筑物前后3個(gè)環(huán)范圍內(nèi)。二次深孔注漿采用φ32 mm×3.5 mm的鋼花管,打入隧道壁的長(zhǎng)度不小于2 m(可根據(jù)實(shí)際情況而定)。
對(duì)增設(shè)注漿孔的加強(qiáng)型管片進(jìn)行加密注漿,尤其是盾尾后4環(huán)處應(yīng)及時(shí)進(jìn)行二次注漿,漿液配比為:水∶水泥∶水玻璃=1∶1∶0.3,試驗(yàn)?zāi)Y(jié)速度為60 s,注漿壓力為0.3~0.5 MPa。
盾構(gòu)推進(jìn)至淺基民房時(shí),在加大同步注漿的同時(shí)需對(duì)盾尾進(jìn)行分階段二次注漿封閉。
(1)盾構(gòu)穿越前的掘進(jìn)通道封閉。在盾構(gòu)刀盤即將下穿老舊居民區(qū)時(shí),扣除盾構(gòu)身長(zhǎng)度(9 m),在盾尾后20環(huán)采用單液漿先進(jìn)行全環(huán)封閉,水泥漿液水灰比為1∶1,注入量為每環(huán)2~3 m3,隔3環(huán)注1環(huán),以確保盾構(gòu)掘進(jìn)段后漿液損失的補(bǔ)充。
(2)盾構(gòu)穿越期間保持土層穩(wěn)定。對(duì)加強(qiáng)型管片進(jìn)行加密注漿(參數(shù)同上),注入量為每環(huán)2 m3,隔1~2環(huán)注1環(huán)。雙液漿具有凝結(jié)快的特點(diǎn),可及時(shí)穩(wěn)定盾尾管片,確保地層穩(wěn)定。
(3)補(bǔ)充注漿。在盾尾通過后15環(huán)及居民樓基礎(chǔ)范圍內(nèi),在臺(tái)車上用單液漿再進(jìn)行二次補(bǔ)充注漿,水泥漿液水灰比為1∶1,注入量為每環(huán)2~3 m3,隔3環(huán)注1環(huán),以確保居民樓基礎(chǔ)下方漿液飽滿。
工程實(shí)踐證明,通過采用分階段注漿措施,可有效控制地表沉降,確保了地面建(構(gòu))筑物的安全。
(1) 建筑物的安全控制標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)設(shè)計(jì)及規(guī)范要求,二仙橋石油社區(qū)建筑物獨(dú)立柱基礎(chǔ)的沉降控制值要求在15 mm范圍內(nèi)。
(2) 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果分析。盾構(gòu)隧道右線在下穿二仙橋石油社區(qū)建筑物基礎(chǔ)前,在建筑物上布設(shè)相應(yīng)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位,其對(duì)應(yīng)盾構(gòu)隧道管片環(huán)號(hào)為70~120環(huán)。
對(duì)建筑物沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)在盾構(gòu)穿越前后的沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,沉降時(shí)態(tài)曲線如圖4所示。
a)監(jiān)測(cè)點(diǎn)JZ6-31—JZ6-42沉降曲線
b)監(jiān)測(cè)點(diǎn)JZ7-43—JZ7-54沉降曲線圖4 建筑物沉降時(shí)態(tài)曲線
由圖4可以看出:采取相應(yīng)控制措施后,盾構(gòu)穿越對(duì)舊居民房沉降影響很小,其中監(jiān)測(cè)點(diǎn)JZ7-54沉降值最大(-2.2 mm),盾構(gòu)穿越后基本穩(wěn)定在2 mm左右,均在控制目標(biāo)范圍內(nèi)。
由成都地鐵7號(hào)線2標(biāo)段盾構(gòu)施工實(shí)際情況可知,通過采取相應(yīng)的工程技術(shù)措施可有效減小盾構(gòu)施工對(duì)淺基建筑物的影響。針對(duì)今后類似盾構(gòu)隧道工程,提出以下建議。
(1)對(duì)掘進(jìn)后期可能存在的地下空洞應(yīng)及時(shí)開展探索、預(yù)防和補(bǔ)償注漿措施研究。施工中應(yīng)加強(qiáng)掘進(jìn)出土的監(jiān)測(cè)和信息化施工管理,及時(shí)根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)探查因出土量和土壓不同帶來的地下空洞,并根據(jù)探查結(jié)果采取適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償措施。
(2)同一平面上,沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置在建筑物上比設(shè)置在地面上效果要好很多,不僅能反映現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的真實(shí)性,而且有利于對(duì)建筑物的沉降作進(jìn)一步的分析。
(3)對(duì)建筑物的變形量數(shù)據(jù)應(yīng)進(jìn)行匯總和統(tǒng)計(jì)分析,以便準(zhǔn)確掌握盾構(gòu)穿越前后建筑物的變形情況,為后續(xù)施工提供參考依據(jù)。