潘璐
(中交隧道工程局有限公司,南京210000)
盾構(gòu)法施工對(duì)我國建筑行業(yè)起到了良好的推動(dòng)作用,能有效提升施工質(zhì)量與效率。但是,盾構(gòu)機(jī)在軟弱地層中下穿建構(gòu)筑物施工時(shí),沉降控制仍存在一定的難度,為避免引起地面沉降與塌方現(xiàn)象,造成地下管線破裂與房屋開裂等不利影響,本文針對(duì)軟弱地質(zhì)條件下土壓盾構(gòu)下穿建構(gòu)筑物施工技術(shù)措施進(jìn)行研究。
紫~五區(qū)間隧道覆土厚度為8.95~14.10m,線路縱斷面呈V 形坡,區(qū)間穿越地層主要為②4-4 淤泥夾砂和②4-5 淤泥質(zhì)粉細(xì)砂層,局部位于②4-3 淤泥中細(xì)砂交互層和②5(含泥)中細(xì)砂層上。該區(qū)域水位變化主要受天氣影響,地表水與承壓水豐富,歷史最高地下水位標(biāo)高為7.50m。地表兩側(cè)主要為市場、居民住房、公司辦公樓等。在道路兩側(cè)存在眾多雨水、污水、電力、煤氣等地下管線。周邊建筑物部分位于隧道正上方,部分與隧道邊線水平距離僅有0.5~15.0m。
選用海瑞克土壓平衡盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行掘進(jìn)作業(yè),盾構(gòu)機(jī)刀盤直徑6 480mm,刀具配置以撕裂刀為主,刀盤開口率38%,主驅(qū)動(dòng)額定功率950kW,額定扭矩為6 220kN·m,配備2 臺(tái)同步注漿泵。針對(duì)刀盤前方土體改良,配置有6 個(gè)泡沫管路,并采用單管單泵設(shè)計(jì)。
由于盾構(gòu)下穿段地層較為薄弱,粉砂層分布普遍,區(qū)間施工容易誘發(fā)地面沉降和塌陷、飽和砂土液化等地質(zhì)災(zāi)害。因此,在針對(duì)該項(xiàng)目開展盾構(gòu)施工時(shí),首先對(duì)地質(zhì)條件進(jìn)行評(píng)級(jí),提前采用理論方式進(jìn)行計(jì)算,制訂合理、切實(shí)可行的施工方案,通過試掘進(jìn)形成具體完善的安全技術(shù)措施,從而對(duì)現(xiàn)場施工安全提供保障[1]。
施工中密切關(guān)注施工區(qū)域周圍的水文情況,對(duì)地質(zhì)條件與地表建構(gòu)筑物進(jìn)行測定與確認(rèn),使操作人員準(zhǔn)確掌握施工特點(diǎn),并采取必要的施工措施避免上述地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。例如,采用地基處理增加土層強(qiáng)度;采用注漿密實(shí)處理進(jìn)行抗液化;改良盾構(gòu)機(jī)周邊土體等方法。重點(diǎn)加強(qiáng)施工中監(jiān)控量測,優(yōu)化盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)。通過試掘進(jìn)段參數(shù)總結(jié)分析,進(jìn)一步在穿越段加強(qiáng)控制措施,從而確保盾構(gòu)順利下穿建構(gòu)筑物[2]。
施工前,應(yīng)先確定以下參數(shù):
1)土倉壓力。盾構(gòu)掘進(jìn)過程中應(yīng)根據(jù)靜止土壓力的變化及時(shí)進(jìn)行調(diào)整,使土倉壓力始終保持在靜止土壓力與被動(dòng)土壓力之間。以該項(xiàng)目為例,依據(jù)地勘報(bào)告中最小覆土厚度土層物理力學(xué)參數(shù),由靜止土壓力計(jì)算公式得出:
式中,γ為天然重度,kN/m3;h為分層厚度,m;ki為靜止側(cè)壓力系數(shù)。
下穿時(shí)被動(dòng)土壓力:
式中,c為土體黏聚力;kp為被動(dòng)土壓力系數(shù)。
因此,根據(jù)埋深,土倉壓力設(shè)定值為0.16~0.30MPa,并根據(jù)刀盤處地表監(jiān)測結(jié)果調(diào)整上限值,調(diào)整原則為不發(fā)生沉降且隆起值不超過5mm。土壓保持恒定,變化不超過±0.01MPa。正常停機(jī)時(shí),通過油缸前頂進(jìn)行保壓,不低于0.18MPa。
2)總推力:900~1 800t。
3)刀盤扭矩:1 800~2 400kN·m。
4)刀盤轉(zhuǎn)速:1.0~1.2rad/min。
5)盾構(gòu)姿態(tài):水平控制在±30mm、垂直-20~-50mm,趨勢≤±4mm。嚴(yán)格控制盾構(gòu)機(jī)的糾偏量,最大限度減少糾偏頻率。
6)推進(jìn)速度:30~45mm/min,允許浮動(dòng)±5mm,盡量減少停機(jī)時(shí)間,加快拼裝速度。
7)出渣量:39~40m3,對(duì)每環(huán)渣土進(jìn)行渣樣分析(含泥量、含沙量),將測出的數(shù)據(jù)進(jìn)行反饋,以便及時(shí)調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)。
采用水泥砂漿作為同步注漿材料,該種漿液可泵性好,有結(jié)石體強(qiáng)度高、耐久性好的特點(diǎn),能有效減少成形管片上浮和地面后期沉降。漿液配比如表1 所示。
表1 同步注漿系統(tǒng)水泥砂漿材料配比情況kg
膠凝時(shí)間:一般為3~8h,對(duì)于需要漿液具備較高早期強(qiáng)度的地段,可通過現(xiàn)場試驗(yàn)進(jìn)一步調(diào)整配比或加入早強(qiáng)劑,縮短膠凝時(shí)間。
固結(jié)體強(qiáng)度:不小于0.2MPa/d,28d 不小于1.0MPa。
漿液結(jié)石率:>95%,即固結(jié)收縮率<5%。
漿液稠度:8~12cm。
式中,V為注漿量,m3;L為管片長度,m;D1為開挖直徑,m;D2為管片外徑,m;λ為注漿率。
在盾構(gòu)掘進(jìn)中,通過控制注漿壓力和注漿量確定注漿效果,注漿壓力最大不超過0.3~0.4MPa。分析注漿泵泵送能力與掘進(jìn)速度的關(guān)系,要做到掘進(jìn)與注漿同步,并結(jié)合管片姿態(tài)與地表周邊建筑物監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)注漿效果,反饋指導(dǎo)下次注漿。
盾構(gòu)下穿建筑物施工中,采取跟進(jìn)注漿的方法進(jìn)行二次補(bǔ)充注漿,將二次注漿設(shè)備前移至控制室車架前的通道平臺(tái)上,在管片脫出盾尾5~10 環(huán)后,向管片壁后注入單液漿,使管片壁后填充保護(hù)層迅速強(qiáng)化,補(bǔ)充地層開挖損失并承載壓力。漿液采用普通硅酸鹽42.5R 純水泥漿,水灰比為0.6~1,初凝時(shí)間為1~2h,注漿速率不大于20L/min。注漿壓力設(shè)定為外界水壓0.3~0.7MPa。
根據(jù)沉降數(shù)據(jù)變化速率與大小,也可對(duì)管片壁后注入雙液漿,根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)得到多組不同凝固時(shí)間的試驗(yàn)配比,可視情況選用:(1)水灰比1∶1,水玻璃溶液密度30°Bè,水玻璃:水泥漿1∶1,凝結(jié)時(shí)間24s;(2)水灰比2∶1,水玻璃溶液密度25°Bè,水玻璃:水泥漿1∶2,凝結(jié)時(shí)間47s;(3)水灰比1.5∶1,水玻璃溶液密度25°Bè,水玻璃:水泥漿1∶1,凝結(jié)時(shí)間45s。每環(huán)均注,注入量為1m3,壓力不超過0.3MPa,若沉降未得到有效控制,則加大注入量。壓注過程中需密切關(guān)注管片變形情況和地表監(jiān)測數(shù)據(jù),并做好相關(guān)數(shù)據(jù)記錄。原則為多點(diǎn)少量,不可在一個(gè)孔內(nèi)持續(xù)壓漿。
添加膨潤土、泡沫等添加劑具有隔水、降低扭矩、增加開挖面穩(wěn)定和確保土壓平衡的優(yōu)點(diǎn),使土體改良后具有和易性好、高黏性、低滲透性。泡沫原液比例宜控制在約3%。當(dāng)盾構(gòu)機(jī)處于富水含砂地層中施工時(shí),加入優(yōu)質(zhì)鈉級(jí)膨潤土,膨化后可以達(dá)到改良土體,保護(hù)刀盤、增加開挖面的隔水效果,同時(shí)更容易建立土壓平衡。
使用“克泥效”,通過盾構(gòu)機(jī)的中盾徑向孔或超前注漿孔注入,可有效填充推進(jìn)過程中盾體上方的間隙,對(duì)刀盤周邊土體有改良作用。使用材料及配合比為:
A 液(kg/m3)為:克泥效∶水=350∶865,A∶B=20∶1(體積比),
其中,B 液為40°Bè 水玻璃原液,每環(huán)土體空隙:(刀盤半徑的平方—盾體半徑的平方)×3.14×1.2=0.487m3,每環(huán)使用量0.6m3/0.9m3,注入壓力0.6~1.1MPa,注入率:123%/185%。
盾構(gòu)機(jī)穿越建筑物前,選擇合理的地質(zhì)區(qū)域?qū)Χ軜?gòu)設(shè)備全面維修保養(yǎng)。避免設(shè)備“帶病”作業(yè),做好備品備件工作,為盾構(gòu)機(jī)穿越建筑物做好前提保障。
地面監(jiān)測頻率控制在每6h 一次,當(dāng)數(shù)據(jù)異常,如單次數(shù)據(jù)變化超過2mm 或累計(jì)超過8mm 時(shí),加密監(jiān)測,及時(shí)調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)并采取相應(yīng)措施。
在構(gòu)建筑物上安裝液壓式靜力水準(zhǔn)儀和傾角傳感器,分辨率0.01mm,通過網(wǎng)絡(luò)接入,可24h 動(dòng)態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測,實(shí)時(shí)計(jì)算建筑物變形數(shù)據(jù),便于快速采取響應(yīng)措施。
數(shù)據(jù)收集分析,經(jīng)過對(duì)建筑物監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)總結(jié)對(duì)比,在試掘進(jìn)段,地表累計(jì)沉降量可控制在2cm 以內(nèi)。下穿建構(gòu)筑物施工中,對(duì)推進(jìn)參數(shù)加以優(yōu)化,并配合輔助措施,地表累計(jì)沉降量可控制在1cm 以內(nèi),建構(gòu)筑物累計(jì)沉降量均在2mm 內(nèi),且后期變化趨于穩(wěn)定。
通過監(jiān)測數(shù)據(jù)的反饋結(jié)果看出,在軟弱地層中穿越建筑物時(shí),采取以上參數(shù)和措施方法是合理的??傊軜?gòu)機(jī)在穿越建構(gòu)筑物時(shí)需充分考慮周邊土體與水位情況,研究地質(zhì)特點(diǎn),并根據(jù)現(xiàn)場施工需求制定科學(xué)合理、切實(shí)可行的方案措施與掘進(jìn)計(jì)劃,從而為工程整體質(zhì)量與安全做出保證。