浅覆土河床地段盾构施工工法

浅覆土河床地段盾构施工工法中铁四局集团有限公司GZSJGF04-10-30一、前言在盾构法隧道施工中，由于隧道线路走向的限制，会遇到穿越河道或湖底，而隧道顶到河底或湖底，而隧道顶到河底或湖底的距离很近，大大小于盾构机直径，也就是浅覆土。盾构机在浅覆土层掘进时，一方面，造成极限最小与最大土压力之间变化范围较小，使得开挖面支护压力不易控制；另一方面，由于衬砌受到周围地下水和盾尾注浆浆液的浮力作用，当管片上部土压力与管片自重无法抵抗管片浮力时，就会出现隧道管片上浮，同时会引发工程事故。天津地铁2号线工程曹庄站延安西路站区间隧道工程，区间隧道工程需穿越外环河后进入曹庄站盾构井接收，最小覆土仅为3.818m,小于盾构直径6.340m,因此，我们对浅覆土过河段的土体进行加固，有效防止处于饱和含水土层中发生涌水突沉引起上方沉陷产生涌水裂隙，避免了大量河水由盾尾或开挖面的缺陷处涌入而淹没隧道等引发的工程事故，经过工程实践，形成本工法。二、工法特点 制定合理外环河土体加固方案，确定搅拌桩施工参数，并增设导流管，确保河水畅通。 通过监测数据合理制定盾构掘进土压、速度、注浆量等施工参数，并确保管片拼装与盾尾密封符合设计规范要求。 能有效的防治因为盾构挤压导致前方土体隆起过多，盾构处于饱和含水层中发生涌水突沉引起上方沉陷，产生涌水裂隙，致使大量河水由盾尾或开挖面的缺陷处涌入而淹没隧道。三、适用范围本工法适用于浅覆土河床的盾构施工。四、工艺原理盾构穿越浅覆土河流时，克服隧道管片上浮比较困难，过程控制与调整尤为重要；增设抗浮板、导流管、河床回填、优化盾构掘进参数等措施，保证土压平衡盾构机在掘进浅覆土过河段时可以建立土压平衡，并且不发生喷涌现象，在通过盾尾同步注浆系统向管片壁厚注浆从而保持地表稳定。 五、工艺流程及操作要点（一）工艺流程 见图1图 1 工艺流程图（二） 操作要点设置围堰、抽水在盾构穿越浅覆土河床时，首先设置围堰，围堰大小根据盾构区间线间距有直接关系，设置围堰区域为区间隧道边缘向外延伸不低于1倍的隧道底部埋深的距离，围堰沿河流横断面布置，两围堰宽度为区间隧道边缘需要分别向外延伸，约3.54倍的宽度，放坡1：1截流。围堰顶面宽5m，底面宽度为河底宽度、高度为高出河面约1.5m，围堰用粘土直接堆填并碾压。围堰筑好后，进行抽水，清淤。如图2 围堰纵断面、 图3 围堰横断面图。 图2 围堰纵断面图 图3 围堰平面图 土体加固详细了解地质勘查报告，了解土层结构，了解周围环境，做好相关准备工作，并制定相应的施工方案，确保地基加固工作顺利进行，以免影响总工期。盾构施工中，常用的土体加固方法为冻结法加固、高压旋喷桩加固、静态分层注浆加固、深沉搅拌桩加固等方法，选择原则主要是在确保安全情况下选择经济而有效的加固方法，本工法选用深层搅拌桩作为加固方法，相比其他加固方法更加经济有效。搅拌桩加固原则为盾构法隧道外上下3m、左右3m，以便增加土体的整体性，确保加固后的土体强度不得小于0.8MPa,抗渗系数小于110-8cm/s。如图4 搅拌桩加固示意图及图5 搅拌桩施工工艺流程。图4 搅拌桩加固示意图 图5 搅拌桩加固示意图 抗浮板、导流管、河床回填施工 、抗浮板待搅拌桩加固完成后将原河底向下开挖400600mm，根据具体情况而定，其标高满足在进行垫层与混凝土浇筑后与原河床标高齐平，而后浇筑100mm厚的垫层，垫层材料为素混凝土，标号C10。垫层宽度为河流宽度，垫层的长度为围堰区域内的长度，垫层上方施工钢筋混凝土底板，钢筋采用直径14mm螺纹钢，单层，间距为0.2m0.2m。混凝土标号C30S10，厚度200300mm,这样保证了混凝土面与原河底面标高齐平，从而确保河道恢复后河底标高保持不变。、导流管 混凝土抗渗抗浮板强度达到80%后，沿河流方向放置承插混凝土管，管涵长度为2倍的隧道中心间距，管涵下方使用碎石作垫层，混凝土管的大小与数量根据河水流量以及流速确定，如河水上方或下方附近有桥梁，则管道与桥孔须对齐。管涵断面见图6：图6 导流管布置断面图 、河床回填导流管设施完毕后。填筑过程中必须随时进行分层（400mm）填筑且碾压，压实度须达到86%以上。粘土填充高度根据原覆土厚度与盾构机直径有关，回填覆土的厚度与原覆土的厚度相加后必须大于1倍的盾构直径，才符合盾构安全施工要求，最终效果如图7所示：图7 河床覆土最终断面效果图上述工作完成后，拆除既有围堰，恢复河水流通。 盾构掘进施工、土仓压力的设定与控制土压平衡盾构机工作原理即，将正面土体切削下来进入刀盘后面的密封舱内，并使舱内具有适当压力与开挖面水土平衡，以减少盾构推进对地层土体的扰动，从而掘进施工中维持地表的稳定。在盾构穿越加固区中，严格控制土仓压力，对控制地表沉降是至关重要的。土仓压力理论值计算步骤如下：由于在浅埋段中掘进施工，计算该类土层水土压力时采用水土分算的原则计算。通常按照郎金主动压力和被动土压力计算。主动土压力 式中：Z地层厚度； i 计算土层的重度 ；i 计算土层的内摩擦角。 式中： K0 侧向压力系数被动土压力 水压力 式中： q-根据土的渗透系数确定的一个经验数值，砂土中q=0.81.0, q=黏性土中0.30.5 H-隧道埋深；s 水的重度。土仓压力理论取值范围即为： 为了便于提高施工速度，一般土仓压力理论取值1.2倍主动土压力即可。在施工前根据地层变化一般每5环计算一个理论土仓压力值作为备用。、同步注浆及二次注浆 由于管片外径小于开挖直径，当管片拖出盾壳后，必须及时在管片壁厚填充砂浆，以控制地表沉降及管片变形、沉降。同步注浆压力及注入量理论计算步骤如下。根据管片外径与刀盘开挖直径的间隙V计算出理论注浆量Q，淤泥层一般理论注浆量为理论间隙的180%240%倍。 式中： D刀盘最大开挖直径； d管片外径 V盾构施工引起的间隙 L每环管片长度 注浆率（天津地层一般取1.52.0） 以6.340盾构机、管片外径6.2m、长度为1.2m的管片为例，通过计算=1.65m3 ，则实际施工过程中，同步注浆量为3-3.4m3, 并根据实际情况与地面的构筑物布置情况进行改正。 针对管片渗漏水、隧道沉降、地面沉降，对其进行二次补浆；注入位置满足距盾尾大于10m,以防止地层中的泥水和衬砌外围的浆液从盾尾间隙挤入盾尾，损坏盾尾钢丝刷，尤其是穿越浅覆土河床地段，二次注浆尤为重要。注双液浆时，先注入纯水泥浆液1min后，打开水玻璃阀进行混合注入，终孔时应加大水玻璃的浓度。在一个孔注浆完结后等待510分钟将该注浆头打开疏通查看注入效果，如果水很大，应再次注入直至有较少水流出时即可终止。双液浆注浆压力控制在0.30.5MPa。刀盘转速控制 刀盘转速需要与地层地质相配合，在浅覆土粉质粘土土层中，一般选取1.01.5rpm。 劳动力组织安排表1 劳动力组织安排（每班）序号工种人数职责备注1技术、测量人员1技术控制、沉降、导线监测所有施工2班长1负责工班的人工组织与协调盾构施工3盾构司机2盾构的操作与工作状态记录盾构施工4地面工人7浆液配置、吊机司机、管片吊装盾构施工5井下工人7同步注浆、管片拼装、机车司机、调车员盾构施工6电工1洞内照明、电路、电器维护盾构施工7维修工1设备故障与排查盾构施工8机长1负责搅拌桩施工与工作状态记录土体加固9拌浆3负责浆液拌制、零工土体加固10班长1负责全面协调围堰、抗浮板、导流管、回填11普通15司机、钢筋工、普工合计40六、材料设备本工法无需特别书说明的材料，主要机具设备表见表2表2 主要机具设备表序号机械设备名称型号规格单位数量备注1挖掘机EX200台1 土方开挖2土方车20m3辆5 泥土运输3水泵40m3/h台4 排水4深层搅拌机SJB-台2 搅拌桩5汽车吊25t辆1 进行吊装6全站仪莱卡台1测量7水准仪DS3台1测量8盾构机小松6340台2盾构施工9盾构施工配套设备套2盾构施工10 龙门吊32t台2垂直运输七、质量控制 （一）质量控制标准地下工程防水技术规范（GB50108-2001）、盾构法隧道施工与验收规范（GB50446-2008）及其他有关规定。 （二）质量保证措施 搅拌桩施工中，确保施工严格按照交底进行，施工后取芯满足地层加固要求。 盾构推进过程中，加强对轴线的控制，推进时做到勤测勤纠，而每次的纠偏量应尽量小，确保管片环面始终处于曲线半径的径向竖直面内。 盾构在河床段推进，管片拼装时加强螺栓的复紧，加强管片间的相互约束，可以有效控制隧道上浮。 在盾构掘进过程中须不定时的进行集中润滑油脂的压注，避免造成的轴承和其他设备的损坏，影响盾构推进施工。同时做好盾尾油脂的压注工作，确保施工中盾尾与管片的间隙内充满盾尾油脂。 按制定的监控量测方案进行严密监测，并根据地面沉降及隧道变形，及时调整掘进参数和注浆量，如还不能满足，则采用二次注双液浆。注浆过程中严格控制浆液质量及注浆量和注浆压力。 每环推进过程中，严格控制平衡土压力，使切口正面土体保持稳定状态，以减少对土体的扰动。采取信息反馈的施工方法在盾构推进工程中进行跟踪沉降观测，并及时反馈沉降数据，为调整下阶段的施工参数提供依据。八、安全措施 施工前组织有关施工人员熟悉方案以及进行技术交底、安全交底。 在推进过程中，优化施工参数，严格控制隧道轴线，加强监控量测的密度和强度，以减少地表隆沉和隧道的变形，确保盾构施工安全。 实行三级教育，加强岗前、工序、转岗等培训与教育；组织盾构机掘进施工、管片拼装、同步注浆等学习；实行班前教育制度。 定期对拼装机进行检查，管片工作面和拼装位置做好警示标志，管片举重臂旋转范围内严禁站人。 电瓶车司机严格执行安全行车规程，加强对车连接部位进行检查。配置行车闪光警示灯，运行中严禁搭乘车，严格控制行车速度。九、节能、环保措施 容易产生噪音的机械设备采取合理布局，加强设备润滑和维护保养工作，严格执行相应作业指导书和设备检点规程，减轻噪音对周围居民生活环境的影响,加强对司机的环保意识，减少噪音污染。 固体废弃物按不同性质、类别分开存放，主要分为危险、不可回收利用固体废弃物、可回收利用固体废弃物、生活和办公垃圾等。 抗浮板施工过程中，使用泵车泵送混凝土，应及时清理撒漏的混凝土，防止对环境造成破坏。 土方施工过程中，最大限度地保护河床河堤以及绿化带，不对其产生破坏。 土方车运土过程中应全程覆盖，严禁将土抛洒在外环线及其他市政道路上。 水泥搅拌桩施工时现场经常保持整洁卫生，合理设置排水沟，将废弃泥浆由排水沟排至指定位置，防止污染周边环境。十、经济效益分析 技术效益：本工法施工中，成型管片上浮情况在允许范围内，确保了隧道、附近桥梁、河堤的安全，未造成环境危害，为城市地铁在下穿浅覆土河流时提供了具体的指导和借鉴，为以后城市地下工程在类似情况下的规划建设提供了可靠的决策依据，并更进一步的促进盾构工程施工技术的发展。 经济效益：因盾构下穿浅覆土河流断，施工难度大，危险性高，采取此方法后，可以有效的避免了发生涌沙、涌水等险情，不仅避免了工程事故的发生，而且经过改良后的土体可以确保盾构正常掘进和成形隧道在浅覆土河底下的稳定性，其中搅拌桩相比以往的旋喷桩加固，加固成本差距大，确保了工期，节省了人工、机械，经济效益显著。 社会效益：曹庄站盾构井延安西路站区间隧道的贯通，为天津地铁2号线高效快速发展做出了贡献，得到了业主的好评，更有利社会经济发展。十一、应用实例天津地铁2号线曹庄站盾构井延安西路站区间采用两台单圆盾构分别与2010年3月23日、2010年4月10日先后从延安路站始发掘进，并穿越陈塘庄铁路、外环西路、外环河，最后到达曹庄站盾构井。区间起讫点里程为DK3+028.22DK2+150.7，其中右线含短链0.872m，线长876.648m；左线含短链0.111m，线长877.409m。本区间设联络通道及