浅埋盾构施工沉降控制分析

浅埋盾构施工沉降控制分析

平埋结构是指构造覆土深度小于10m的结构隧道。由于浅埋盾构的覆土深度相对较浅,盾构开挖中土压的扩散对地面的沉降影响较为敏感,因此对于浅埋盾构的地面施工沉降控制极为重要。盾构穿越既有建筑楼房,控制楼房的差异沉降、沉降速率及沉降均匀性对楼房的安全控制极其关键。地表地下水条件天津地铁9号线光华路—东兴路站盾构区间横穿光华路至东兴路,沿线经过蝶桥公寓、第二工人文化宫等地。该线路最大纵坡25‰,最小纵坡3.1‰,盾构管片外径6200mm,内径5500mm,长度1.2m。该盾构区间以粉土、粉质粘土为主,从地面向下依次为杂填土、素填土、淤泥、粉质粘土和粉土。地表以下浅层地下水为孔隙潜水,主要含水层为粉土(ω=24%)、粉质粘土(ω=29%),浅层地下水位埋深为1.5~2.65m之间。隧道左线在轴线里程DK6+936.096处开始斜向穿越蝶桥公寓1号楼(以下简称蝶桥公寓)至DK6+911.936止,斜向穿越影响范围达36.4m,盾构穿越地段隧道埋深8~10m。平面关系见图1,建筑物埋深见图2。盾构区间采用日本川崎的土压平衡盾构机,外径为6340mm。盾构穿越建筑物的施工方案及其应急预案制定的必要性蝶桥公寓为5层砖砌结构,长64.8m,宽9.6m;条形浅埋基础,基础宽1.6m,厚0.3m,埋深1.15m。该楼建于1977年,基础、建筑结构简单,楼体局部存在裂缝。盾构穿越该建筑物地段隧道埋深较浅,斜向穿越楼房一角,如穿越过程中控制不当,有可能造成建筑物发生不均匀沉降,导致楼房裂缝发展,危及建筑物、盾构自身结构,甚至对周围居民和施工人员的人生和财产安全造成危害。因此,施工前必须制定盾构穿越建筑物专项施工方案和应急预案。为安全、顺利穿越蝶桥公寓,将330~390环共60环作为盾构穿越建筑物试验段。穿越试验段期间对穿越建筑物的沉降数据、同步注浆、盾构掘进的关键数据进行收集、整理,找出同步注浆、盾构掘进参数改变与地面沉降之间的必然联系,为穿越蝶桥公寓提供数据支持。关键技术土仓压力理论计算正面平衡压力值的设定是土压平衡式盾构机施工的关键,掘进过程中应严格控制土仓压力,尽量保持土压平衡。土仓压力理论计算根据地下水情况、土层重度、埋深等常规参数,计算过程中注意应将蝶桥公寓楼体重量考虑在内,计算盾构机正面平衡压力为0.17MPa。实地穿越过程中,结合以往施工经验、水文地质和监测报表数据,将土仓压力动态调整范围设定在±0.2MPa之间。盾构掘进过程中土壤温度控制盾构掘进的速度主要受盾构设备进出土速度的限制,若进出土速度不协调,极易出现正面土体失稳和地表沉降等不良现象;出土量的多少、快慢与设定的土压力值密切相关。根据以往盾构掘进经验和试验段收集的施工参数,设定盾构穿越建筑物期间的正常速度控制在20~30mm/min之间,考虑曲线段对出土量的影响,出土量控制在38.2m3/环,最大值控制在39.0m3/环以内。在盾构穿越建筑物过程中,严格控制出土量,做到进尺量与出土量平衡,在此速度下保证盾构机均衡、匀速、连续推进,严禁盾构机无故停滞;如出现推进速度突慢、突快等异常变化时要加强出土量观察,发现异常及时解决。做好纠偏控制在盾构穿越蝶桥公寓地段,盾构轴线正好位于R=400m的曲线段,因此必须预先控制好盾构姿态,严格控制单次纠偏幅度,做到“勤测勤纠”,每次纠偏量应尽量小,确保楔形块的环面始终处于曲率半径的径向竖直面内,使纠偏均匀、稳定,减少盾构纠偏对周围土体的扰动。双液浆注浆压力与量双平衡保持土压平衡和严格控制同步注浆质量是确保地面、建筑物沉降的重要措施。考虑盾构同步注浆后浆液失水固结、盾构推进开挖断面大于管片外径、部分浆液需劈裂到周围地层的影响,采用理论计算值的150%~200%进行同步注浆,同步注浆应在确保浆液质量的前提下,严格控制注浆压力和注浆量双平衡,即注浆压力与水土压力平衡,注浆量与掘进进尺平衡。考虑以上因素,在穿越蝶桥公寓期间,同步注浆量控制在3.5~4.5m3/环,注浆压力根据监测数据动态调整。穿越地段同步注浆采用水泥水玻璃双液浆和单液浆相结合的方式,双液浆的作用在于阻断盾构穿越前后与穿越地段的渗透联系,确保穿越地段的注浆效果。双液浆注浆位置为穿越前、穿越后及穿越中间各4环,双液浆之间的盾构环采取单液浆。双液浆分为A、B浆液,A液(100L)配合比为水泥∶膨润土∶缓凝剂∶水=30∶20∶0.5∶80;B液(100L)配合比为水玻璃∶水=70∶30。浆液胶凝时间为9~11s,其强度1h达0.06MPa,3h达0.10MPa,28d达2.3MPa。单液浆配合比与正常地段配合比相同,配合比(1m3)为膨润土∶水泥∶细砂∶粉煤灰∶水=200∶80∶200∶740∶600,稠度控制在9~11之间。二应力的恢复盾构向前方推进后,随着同步注浆的凝固收缩和掘进过程中千斤顶向后方管片的持续反力作用,盾构管片与周围土体的应力场将重新微调,力求达到新的稳定状态。因此局部土体与管片相互间将产生间隙,二次注浆的作用就是对该部分间隙进行填充,注浆时应根据地面、建筑物监测的沉降、隆起变形情况,确定注浆的数量和压力大小,二次注浆采用双液浆并按量少次多的原则进行注射,持续至监测显示建筑物稳定为止,浆液配合比与以上同步注浆双液浆配合比相同。控制板+管片防漏浆海绵条嵌入双保险根据盾构隧道施工经验,盾尾漏浆是影响地面沉降的关键因素,因此,防盾尾漏浆对盾构顺利、安全穿越蝶桥公寓1号楼尤为重要。为避免盾尾漏浆的发生,采用控制盾尾密封油脂和管片防漏浆海绵条嵌入双保险方式。盾尾密封油脂是防止漏浆的关键,在穿越过程中要严格控制油脂的注入时间和注入压力,实现连续不间断注入。如在连续泵送盾尾密封油脂仍不能阻止漏浆,应采用将海绵条沿环向全周围嵌入盾尾壳体与管片之间的缝隙,防止继续漏浆而造成地面沉降。同步液压系统运行故障为保证设备在穿越建筑物期间各部件和系统能够正常运转,防止出现故障导致地面、建筑物沉降,盾构穿越蝶桥公寓前应对同步注浆系统、加泥(加水)系统、推进油缸的液压与止锁系统、盾尾密封系统、水平运输电机车和垂直运输龙门吊车等设备进行维修和保养。沉降监测沉降点的布置以左线盾构410~444环,隧道轴线外侧30m范围内的地面建筑物为沉降监测对象。在蝶桥公寓外墙上的敏感部位或每隔5~8m布设一个沉降监测点,共布置34个沉降点。考虑该建筑物建造年代久远、基础构造埋深浅、结构类型简单和局部存在裂缝等现状,为防止不均匀沉降产生不良后果,将轴线监测点累计变形报警值设定为±10mm,建筑物监测点累计变形报警值设定为±5mm。建筑物监测在盾构掘进施工至距建筑物前方50m时,开始实施建筑物监测,盾尾穿越建筑物超过30m且沉降数据变化正常后,可减少对建筑物的监测频率,进入正常监测。穿越期间监测频率2h/次,正常监测频率8h/次。盾构穿越期间监测浅埋盾构穿越既有建筑物前应对既有建筑物基础形式、结构类型、建筑年代及地层水文地质等进行充分调查,为穿越前的建筑物加固、穿越期间掘进参数调整