盾构施工风险管理

****轨道交通1号线一期工程TJ-Ⅱ标项目经理部盾构施工风险管理交流材料第1页**轨道交通1号线一期工程TJ-Ⅱ标盾构施工风险管理技术交流材料目录1参建单位 12项目概况 12.1线路走向及周边环境 12.2工程造价及工期 23工程进展情况 23.1泽民站 23.2大卿桥站 23.3西门口站 23.4盾构区间 24本项目盾构技术难点及应对措施 34.1盾构穿越沿线建（构）筑物 32.1.1盾构穿越萧甬铁路桥 32.1.2盾构上跨人防通道 72.1.3盾构穿越河流及桥桩 132.1.4盾构穿越**重点文物保护区 144.2盾构隧道管片在xx软土地质下的上浮控制 182.2.1基本情况 182.2.2管片上浮主要原因分析 182.2.2管片上浮过程分析 202.2.3管片上浮控制应对措施 211项目概况1.1线路走向及周边环境工程线路沿中山西路东西向布置，标段总长约2.8公里。中山西路为**东西向主要交通要道，车流量大，道路两旁建筑物密集，地下管线纵横交错；线路近邻西塘河，线路依次下穿杭甬铁路桥、上跨人防通道，穿越北斗河（西门板桥桩基）、法院巷过街地道，近距离通过咸通塔、范宅、鼓楼等重要文物。本标段主要工程内容见图1。图1标段内容简图2本项目盾构技术难点及应对措施2.1盾构穿越沿线建（构）筑物2.1.1盾构穿越萧甬铁路桥（1）基本情况【泽民站～大卿桥站】区间线路沿中山西路自西向东布设，本区间线路在里程（右）K8+345.000（中心）处下穿萧甬铁路公铁立交桥。本区间从泽民站东端头（右K7+919.438）始发至铁路桥中心里程（右K8+345.000）处距离约426米、见图2。穿越时影响段距离盾构始发端头约398～451米。图2【泽～大】区间盾构掘进顺序示意图萧甬铁路桥桥体为三孔箱型框架结构，箱型结构高度7.4米，净空5米，三孔的宽度分别为8、16、8米，箱体长度为10米，基底预制方桩，满堂红布置，桩长度4米。箱体上方为南北向的萧甬铁路，复线，线间距5米，下方为垂直相交的中山西路（双向5车道）。盾构隧道沿中山西路布置，隧道顶部距桩底约8.5米。图3桩基础与隧道位置关系平面位置：中山西路立交桥中心里程位于萧甬铁路K144+852，其中心线与既有铁路法线交角为10°25′36″（10.43°），见图4。图4区间线路与铁路桥平面位置关系及周边情况地质情况：穿越铁路桥处主要地层为③2层粉质粘土、④1-1层淤泥质粉质粘土、⑤1层硬土层，以上地层除⑤1硬土层外，均由流塑～软塑状粘性土和稍密状粉砂土为主，较适宜盾构掘进；⑤1层掘进较困难，掘进过程中需要添加泡沫剂进行改良、速度较慢，各地层特性见下表。表1穿越段地质特性表层序地层名称层厚(m)土层描述③2粉质粘土0.8～4.2灰色、流塑、厚层状构造，粘塑性中等，性质不均匀，夹粉土团块较多，韧性中等，干强度中等，无摇震反应。具高压缩性，物理力学性质较差。④1-1淤泥质粉质粘土1.1～6.9灰色、流塑、鳞片状构造，含粉团块，土质不均。韧性中等，干强度中等，无摇震反应。具高压缩性，物理力学性质差。⑤1粘土1.7～11.6灰绿色、灰黄色、可塑、局部硬塑，少数呈软塑状，厚层状构造，含铁锰质结核，韧性高，干强度高，无摇震反应，岩性以粉质粘土为主，局部为粘土。具中等压缩性，物理力学性质较好。图5穿越段地质情况（2）盾构穿越施工技术方案及措施★方案背景泽民站～大卿桥站区间盾构原计划始发推进时间为2010年11月20日，但由于业主未及时完成盾构穿越铁路桥之前的上海铁路局相关审批手续，故盾构始发时间根据其审批时间一再推迟，直至2011年5月15日第一台盾构才正式始发，对工期造成较大影响，主要原因为业主对盾构穿越铁路施工无相关经验，对铁路部门的相关管理及工作程序认识不够、对困难估计不足导致。故在类似工程施工之前，须预留较长的时间积极与相关产权单位进行沟通协调，共同制定相关保护及防护技术方案，取得产权单位的支持和理解，为后续施工创造有利条件。本工程中，业主经过长时间与上海铁路局协调之后，最终同意盾构穿越施工，但在施工之前必须由上海铁路局委托其设计院、施工单位对桥体箱涵进行预注浆加固处理，所有费用均由xx轨道交通承担，对建设成本及工期造成较大影响。★具体实施方案首先由权属单位上海铁路局委托其施工单位按照杭州铁路设计院的加固设计方案进行加固。加固采用劈裂注浆加固，加固深度为隧道底以下1米。其原设计思想为加固过程中注浆钻杆不得侵入盾构隧道断面范围以内，避免出现钻杆掉落给盾构推进带来安全隐患，加固设计剖面图如下。图6铁路桥箱涵注浆加固剖面图盾构穿越施工方案由项目部负责进行编制，编制完成后组织轨道交通指挥部、铁路局等相关单位的专家召开专家评审会，评审通过后按照专项方案实施。根据盾构推进施工的特点，盾构推进技术控制主要分三个阶段进行。第一阶段为盾构推进前的各项技术准备工作；第二阶段为盾构推进施工过程中的各项技术参数等的控制；第三阶段为盾构通过之后的技术工作，主要为盾尾后部出现沉降的控制阶段。第一阶段：在盾构穿越铁路桥前100环选取作为试验段，在该段范围内将监测点加密，并根据理论计算数据实时调整各项推进参数，为正式穿越总结经验数据；第二阶段：穿越过程中主要的控制参数为盾构正面土压力、同步注浆数量，这两个参数的调整必须严格以试验段的总结数据为基础，在该基础之上结合地面及轨面的实时监测数据进行微调，确保铁路运营安全；第三阶段：穿越完成后往往是盾构引起地表沉降较大的时段，在该时段内主要控制手段为二次注浆，但须严格控制二次注浆时机及数量，确保二次注浆与盾构穿越完成后引起的地表沉降产生的叠加效应。（3）方案实施效果通过以上各种技术手段的控制，本区间盾构穿越完成后地表沉降、轨面沉降均在允许误差之内。施工监测、第三方监测及铁路部门委托的监测单位均进行了相应的数据分析，且分析结论基本一致，最终将铁路部门要求的轨面沉降控制在了±2mm/天以内，确保了萧甬线的正常运营，穿越取得了较好效果。2.1.2盾构上跨人防通道（1）基本情况【大卿桥站～西门口站】区间线路沿中山西路自西向东布设，本区间线路在里程（左）K9+181.164（中心）处上跨布政巷人防通道。本区间从大卿桥站东端头（左K8+987.954）始发至人防通道中心里程（左K9+181.164）处距离约193米（右线约188米），见图7。图7【大～西】区间盾构掘进顺序示意图根据收集到的相关资料，该人防通道净宽2.0米，净高2.05米，拱体采用200#钢筋混凝土预制对折拱，倒拱采用毛石排密，块石为30*30*20定型石，该人防通道顶板标高为-21.7m～-22.06m，人防通道断面结构见图2。目前人防通道已经废弃，内部充满水。人防通道标准断面见图8。图8人防通道断结构平面位置：盾构区间隧道沿中山西路自东向西延伸，人防通道为南北走向，基本与区间隧道垂直。高程位置：区间隧道在人防通道上部通过，隧道底部距离人防通道顶部约5.2～5.3米。图9人防通道与区间隧道平面相对位置关系图10人防通道与区间隧道高程相对位置关系地质情况：人防通道断面范围内主要地层为⑤1层、⑤2层，区间隧道穿越范围土层主要为③1、③2及④1-1层，地质断面图见图3，各地层见图11。图11人防段地质情况相应的地层特性见表2。表2地质特性表层序地层名称层厚(m)土层描述③1砂质粉土0.6～4.1灰色，稍密，饱和，厚层状，局部为含粘性土粉砂，混杂粘性土团块。砂质粉土韧性低，干强度低，摇震反应明显。③2粉质粘土1.1～3.8灰色，流塑，厚层状构造，粘塑性中等，性质不均匀，夹粉土团块较多，韧性中等，干强度中等，无摇震反应。④1-1淤泥质粉质粘土1.0～8.7灰色、流塑，鳞片状构造，含粉团块，土质不均。韧性中等，干强度中等，无摇震反应。⑤1粉质粘土3.0～8.7灰绿色、灰黄色，可塑，局部硬塑，少数呈软塑状，厚层状构造，含铁锰质结核，韧性高，干强度高，无摇震反应。⑤2粉质粘土1.0～7.3灰绿色、灰黄色，可塑，局部软塑，薄层状构造为主，薄层厚2~6mm，层间夹粉土薄膜，含铁锰质结核，韧性中等，干强度中等，无摇震反应。（2）主要处理施工技术方案及措施★方案背景根据项目部技术人员走访调查的相关资料及相关设计资料，该人防通道为上世纪60年代修建的人防工程，目前已经废弃。由于其修建时间较早，结构已经出现不同程度的破坏，且内部结构稳定程度已经无法进行估计。为了保证盾构施工过程中盾构顺利从其上方通过，同时为了保证盾构隧道交付运营之后的安全性，需要将该人防通道进行回填处理。★具体实施方案回填范围南北两侧端头部位灌注水下混凝土封堵，端头封堵完成后在中间空隙部位压注水泥浆填充挤密。采用φ600钻孔桩机在地面打设垂直孔洞，成孔过程中采用钢护筒护壁，护筒须下放至人防通道预制拱顶位置。当成孔至人防通道预制拱顶时，钻孔设备改用小直径钻头，在通道顶部混凝土预制拱上先钻小直径孔洞，然后再进行扩孔，最终扩孔至满足φ200导管下放即可。在φ600垂直孔洞内下放φ200混凝土导管并灌注C25水下早强混凝土对通道南、北侧进行初步封堵，之后改用双液浆对南、北侧端头进行补充封堵，确保封堵密实；封堵完成后改用C25缓凝混凝土进行补充填充，最后用注浆机压注水泥浆填充密实。图12人防通道注入填充材料示意成孔按照8#→7#→9#→16#→17#→19#→18#→1#→2#→3#→4#→5#→6#→10#→11#→12#→13#→14#→15#的顺序进行，共打设19个孔，填充顺序相应按照成孔顺序进行。在进行前一个孔混凝土的灌注过程中，后一个孔可以作为透气孔进行人防通道内的压力释放，每次灌注之前至少须成孔完成2个以上。图13灌注混凝土孔、注浆孔平面布置图由于施工地点为繁忙的中西西路，路面中央位置处无法直接进行地面钻孔作业，只能在南、北两侧围挡范围内进行作业，故项目部技术人员经过讨论后制定了斜向打孔填充的技术方案，斜向打孔剖面示意见图14。图14注浆导管剖面布置图（3）方案实施效果经过近2个月的紧张施工，本区间人防通道的回填全部顺利结束，根据专项施工方案相关内容，在人防通道正上方地面进行钻孔检测，检验回填密实度，根据现场打设的3个检测孔效果来看，当钻头打穿人防通道顶板后钻头钻进压力仍然较大，说明通道内填充的密实程度较好。由于本方案对原设计方案中的垂直钻孔、密集排列灌注孔洞后填充混凝土的方案进行了相应优化，采用斜孔压注水泥浆，从根本上解决了在繁忙的中山西路上进行围挡、交通疏解的难题，使交通疏解问题、占用城市道路问题得到了极大的简化，节约了近一半的成本，取得了一举多得的效果。2.1.3盾构穿越河流及桥桩（1）基本情况**轨道交通1号线一期工程大部分区间采用盾构法施工，为保证盾构顺利掘进，需要将盾构掘进过程中碰到的桥桩先拔除，整个1号线盾构沿线共有11座桥梁部分桩基需要拔除。其中，本标段大卿桥站～西门口站区间即受到西门板桥的桥桩的影响，需要提前进行原桥桩的拔出，在盾构隧道范围以外进行新桥桩的施工。（2）拔桩处理技术拔桩采用双套管全螺旋回转钻机（CD机）进行施工，利用全回转设备产生的下压力和扭矩，驱动钢套管转动，利用管口的高强刀头对土体、岩层及钢筋混凝土等障碍物的切削作用，将套管钻入地下，去除套管内桩体，最后向套管内回填土体并逐节顶拔套管。在整个过程中套管钻进与套管顶拔是整个施工的关键。该工法最大的特点是可将套管钻入有岩层或高强障碍物的土层，利用套管的护壁作用，在套管内进行清障。图14拔桩楔型夹紧机构示意1号线一期工程中所有涉及到影响盾构隧道的桥梁桩基、废弃建（构）筑物桩基等的拔除施工由业主作为一个单独施工标段进行招投标，故在此前提下，需要每个标段对自己标段内的桩基拔除情况进行认真监督和复核，及时与拔桩施工单位进行有效的技术沟通和联系，每一次拔出来的障碍桩都须对桩长、桩径、具体位置及拔除完成后的回填效果进行检查，确保盾构通过的安全性。由于此种操作模式增加了各个施工单位之间的协调工作量，且实施效果不好，容易造成一旦出现施工质量等问题时相互推诿，故在后续的2号线招标投标中，直接将相应的障碍桩拔除含在相应的土建施工标段中，避免以上问题的出现。在盾构穿越过程中，值班工程师须认真对出土情况进行观察，确认出土情况有无异常，并在河道范围内调整相应的土压力等参数，确保在河流段不发生冒顶等质量事故。（3）方案实施效果在拔除障碍桩施工过程中，项目部制定了专门技术人员对其拔桩情况进行现场复核，并做好详细记录，与原桥桩基设计图纸进行核对，确保障碍桩拔除彻底，不留隐患。根据现场盾构推进施工情况，在推进至障碍桩附近时，出土过程中夹杂一定数量的混凝土块，经分析认为，该混凝土为在障碍桩拔除完成后清孔不够彻底遗留下来的杂物，故在后续施工过程中须认真做好清空工作，避免出现大块混凝土卡死螺旋机的事故出现。经观察，块状混凝土数量及粒径都较小，对盾构推进的影响并不大，最终顺利完成了穿越河道及障碍桩区段的施工。2.1.4盾构穿越**重点文物保护区（1）基本情况本标段西门口站～鼓楼站区间地处**老城区，途经中山西路段，沿线自东向西依次分布有王宅、咸通塔、范宅、鼓楼、永丰库遗址五座文物建筑，其中，距今已有1100多年历史的咸通塔为国家级重点文物，故在该区段进行盾构施工须在原有技术水平上更谨慎、认真。王宅建于1935年，占地面积约1250平米，系砼、砖、木混合结构，由5幢2～3层仿西式建筑风格的主楼、偏房组成。图15王宅与区间隧道相对位置关系咸通塔建于唐咸通4年（863年），距今已有1100多年的历史，是我国长江以南现存的唯一唐代方形砖塔。现为国家重点文物保护单位。咸通塔全砖结构，平面呈正方形，底层每边长3.2米，占地面积10余平方米，外塔顶塔高约12米，塔内空呈正方形，穹窿顶；塔体剥蚀风化较严重。该塔共5层，底层略高并开有壶门，以上塔身逐层收缩变小；每层四壁均设有供奉佛像的龛，四周用砖砌叠涩檐，出挑密度0.7米左右。图16咸通塔与区间隧道相对位置关系范宅建于明后期万历、天启年间，1996年重修，后辟为文化商场，现为**海曙区文物保护单位。范宅占地约1840平米，建筑面积约2100平米。图17范宅与区间隧道相对位置关系鼓楼是**唯一存在的古城楼遗址，海曙区文物保护单位。整座楼占地面积700多平米，城高8米多，门道深16米，门宽5米，为弓形石建筑。图18鼓楼与区间隧道相对位置关系永丰库遗址全称“浙江xx元代庆元路永丰库遗址”，是元朝时期xx的衙署仓储区遗址，遗址位于地下1米以下，无地面建筑。遗址的发现位列“2002年度中国十大考古新发现”。2006年被列入全国重点文物保护单位。图19永丰库遗址与区间隧道相对位置关系（2）文物段推进地表沉降控制★地质条件本区间隧道穿越的土层主要为②2-2灰色淤泥质粘土、②3灰色淤泥质粉质粘土、③1粘质粉土、③2粉质粘土、④1-1淤泥质粉质粘土、④1-2粉质粘土、④2粘土、⑤1硬土层，以上地层除⑤1硬土层外，均由流塑～软塑状粘性土和稍密状粉砂土为主。★主要技术措施在本区间盾构始发推进之前，项目部就积极与**文保所进行沟通和交流，将盾构推进施工工法向文保所管理人员、技术人员进行交流汇报，使其对盾构隧道施工形成一个比较感性的认识，强调盾构隧道施工的安全性和可靠性，打消其多余的顾虑，同时了解和掌握该区间相关文物的基本情况，如文物的重要等级、有无基础、基础形式、抗变形能力等，有重点的进行针对性保护，在施工之前做到心中有数，有的放矢。在正式施工之前，项目部将盾构推进施工专项方案组织各方专家进行评审，同时邀请了文保所的相关领导和技术人员同时进行讨论，经过2次相关的方案讨论会后，制定了完善的施工技术措施和应急保护措施，并报监理部、指挥部审批后实施。本方案的实施过程类似于穿越铁路桥施工过程，分为三个阶段进行控制：第一阶段：在盾构穿越文物段前100环选取作为试验段，在该段范围内将监测点加密，并根据理论计算数据实时调整各项推进参数，为正式穿越总结经验数据；第二阶段：穿越过程中主要的控制参数为盾构正面土压力、同步注浆数量，这两个参数的调整必须严格以试验段的总结数据为基础，在该基础之上结合地面及文物本体的实时监测数据进行微调，确保文物本体的安全；第三阶段：穿越完成后往往是盾构引起地表沉降较大的时段，在该时段内主要控制手段为二次注浆，但须严格控制二次注浆时机及数量，确保二次注浆与盾构穿越完成后引起的地表沉降产生的叠加效应对文物的不良影响，尤其是咸通塔区域。（3）方案实施效果通过以上各种技术手段的控制，本区间盾构穿越完成后地表沉降、文物本体变形均在允许误差之内。施工监测、第三方监测及文物部门委托的监测单位均进行了相应的数据分析，且分析结论基本一致，最终将文保部门要求最严格的咸通塔累积沉降控制在了±2mm以内（其中最大累积变形为1.79mm），其他各个文物变形量均在允许范围内，确保了该区间文物的安全，穿越取得了较好社会效益和环境效益。2.2盾构隧道管片在xx软土地质下的上浮控制2.2.1基本情况**轨道交通1号线一期工程盾构隧道施工于2010年逐渐开始进行施工，在其余标段推进初期，均不同程度的存在拼装完成的盾构管片在脱出盾尾之后出现较大的上浮，造成成形隧道线形不符合设计要求、隧道管片出现错台、破损，甚至造成成型隧道侵限，给施工质量带来较大质量隐患。本标段在盾构施工初期，盾构隧道管片也存在上浮现象，最大上浮量可达8cm。项目部技术人员经过认真分析认为：首先应调整同步注浆浆液的稠度，使浆液在注入管片背后之后的凝固时间尽量缩短，尽早形成固定体系，抑制管片的上浮；其次，对盾构推进高程姿态进行适当调整，盾构在推进姿态保持在设计轴线下一定数值，以此抵消部分后期上浮量，保证上浮量在允许范围内。2.2.2管片上浮主要原因分析管片上浮主要原因有如下几点：A、盾构工法特性的影响由于盾构机的切削刀盘直径D与隧道衬砌管片的外径d有一定的差值，于是在盾构开挖的洞身与管片外径间存在建筑间隙Δ=D-d。在高水位软土地层中，管片脱出盾尾后，拱顶土体全部塌落到管片结构需要一定时间和过程，如不及时填此空间，脱出盾尾的管片周围处于无约束的地下水的包围状态，给管片的位移提供了可能的条件。盾构隧道是空心的筒体，在混凝土自重作用下有下沉的趋势，但在全断面地下水压力作用下，防水性能优良的衬砌隧道则有上浮的趋势。以本区间盾构隧道外径6.2m、内径5.5m、环宽1.2m的管片为例计算如下：管片混凝土自重G=ρ×g×Vc=2500×9.8×7.7≈189(kN)(1)水浮力F=ρw×g×V=1000×9.8×36.2≈355(kN)(2)（式中，混凝土比重ρ为2500kg/m3，管片混凝土方量Vc约为7.7m3，一环管片所占空间体积V约为36.2m3。）可见管片混凝土自重G小于水浮力F，而拱顶土体施加在管片结构上需要时间，这就解释了在拼装管片初期为何隧道上浮位移发展快的原因。另一方面盾构机的重量主要集中在前盾(切口环和支承环)，由盾尾至后配套台车间一段衬砌(约9～10环管片)基本无压载，管片脱出盾构后失去了约束，同时还受到周围土层的作用，土层作用可能是压力，也可能是盾构出土造成地基卸载，地基回弹的作用上浮。B、同步注浆工艺的影响如前所述，隧道上浮有两大条件：一是建筑间隙Δ的存在，二是引起上浮位移的力，同步注浆浆液在填充了建筑间隙A的同时，让隧道与周围土层紧密接触形成稳定的复合构造体共同抵抗外力。要达到上述目的，关键问题是选择的注浆浆液应满足：①必须具有充填性；②应具有一定的和易性且离析少；③应及早凝固且有一定的早期强度，以抵抗变形对管片产生的不均匀压力。同时，浆液硬化后的体积收缩率要小，以便更好地固定管片；④应有合适的稠度，以便不被地下水稀释。由于在实际注浆过程中，很难完全做到以上的注浆要求，故引起管片上浮。C、盾构机姿态及走向的影响盾构机在掘进过程中的运动轨迹实际上是一条蛇形运动轨迹，始终围绕着隧道轴线作蛇形运动，要通过不断调整各分区油缸千斤顶的推力来让盾构机运动中不断逐渐靠近隧道设计轴线。而本区间隧道纵断面呈“V”字形上下坡，所处地层又是软土，在盾构掘进中，由于盾构机自身重量，可能发生盾构机偏离隧道中心线以下。此时，为纠正其运动轨迹不断靠近理论轴线，要加大下部千斤顶的推力以克服盾构机身的自重。在隧道轴线由下坡改变为上坡或由急下坡改变为缓下坡时，亦需要加大下部千斤顶的推力，循序渐进地改变盾构机的运动轨迹，以满足设计线路的需要。本区间盾构隧道无论是盾构机偏离隧道中心线以下还是线路坡度变化，都通过加大下部千斤顶的推力来调整盾构机的姿态。这样，致使管片底部受到大于上部的作用力，管片环面上受力不均，加剧了管片上浮的趋势。2.2.2管片上浮过程分析经过项目部技术人员对管片上浮主要原因进行分析之后，制定相应的解决对策，并在现场进行逐一落实，比对效果。首先，测量技术人员对在盾尾内拼装完成的管片立即测取一个高程“初始值”，然后在该环管片脱出盾尾后没个20～30分钟进行一次跟踪测量，掌握管片在拼装完成后的出现上浮的具体时间段，然后在上浮动作出现的时机采取辅助控制措施。项目部经过长期对管片上浮观测，积累总结数据，总结管片上浮曲线如图：根据xx地质条件下的管片上浮规律曲