盾构穿越建构筑物掘进专项技术方案.docx
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盾构穿越建构筑物掘进专项技术方案
一、工程地质概况
1、地质概况
本区间场地内分布有①填土、②砂质粉土、③-1粉砂夹粉土、③-2粉砂、④-2粉质粘土夹粉土、④-2t砂质粉土夹粉质粘土、⑤-1粉砂夹粉土、⑤-2砂质粉土夹粉质粘土、⑤-3粉砂夹粉土以、⑥层粉砂及⑦层粉细砂,其中③-2、⑤-1、⑤-3与⑥层相对较均匀,其余土层不均匀。
盾构掘进主要在③-1粉砂夹粉土、③-2粉砂、④-2t砂质粉土夹粉质粘土与④-2粉质粘土夹粉土层中进行;其中土层特性:
③-1层灰色粉砂夹粉土,稍密,含云母碎片,局部夹薄层粉质粘土,中等压缩性,中等透水性;
③-2层灰色粉砂,中密,含云母碎片,局部夹薄层粉质粘土,中等偏低等压缩性,中等透水性。
④-2层灰色粉质粘土夹粉土,可塑,局部夹薄层粉砂,中等压缩性,弱透水性,
④-2t层灰色砂质粉土夹粉质粘土,为④-2层中的夹层,稍密,夹较多薄层粉砂,中等压缩性,弱透水性,赋存承压水。
场地内地层液化判别:
根据地勘资料,拟建场地20m深度范围内分布的②层灰色粉砂与③-1层粉砂夹粉土为液化土层,③-2层粉砂为不液化土层。
其中DK22+80~DK22+470段为不液化场地,DK22+850~DK23+055段为轻微液化场地,其余段为中等液化场地。
④-2层灰色粉质粘土夹粉土、④-2t层灰色砂质粉土夹粉质粘土,可液化地层③-1层粉砂夹粉土位于隧道顶部③-2层灰色粉砂上方,与隧道顶部间距为8~9m;仅在中级人民法院接收端头10m范围内存在③-1层侵入隧道,该区域属于盾构始发接收加固区。
2、中等液化场地中的建(构)筑物情况
环城东路站~中级法院站区间下穿东方农贸市场东小区、森大蒂花苑、和兴花苑等大量住宅。
具体情况如下表所示:
建筑物名称
基础情况
相对关系
桩长为6.50m,该区域内桩底高程为-3.00m
区间竖直距离13.55m。
基础底板高程2.54m,基础厚度0.25~0.35m
区间竖直距离18.93m。
最深桩长为8m,该区域内桩底高程为-7.31m
区间竖直距离8.61m
最深桩长为8.5~9m,该区域内桩底高程为-5.13m
区间竖直距离10.36m。
条形基础底板高程2.87m,基础厚度0.3~0.5m
区间竖直距离18.17m。
基础底板高程2.27m,基础厚度0.25~0.43m
区间竖直距离17.37m。
最深桩长为5.2m,该区域内桩底高程为-4.43m
区间竖直距离10.43m。
最深桩长为9.05m,该区域内桩底高程为-5.76m
区间竖直距离8.37m。
盾构穿越以上建筑群,其中森大蒂花苑9#、10#、11#、12#以及和兴苑17#居民楼位于中等液化场地内,建筑物桩基处基本位于③-1层粉砂夹粉土层中,极少部分侵入③-2层灰色粉砂层,而且侵入深度有限。
盾构隧道顶部距离这些建筑物桩基础底部最小距离为8.37m,如下图所示:
三、地层液化机理及危害
粒间无内聚力的松散砂体,主要靠粒间摩擦力维持本身的稳定性和承受外力。
当受到震动时,粒间剪力使砂粒产生滑移,改变排列状态。
如果砂土原处于非紧密排列状态,就会有变为紧密排列状态的趋势;如果砂的孔隙是饱水的,在变为密实过程中需要从孔隙中排一部分水,如砂粒很细则整个砂体渗透性不良,瞬时震动变形需要从孔隙中排除的水来不及排出于砂体之外,结果必然使砂体中空隙水压力上升,砂体之间的有效正应力就随之而降低,当孔隙水压力上升到使砂粒间有效正应力降为零时,砂粒就会悬浮于水中,砂体也就完全丧失了强度和承载能力,这就是砂土液化。
砂土液化中引起的破坏主要有以下四种:
(1)涌砂
对于盾构施工来说,则表现为盾尾、螺旋输送机出现涌砂、突水;同时铰接密封位置易出现涌漏。
(2)地基失效
随粒间有效正应力的降低,地基土层的承载能力也迅速下降,甚至砂体呈悬浮状态时地基的承载能力完全丧失,建于这类地基上的建筑物就会产生强烈沉陷、倾倒以至倒塌。
(3)滑塌
由于下伏砂层或敏感粘土层震动液化和流动,可引起大规模滑坡。
(4)地面沉降及地面塌陷
饱水疏松砂因震动而变密,地面也随之而下沉,低平的滨海湖平原可因下沉而受到海湖及洪水的浸淹,使之不适于作为建筑物地基。
四、盾构在本区间中等液化场地中掘进的施工风险分析及评估
1、地表隆、陷引起道路塌陷或隆起的风险
本区间盾构施工主要穿越人民中路、工农路等道路,沿线穿越道路街巷较多,特别是人民中路和工农路,是城市主干道。
2、地表建(构)物不均匀沉降引起倾斜、开裂和倒塌的风险
本工程盾构下穿近10幢建(构)筑物,临近隧道的建(构)筑物有20多幢。
本来盾构在中等液化场地下穿建(构)筑物风险就比较大,且大部分建(构)筑物正位于区间小曲线、大纵坡段线路上,这又增加了施工的难度。
因此,在施工中易引起地层扰动导致地表建(构)物不均匀沉降而产生倾斜、开裂和倒塌的风险。
3、地层位移导致地下带压管线爆裂、爆炸的风险
区间沿线管线多,类型、材质杂。
不同类型和材质的管线对盾构施工沉降的要求也不一样。
尤其是带压管线,还有爆裂、爆炸的风险。
五、盾构施工对地表隆、陷影响分析
1、施工影响范围计算
采用经验公式对盾构隧道施工影响范围及地表沉降分布规律进行预测,进而确定盾构施工对周边环境的影响范围。
目前,工程实践中实用的经验公式是Peck公式(Peck,1969)和一系列修正的Peck公式。
Peck假定施工引起的地面沉降是在不排水的情况下发生的,所以沉降槽体积等于地层损失的体积。
地层损失在隧道长度上是均匀分布的。
地面沉降的横向分布类似正态分布曲线,如图2所示。
Peck公式为:
式中:
S(x)——距离隧道中线x处的地面沉陷量;
x——距离隧道中线的距离;
Smax——隧道中线的最大地面沉降量;
i——沉陷槽的宽度系数,
最大沉降量采用下式估算:
Vs——沉陷槽容积(等于盾构施工引起的地层损失)。
i——沉陷槽的宽度系数;即沉陷曲线反弯点的横坐标,i可由公式或查peck图表得到。
式中:
Z——隧道埋深,本区间16~28m;
φ——隧道覆土有效内摩擦角本区间平均33.5。
根据经验,地面横向沉陷槽宽度W/2≈2.5i。
根据Peck公式估算得:
地表沉陷槽宽度最大约为11.8m~18.4m,从两侧向中间均匀沉降。
2、地表隆陷变化规律
根据盾构施工特点,地表变形的变化发展过程可以分为五个阶段:
盾构到达前,地表的变形取决于掘进过程中土仓压力和出土量的控制,当土仓压力较大而出土量较少时,地表呈隆起状态;当设定土仓压力小而出土量大时,地表呈沉降状态。
盾构到达时,地表变形承接阶段的发展。
但变化速率增大。
是地表隆陷的峰值段。
盾构通过时,一般情况地表会呈沉降变化;若注浆及时饱满,充填率超过200%时,地表会隆起。
盾尾通过时,最易发生突沉,突沉量可达30mm,若注浆及时饱满,可控制突沉,甚至上隆,但随着浆液的固结收缩而逐渐下沉。
盾尾通过后,地表沉降速率逐渐减缓,沉降曲线趋于稳定。
后期沉降主要是土体的固结沉降和次固结沉降,一般沉降时间较长,但沉降量也相对较小。
3、本区间盾构掘进引起的地表沉降可能因素
盾构掘进引起的地表沉降的因素有以下几个方面:
开挖面土压不平衡引起的土体损失;
盾构蛇行纠偏引起的土体损失;
盾尾与衬砌环之间的空间未能及时充填引起的土体损失;
隧道上部
-1灰色粉砂夹粉土可液化层受下层盾构扰动后液化引起的土体损失;
注浆材料固结收缩;
隧道渗漏水造成土体的排水固结;
衬砌环变形和隧道纵向沉降;
土体扰动后重新固结;
其中前四项是施工直接影响的主要因素,施工中须引起足够重视。
4、地表变形控制标准
根据国内外盾构施工经验,结合本合同段的具体周边环境情况,地表隆陷控制标准为:
单点隆沉+10mm~-30mm,单次隆沉≤3mm;建筑物沉降控制标为:
准单点隆沉+6mm~-20mm,单次隆沉≤2mm。
六、本区间中等液化场地中盾构掘进的专项技术
1、施工前准备
施工前对沿线中等液化场地内盾构施工影响的建(构)筑物和地下管线进行全面的调查,收集相关资料,列出需重点保护的对象名称及反映其所处里程、地面位置、类型、结构等详细参数的清单。
按其沉降要求做全面的统计,并计算出沉降预警值、允许最大沉降量和不均匀沉降要求,为以后施工提供指导。
针对需要重点保护建(构)筑物、管线,提前作出预案,并准备相应材料设备。
根据场地内穿越建(构)筑物的范围及数量,及时与设计院及管片生产厂家对接,提前生产一定数量的多注浆孔管片,以用于场地内穿越建(构)物的隧道,方便脱出盾构后的二次注浆。
提前对作业人员进行系统化的培训,加深对场地内地层、主要穿越地层特性以及加固方法措施的了解,完善应急处理知识,进一步提高盾构作业技术人员处理问题的能力,能做到判断准确、快速实施、积极补救。
2、施工过程技术控制
(1)盾构土仓压力设定与控制
盾构土仓压力根据隧道埋深及土层情况设定,设定数值依据理论计算与经验相结合,掘进时压力波动控制在±0.2bar,在施工过程中根据地表监测结果,结合模拟段施工时总结的最佳参数来确定盾构正常掘进的土压值。
掘进穿越重要地段,项目工程部必须根据地面监测信息的反馈及时下达更改、设定土压力的指令,盾构司机严格按照指令执行掘进控制。
同时施工中土压力与出土量紧密联系,需要达到相对平衡,工程部应及时总结最合理的土压力及出土量,减小对土体的扰动,使土体位移量最小。
土压力经验计算公式:
P=γ*h*sin(φ)φ-地层内部摩擦角
(2)推进速度控制
盾构推进通过对土压传感器的数据来控制千斤顶的推进速度,推进速度控制在20~30mm/min,同时应控制刀盘转速在0.8~1.0r/min,并保持推进速度、刀盘转速、出土速度和注浆速度相匹配;在推进过程中应尽可能保持连续稳定作业,减少长停、强推。
以此减少对隧道上部可液化地层的扰动。
(3)出土量控制
出土量与土压力值一样,也是影响地面沉降的重要因素。
盾构机(Φ6410型,刀盘Φ6440)的开挖断面为32.56㎡,每环的理论出土量为32.56×1.2×1=39.08m3,在盾构在穿越建(构)筑物时,将出土量控制在理论出值的98%~102%,即38.30~39.86m3左右,保证盾构切口上方土体能有微量的隆起(不超过1mm),以便抵消一部分土体的后期沉降量,从而使沉降量控制在最小范围内。
(4)同步注浆
盾尾通过后管片外围和土体之间存在空隙,施工中采用同步注浆来充填这一部分空隙。
施工过程中严格控制同步注浆量和浆液质量,严格控制浆液配比,使浆液和易性好,泌水性小,为减小浆液的固结收缩,试验室定期取样,进行配合比的优化。
同步注浆浆液选用可硬性浆液,采取配合比见下表。
盾构特殊地段掘进浆液配合比表
水泥(kg)
粉煤灰(kg)
膨润土(kg)
砂(kg)
减水剂(kg)
水(kg)
100
600
70
800
1.2
350
该配比浆液稠度为11cm;初凝时间为7小时。
同步注浆量一般控制在建筑空隙的180%~210%,即每环同步注浆量为5.1~6.0m3。
注浆压力控制在3~4bar左右。
实际施工中浆液的用量及注浆压力结合前一阶段施工的用量以及监测报表进行合理选择,合理选择注浆孔位(一般为隧道底部两侧,减少注浆时瞬间压力对地层的台升),同步注浆尽可能保证匀速、匀均、连续的压注,防止推进尚未结束而注浆停止的情况发生。
(5)盾构机姿态以及纠偏量控制
通过调整盾构机分组推进油缸的油压值,得以调整盾构机切口、铰接、盾尾的姿态,盾构司机应根据隧道设计轴线及坡度合理调整,使得盾构机的切口、铰接、盾尾三点尽可能的接近隧道轴线,避免出现“头大尾小”或“头小尾大”的挤压扩孔现象,挤压扩孔会造成土体损失及管片后方空隙增大引起砂土滑动。
因此在掘进过程中需要严格控制盾构机掘进姿态。
当掘进过程中盾构姿态出现偏差(平面或高程)时,在纠偏过程中,不能急纠、猛纠,做到勤调勤纠,防止纠偏量过大,控制每环纠偏量不大于10mm(平面、高程),控制盾构变坡不大于1‰,以减少盾构施工对地层的扰动影响。
同时在纠偏过程中必然会增大建筑空隙,形成一定程度的超挖。
因此在盾构机进入建(构)筑物影响范围之前,应提前调整好盾构姿态。
在盾构穿越的过程中匀速推进,最快不大于30mm/min;
(6)改良土体
本区间中等液化场地内盾构掘进断面地层主要以③-2层灰色粉砂、④-2层灰色粉质粘土夹粉土为主,穿越过程中土层性质差异性(软硬不均)对掘进不利,需要利用加泥孔向前方土体加注膨润土或泡沫剂来改良土体,提高土体的流塑性以及和易性。
渣土改良的技术目的:
其一:
使盾构机前方土压计反映的土压数值更加准确;
其二:
确保螺旋输送机出土顺畅,减少盾构对前方土体的挤压;
其三:
及时充填刀盘旋转之后形成的空隙。
改良土体膨润土配比:
水:
膨润土=10:
1,浆液黏度28s
改良土体泡沫剂:
5%的泡沫剂原液与95%的水混合成混合液,然后混合液以6~8倍发泡率发泡后注入。
(7)管片拼装
在盾构处于拼装状态下时,千斤顶的收缩会引起盾构机的微量后退,而造成刀盘前方土体失衡,因此在盾构推进结束之后不要立即拼装,等待几分钟之后,待周围土体与盾构机固结在一起,土体相对平衡稳定后,再进行千斤顶的回缩,回缩的千斤顶数量尽可能少,满足管片拼装要求即可。
在管片拼装过程中,尽可能减少拼装的时间,缩短盾构停顿的时间;拼装过程中发现前方土压力下降,可以采用螺旋机反转的手段,将螺旋机内的土体反填到盾构机的前方,起到维持土压力的作用。
拼装结束后,尽可能快地恢复推进。
3、穿越场地内建(构)筑物后的二次注浆稳固措施
由于同步注浆的浆液时,有可能会沿土层裂隙渗透而依旧存在一定间隙,且浆液的收缩变形也引起地面变形及土体侧向位移,受扰动土体重新固结产生地面沉降。
因此针对场地内穿越建(构)物进行二次注浆处理,根据以往经验,对脱出盾尾5环以后的管片进行二次注浆,注浆量按每环1.2m3单液浆或双液浆进行补浆,再根据实际情况(监测结果)需要,加大注浆量用以控制沉降速率,注浆压力控制在3.0bar左右,缓慢注入,减少浆液对土层的再一次快速劈裂。
正常情况下采用单液浆补浆注入,特殊情况下采用双液浆补浆注入。
二次注浆工艺要求:
单液浆配比为水:
水泥=1:
0.8或1:
1;
双液浆配比为水玻璃:
水=1:
3混合后与单液浆1:
1混合注入,双液浆凝胶时间控制在40s,注入速度须比单液浆高。
注浆点位:
选择注浆点位为腰部以上,如下图所示。
注入方式采用:
正常范围内采用打孔套丝上注浆头直接注浆;特殊地段采用TSS管注浆工法,将注浆管插入壁厚土层1~1.2米,注浆管采用尖头花管,后退式注浆。
二次注浆根据地面监测情况随时调整,从而使地层变形量减至最小。
6、场地内穿越建(构)筑物的监测技术
(1)监测点布置
按设计要求及监测规范进行监测点的布置。
(2)监测方法
a、盾构隧道穿越的建(构)筑物
在盾构隧道穿越的建筑物上布设建筑物沉降测点,建筑物沉降测点采用冲击钻在建筑物上打设钻孔,并安设L型钢筋或膨胀螺栓作为沉降测点,采用WILDNA2002水准仪及铟钢尺进行水准测量、跟踪测量的方法。
测点间距在5~10米,布置于建筑物角及柱上,实际的布置示意图如下图所示,测点的布设原则是控制建筑物的不均匀沉降的发生。
建筑物沉降测点示意图
(3)监测频率
在盾构穿越前(进入影响范围)为3次/天,在穿越过程中及穿越后5环期间监测频率3~4次/天,当在施工过程中轨面变形较大或出现异常时,监测频率可根据工程需要随时进行调整,直至进行实时监测。
盾构通过后的地面监测,根据变形点的变形量、变形速率进行回归分析,监测频率也可根据变形速率进行减小,当变形量小于1mm/天时减为2次/1天,当变形量小于0.5mm/天时减为2次/周及至稳定。
(4)监测精度
本工程按二等监测精度要求进行。
测量仪器定期进行检校,每次工作前检查标尺水泡,仪器气泡,水准仪i角不得大于15″,测站高差观测中误差不大于0.2mm。
测站的设置视线长度不大于30m,任意一测站上的视距累计不大于3.0m。
(5)报警值
根据同类工程经验,以控制基准的2/3作为报警值,实际以管理单位提供数据为准。
当监测点达到报警值时,立即报警,分析出原因立即采相对应措施。
(6)监测资料提交
测点布置完成后提交监测点平面点布置图。
监测资料每次以报表的形式提交,每次报表包括测点本次变化量、累计变化量,施工工况入施工现场地面状况描述。
七、中等液化场地内盾构穿越建(构)筑物掘进应急预案
1、应急预案
、盾构机必须停止掘进的情况:
盾构前方发生坍塌或遇到障碍
盾构自转角度过大
盾构位置偏离过大
盾构顶推力较预计的过大
可能发生危及管片防水、运输及注浆遇到障碍等
、地面发生较大沉降
地面发生较大沉降的情况分两种情况,一是地面沉降发生盾构前方,另一个是地面沉降发生在盾构经过区。
沉降在盾构前方的情况:
、首先盾构司机应停机保压(根据地质条件确定保压压力、保压期间时刻关注地面沉降情况)。
、在第一时间将相关情况报告值班领导,值班工程师应各司其职,首先将地面较大沉降甚至坍塌部位进行封锁,并与政府相关部门联系,禁止车辆通行。
、组织人力及物资对较大沉降处进行填充,如有必要,进行加桩加固。
、在进行加固平整后,盾构机方可通过,在通过时,掘进速度不宜过快,控制好刀盘转速,以减小对土体扰动;同时,加大同步注浆量,及时进行二次补偿浆液(具体配比根据地质进行调配)。
盾构机通过后,对沉降地面进行恢复。
地面沉降发生在盾构经过区的情况(针对地面沉降较大甚至坍塌、冒浆):
、根据检测数据确定沉降量,如该地面下的洞内已进行二次注浆,可选择地面注浆加固,同时地面进行填充恢复。
、如地下的洞内措施未进行到二次注浆,则应及时进行二次注浆,注浆的凝固时间应选较短的双液浆,同时地面进行填充恢复。
、建筑物发生倾斜
如发生在盾构前方,则应立即停机,并进行保压;报告值班领导,封锁建筑物周边区域,减少对土体的扰动,防止建筑物的更大倾斜。
同时采取措施,将建筑物进行暂时固定。
另外应将建筑物进行恢复和加固工作。
如发生在盾构机已通过地带,除无须停机外,其它措施与上一条相同。
盾构通过建筑物下方时,应控制好倔进参数、刀盘转速等;增加同步注浆、及时进行二次注浆。
、建筑物裂缝
若发现建筑物裂缝情况,应立即进行建筑物监测。
监测内容包括:
建筑物的四角、大转角处及沿外墙每10~20米处。
高低建筑物,新旧建筑物、纵横墙等交错处的两侧。
不同结构的分界处及填挖分界处。
设制监测允许值及警戒值。
在允许值内的措施为:
保持盾构开挖面的稳定,即调整掘进参数(刀盘和土仓压力、排土量和推进速度、螺旋机转速、千斤顶总推力、注浆方式、盾构姿态及管片拼装偏差等)
同步注浆和二次注浆,减小和防止地面沉降
盾构姿态控制:
盾构推进时控制好姿态,避免盾构上浮、叩头或后退等现象发生。
纠偏时不宜操之过急,以减少地层损失和地面沉降量。
在警戒值时措施为:
加固盾构周围土体,防止土体松弛和扰动,控制盾构上部地层的变形。
隔离因盾构掘进而引起的地基变形,可在建筑物与盾构之间施工隔离帷幕排桩。
加固建筑物的地基,提高地基强度和承载力,控制建筑物沉降。
严格控制盾构机出土量及掘进参数。
同步注浆及二次注浆需及时更近。
根据实际情况往土仓注膨润土或选择用聚合型泡沫剂改良渣土。
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