复杂地层中盾构穿越水工建筑物施工技术研究与应用.docx
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1、简单地层中盾构穿越水工建筑物施工技术争论与应用冯宏朝 王少鹏 高 锋1 引 言随着我国城市化进程的加快,繁华城区的人口在不断增长,为了缓解交通压力,地铁建设方兴未艾。在地铁隧道施工方法中,一般承受盾构法或暗挖法施工,盾构法施工与浅埋暗挖法相比更具优势。盾构法具有对四周环境影响小、自动化程度高、隧道质量好、安全环保的优点,但由于地质的简单性和不行预见性或四周既有建筑物的影响,给盾构施工带来诸多困难。施工不当将有可能造成隧道内涌水、涌砂或建筑物变形,严峻时可能造成冒顶、建筑物倒塌等重大安全事故。在深圳地铁 7 号线施工中,西丽湖西丽区间盾构需下穿既有水工建筑物西丽水库泄水渠,该段地质简单,覆土厚度
2、小。依据前期揭露的地质状况,对泄水闸段进展了受力分析,优化调整盾构掘进参数,结合同步注浆、洞内二次注浆掌握和施工监测,充分做好应急预备工作,使盾构顺当穿越了该建筑物,实现了盾构隧道施工安全生产目标。2 概 述2.1 工程概况深圳市城市轨道交通 7 号线西丽湖站西丽站区间以下简称西西区间位于深圳市南山区,途经西丽水库下游,区间隧道承受盾构法施工,隧道由两分别单洞组成,隧道构造承受两个单线圆形衬砌形式。区间左线长1662m,右线长 1752m,区间总长度为 3414m, 为 7 号线单线区间最长隧道。西丽水库始建于 1959 年,总库容 3238.81 万 m3,从 2023 年东江引水工程投入使
3、用后,其成为东江水源网络干线的中心调蓄水库。近年来,西丽水库年调蓄水量到达全市总用水量的近三成,是深圳市重点供水区之一。西西区间左线 DK0+975.7DK1+443.6m 段 254 环 566 环、右线 DK0+971.8 DK1+493.7m 段279 环627 环穿越西丽水库治理处,穿越长度约 522.0m,隧道距离西丽水库大坝下游坡脚最近约 125m,隧道埋深约 10.515.0m。西西区间隧道于西丽水库下游右线 DK1+005DK1+037、左 DK1+008DK1+043 处下穿西丽水库泄水渠又名大沙河泄水渠,同时侧穿水库桥。泄水渠为西丽水库重要泄水建筑物,水库桥连通动物园路,是
4、深圳市重要交通干线之一。盾构隧道顶距河底距离 5.96.9m,盾构穿越此处右线长度为 33.09m,左线长度为35.12m;盾构穿河段隧道轴线的纵坡为-27.5,并处在半径为 R=800 的圆曲线上。西丽水库泄水渠与隧道关系如图 1-1、1-2、1-3 所示:图 1-3 泄水渠、水库桥与隧道位置关系现状图2.2 工程水文地质盾构穿越水工建筑物段的地层简单,依据设计地质资料,此段自上而下地层依次为: 素填土、粉质粘土、砾砂层、砾质粘性土、全风化花岗岩,地下水位位于隧道顶部以上; 建筑物底部存在一个断层裂开带。隧道穿越水工建筑物段地质如图 1-4 所示:3 施工重难点3.1 盾构穿越地层埋深浅隧道
5、顶部以上为素填土、粉质粘土、砾质粘性土、砾砂等松软土地层,最小埋深仅 5.9m, 为浅覆土地层。盾构穿越时对地面影响较大,易造成地面沉降量超标或隆起,严峻时造成 建筑物裂缝或变形坍塌。3.2 准确确定盾构掘进参数由于泄水闸底板与翼墙高差达 4.8m,地层为软土地层。盾构穿越期间土仓压力将发生变化,必需准确选择压力变化点和处理方法,确定匹配的掘进参数;合理掌握出土量,始 终保持泄水闸与盾构穿越时土压相平衡;准时进展同步注浆,盾构管片前方空隙快速填充 饱满才能确保建筑物构造稳定。3.3 盾构姿势的掌握盾构下穿泄水渠时,假设姿势掌握不好,将引起盾构超挖或欠挖,对围岩的扰动变大; 这不仅会转变围岩的应
6、力分布,而且很可能消灭泄水渠底板开裂渗水现象。盾构隧道位于半径 800m 的转弯段,坡度为 27。在抗压强度相对较小的强风化岩和砾质粘性土层中, 简洁造成盾构“抬头、低头”或偏离设计轴线的问题;而纠偏过猛简洁造成盾构机蛇形前进。因此,对盾构机姿势的掌握,也是盾构下穿建筑物时的难点。3.4 盾构穿越地层地质简单、存在不良地质隧道穿越部位为全风化花岗岩、砾质粘性土、砾砂;地下水位于隧道以上,受长期地 下水侵泡,土质松软,局部可能存在淤泥质脆弱土层。全风化花岗岩中易存在未风化球体,形成孤石。其中,在隧道中部DK1+010.0m 四周存在断层裂开带,断层破损带侵入隧道深度约 5.5m,施工时可能发生涌
7、水、涌砂现象,导致地面沉降,影响泄水闸安全。4 盾构穿越施工技术争论分析依据国内外施工阅历,本工程所选用的复合式土压平衡盾构机完全符合下穿水工建筑物的要求。盾构能否安全顺当穿越此建筑物,最主要的问题是能否将地面沉降掌握在设计要求的范围内、能否准确地选择和掌握好盾构掘进参数、能否准确地掌握好盾构姿势、盾构穿越过程中能否正确有效的解决遇到的断层裂开带或不均匀风化球体等问题。另外还需要做好施工组织治理,做到快速连续的施工,削减施工风险。4.1 浅埋地层沉降因素与规律分析4.1.1 引起地层沉降的因素分析(1) 主观缘由主观因素是引起地面沉降的主要缘由,其与施工人员的工作态度、技术水公平因素联系严密,
8、具体表现为:盾构严峻超挖欠挖引起的地面沉降隆起。在盾构掘进过程中,推动参数不匹配,如推动速度、正面土压力、注浆压力和盾构总推力等参数设定不合理。注浆量缺乏或注浆不准时是引起地面沉降较主要的缘由之一,直接影响“建筑空隙” 的填充。在推动过程中,盾构“姿势”的纠偏对沉降的影响。盾构纠偏就意味着盾构轴线与隧道轴线产生一个偏角。当盾构以“仰头”或“磕头”方式推动时必定在其轨迹上留下一个如图 4-1 所示面积s 范围,引起地面扰动。盾构后退。盾构停机时间较长时,千斤顶会因泄漏油而缩回,从而引起盾构后退。这样可能造成开挖面土体失稳,造成地层沉降。图 4-1盾构因纠偏造成地层扰动示意图(2) 客观缘由客观缘
9、由是非施工人员缘由而引起的地面沉降,它与规划、设计和地质状况有直接关系,通常发生在整个盾构施工过程中,并连续到施工完毕后一段时间,主要为:盾构设计阶段的盾构外径、盾尾间隙尺寸选定,将影响“建筑空隙”的大小;在松软地层掘进时,空隙越大,发生沉降的可能性也越大。由于注浆材料的分散硬化,使填充空隙的浆液在一段时间后消灭萎缩。在土压力作用下,隧道衬砌的变形会引起少量地层损失。盾构施工完毕后,隧道本身应力发生变化,引起地面沉降。4.1.2 盾构施工沉降影响范围盾构施工影响范围可依据Peck 公式进展计算,沉降槽计算数据含义见图 4-2 所示。图 4-2沉降槽正态分布曲线示意图Peck 公式:v - x
10、2 S=(X)exp2pi 2i2 当 x=0 时,沉降最大,为2piS max =vv2.5i其中:式中:Sx距中心横向距离为x 处的沉降量 v沉降槽体积,也称地层损失量推动每米; Smax距隧道中心线的最大沉降量; 距隧道中心线的距离;i沉降槽宽度系数沉降槽曲线拐点; z隧道中心埋深; 土的内摩擦角,对于成层土取加权平均值。依据阅历,地面横向沉陷槽宽度B=2*W5*i。泄水渠段隧道以上地层为类,主要为粉质粘性土和砾质粘性土,内摩擦角系数取 21.2设计图纸,平均埋深 Z 取 6.5m+3m=9.5m,则 i=5.53m沉陷槽总宽度B 约为 27.65m,从两侧向中间均匀沉降。4.1.3 地
11、表沉降变化规律依据盾构施工特点,地表变形的变化进展过程分为五个阶段:(1) 盾构到达前盾构到达前,地表的变形取决于掘进过程中土仓压力和出土量的掌握,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。(2) 盾构到达时盾构到达时,地表变形承接第1阶段的进展。但变化速率增大,是地表隆陷的峰值段。(3) 盾构通过时盾构通过时,一般状况地表会呈沉降变化;假设注浆过分饱满,充填率过大时,会表现为隆起。(4) 盾尾通过时盾尾通过时,最易发生突沉,突沉量可达 30mm。假设注浆准时饱满,可掌握突沉或上隆, 但地面随着浆液的固结收缩会渐渐下沉。(5) 后期沉降盾尾通
12、过后,地表沉降速率渐渐减缓,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。4.1.4 地表建筑物设计变形力量依据设计要求和建筑地基根底设计标准,本工程中水库桥支墩最大沉降量应掌握在25mm 以内,泄水闸建筑物最大沉降量掌握在20mm 以内。4.2 盾构掘进参数分析4.2.1 准确设定掘进参数由于盾构穿越泄水闸时间较短,一般为 23d;且地面监测实施困难,在穿越期间调整掘进参数难度较大。为保证盾构掘进参数设定准确,在盾构穿越前选取试验段,依据区间状况,选择地质与穿越水工建筑物范围较接近的左线第75 环105 环范围作为试验段。对地面隧道上方沿轴
13、线方向间距 3m5m 设置沉降监测点,施工期间进展 24h 监测,同时收集土仓压力、注浆量、出土量、总推力、扭矩、刀盘转速、螺旋机转速、推动速度等全部掘进参数,将掘进过程中各施工参数与地面沉降进展分析比较,最终确定盾构穿越建筑物期间的准确掘进参数。4.2.2 试验段掘进参数分析与争论通过对试验段掘进数据整理分析,主要得出以下结论:(1) 盾构掘进过程中,承受土压力理论值掘进时,掌子面前方消灭微隆起,盾构通过后恢复正常;通过加大同步注浆压力后,盾构通过后地面沉降也消灭微隆起。(2) 盾掘掘进过程中,出土量在 5658m3/环时比较稳定。当土仓压力小于设定土压力 0.02MPa 时,出土量增加。当
14、土仓压力稍大于设定值时,出土量根本稳定;当超过设定值 0.03MPa 时,刀盘位置地面有微量隆体。(3) 将注浆量与地面沉降比照觉察,砾质粘性土注浆量为每环5m时地面有微下沉, 约 13mm;当注浆量为5.5m时沉降量根本稳定;当注浆量为 6m时地面有微隆体,约1 3mm。全风化花岗岩地层时与砾质粘性土根本一样。(4) 对掘进总推力、速度、扭矩和刀盘转速综合分析觉察,推力增大时,掘进速度增加,同时扭矩增加;当推力不变时,增加刀盘转速后,掘进速度有少量增加,但刀盘油温 增加较快,一般转速在 1.21.5r/min 较适宜,推力在 8001100t,扭矩在 1.31.8MNm,推动速度可达 305
15、0mm/min,参数稳定。(5) 盾构掘进过程中遇到孤石时,刀盘扭矩波动猛烈,掘进速度明显下降。(6) 盾构掘进后地面消灭少量沉降时,在管片顶部左右两侧补注水泥浆,地面沉降可以得到掌握,压力较大时地面有隆起现象。4.3 掘进姿势掌握分析争论由于西西区间隧道在该部位掘进时,盾构姿势掌握难度较大。实行先对盾构掘进的75 环105 环试验段姿势掌握进展争论分析。此试验段为 27.5的小坡段,水平方向位于 350m 曲率半径上,主要对盾构掘进姿势掌握方法和推动油缸推力调整与盾构姿势变化进展分析, 得出以下结论:(1) 盾构在此类土层中掘进时,通过增加一侧油缸推力,可以实现向反方向转弯,推力越大,转弯速
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