盾構法施工在天津地鐵中的應用摘 要:通過介紹天津地鐵一號線盾構施工中的重要參數和對環境保護,尤其重要構(建)筑物的保護方案、措施,說明在天津地鐵區間施工引進盾構施工工法的合理性及實用性。關鍵詞:天津地鐵;盾構法;重要參數;環境保護 法施工屬于地下工程中的“非開挖”技術,其選型和應用受到具體土體工程地質和水文地質條件等相關因素的影響。地質資料顯示天津地區地處沖積平原,土層主要為第Ⅰ陸相層、第Ⅰ海相層、第Ⅱ陸相層、第四系上更新統第Ⅲ陸相層、第Ⅱ海相層及第Ⅳ陸相層,主要是粉土和粉質黏土軟土地層,從地質條件上看,天津地鐵較適合盾構法施工。因此,盾構法的引入解決了天津地鐵區間施工對周圍環境的影響,同時工程造價又低于礦山法。 結合天津地區實際情況,針對盾構法施工在天津地鐵工程中的應用進行介紹。1概述 天津地鐵一號線新建段盾構區間分別為小白樓站—下瓦房站、下瓦房站—南樓站、南樓站—土城站3個區間,全長為3440m。結構管片頂部埋深為6～12m,隧道洞身主要位于第Ⅰ海相層、第Ⅱ陸相層和第四系上更新統第Ⅲ陸相層。隧道內徑為5500mm,管片厚度為350mm。3個區間均采用單向推進、不過站、不掉頭的施工工藝。 根據天津的地質條件,3個區間均使用土壓平衡盾構,本次施工采用了德國海瑞克和日本川崎兩公司盾構機,通過工程實踐,取得了一定的技術參數。具體應用情況為:小白樓站—下瓦房站、下瓦房站—南樓站2個區間使用德國海瑞克盾構機,南樓站—土城站區間使用日本川崎設備。 本文結合小白樓站—下瓦房站區間施工情況,從以下幾個方面介紹盾構法在天津地鐵的應用。2盾構機的選擇 盾構機的選擇主要根據工程所在區域的地層工程地質和水文地質情況、工程的線路情況(包括平面和豎向隧道線型、沿線的環境條件和地下障礙物情況等)、盾構機的機械性能等方面。結合天津地區土層飽和軟弱地層較均勻的特性,采用適用地層范圍廣、技術先進合理,在其他地區運用較為成熟的土壓平衡式盾構機。3 盾構推進施工參數設定 (1)平衡壓力值的設定 據計算,在盾構穿越加固區時,取值約為0.17MPa;在正常段推進中取值約為0.20～0.24MPa。 (2)盾構機的推力設定 實際施工時,在盾構穿越加固區時,取值約為10000kN;在正常段推進中取值約為10000～13000kN。 (3)推進出土量設定 每環理論出土量=(π×D2×L)/4=32.05m3/環。 盾構推進實際出土量控制在98%～100%,穿越加固區時,出土量約為32m3/環;正常段推進時出土量約為31～32m3/環。 (4)推進速度設定 加固區推進速度宜控制在10mm/min左右;正常推進時在保證地面變形滿足設計要求和規范的前提下,推進速度基本在30～50mm/min。一般情況下每天可推進8～10環,最快為20環/d,最慢為5環/d。 (5)刀盤油壓設定 加固區土質較硬推進較慢,刀盤油壓值相對較高,一般為16～18MPa;出加固區后,盾構正常推進,油壓值基本在14～16MPa。4地面變形量控制 影響地面變形的因素主要有2個:盾構推進和同步注漿與壁后補壓漿。(1)盾構推進引起的地面變形 本區間所用盾構機為土壓平衡盾構。平衡壓力P0設置范圍為 (水壓力+主動土壓力)<P0<(水壓力+被動土壓力) 以平衡壓力與正面的土壓力相匹配為控制目標,通過實測土壓力值P1與P0值相比較,依此壓差進行相應的排土管理。其控制流程如下: 當P0<Pi時,盾構機平衡壓力低于正面土壓,造成超挖,地面將產生沉降; 當P0>Pi時,盾構機平衡壓力高于正面土壓,造成欠挖,地面將產生隆起; 當P0=Pi時,盾構機正常推進。 因此,盾構機的平衡壓力控制直接導致盾構正面地面土體的變形量。(2)盾構推進 盾構直徑為6.39m,管片直徑為6.2m,盾構施工后的建筑空隙如果不填充,周圍土體就會向此空隙移動,造成地面沉降。盾構推進中的同步注漿和襯砌壁后補壓漿是充填土體與管片圓環間的建筑空隙、控制地層變形和減少后期變形的主要手段,也是盾構推進施工中的一道重要工序。①同步注漿 每環理論建筑空隙:1.0π(6.392-6.22)/4=1.87m3 盾構外徑:φ6.39m;管片外徑:φ6.2m 每環壓漿量一般取建筑空隙的150%～250%,即每環同步注漿量為2.81～4.68m3。泵送出口處的壓力應根據不同深度和土質來控制,一般為0.3MPa左右。漿液配比見表1。
②壁后注漿 當盾構推進至特殊地段時,地面上有需保護的建筑物(王仲山故居)或管線時,可根據實際情況和地層變形監測信息及時調整進行壁后補壓漿。漿液可采用雙液漿,注漿的壓力值、壓入量和具體壓入位置根據實際情況而定,一般注漿壓力在0.3～0.4MPa。漿液配比見表2。5 主要施工技術措施 (1)嚴格控制盾構施工參數 為確保盾構沿設計軸線推進,必須采取以下措施控制切口土壓力、推進速度、出土量,盡量減少平衡壓力的波動,同時在曲線推進過程中,考慮到刀盤正面所受壓力的差異,需同步調整控制左右區間油壓值和左右推進千斤頂行程,使之沿設計軸線推進。具體措施為:①根據出土量和系統監測設備,及時觀察、調整盾構機平衡壓力;②根據出土的土質狀況和地質報告中地層揭示情況,提前預測正面土體壓力,適時升高或降低盾構機平衡壓力;③嚴格控制土倉壓力及出土量,防止超挖及欠挖;④根據土體的力學性能結合盾構機的機械性能,控制刀盤的前移距離;⑤加快每環的拼裝速度,減少盾構機在軟弱土層的停留時間;⑥正常推進時速度宜控制在2～4cm/min。過建筑物時推進速度宜控制在1cm/min左右。 (2)嚴格控制糾偏量 盾構的曲線推進實際上是處于曲線的切線上,因此,推進的關鍵是確保對盾構頭部的控制。在曲線時,盾構推進施工環環都在糾偏,必須做到勤測勤糾,而每次的糾偏量應盡量小,確保楔形塊的環面始終處于曲率半徑的徑向豎直面內。控制和掌握盾構單次糾偏的幅度,使糾偏盡量均勻穩定,以減少糾偏對周圍土體造成的影響。同時,在確保盾構正面變形控制在良好的情況下,使盾構均衡勻速施工,以減少盾構施工對地面的影響。在曲線段施工管片拼裝位置應嚴格控制。若管片位置不理想,且曲線管片無法滿足糾偏時,應采用軟木楔子進行調整,使管片處于較理想位置狀態,確保盾構軸線。 (3)控制襯砌背后注漿 推進時應嚴格控制漿液的質量、注漿量、注漿位置和注漿壓力,并根據施工中的變形監測情況,隨時調整注漿參數,必要時采用壁后補壓漿的方法進行控制。在施工過程中采用推進和注漿聯動的方式,注漿未達到要求時盾構暫停推進,以防止土體變形。注漿工藝應注意以下幾點,以確保注漿效果:①控制注漿時間,確保在最佳的時間采取注漿措施;②根據土質情況,確定采用同步注漿、半同步注漿或推進后注漿、后方注漿;③根據土層條件(土的種類、土壓、承壓、水壓等)和掘削條件的不同確定同步注漿壓力和注漿量;④采取措施防止背后注入漿液從盾尾、工作面管片接頭等處泄露;⑤根據填充效果和目的(是否考慮抗滲等問題),適當采取二次注漿;⑥確保注漿材料質量和注漿工藝的恰當性。 雖然設計軸線為圓滑曲線,但在實際推進過程中,掘進軸線必然為一段段折線,且曲線外側出土量又大。這樣,必然造成曲線外側土體的損失,并存在開挖施工建筑空隙增大。因此,在曲線段推進過程中在進行同步注漿的工程中必須加強對曲線段外側的壓漿量,以填補施工空隙,同時加固外側土體,使外側土體給予管片足夠的支撐力,減小已成隧道的水平位移,確保盾構順利沿設計軸線推進。(4)對于出現超沉建筑物的補救措施及加強地面跟蹤注漿 盾構穿越重要地段時,加強對地面變形情況的監測分析,及時調整推進參數。若地面建筑物變形量超過警戒范圍時,則需在隧道內通過管片注漿孔進行壁后雙液注漿,并進行地面跟蹤注漿來保護建筑物。6施工中的難點 (1)盾構穿越“王仲山舊居”施工 在浦口道和南京路之間,盾構軸線上方有百年歷史的“王仲山舊居”(磚木結構),坐落于天然地基上,基礎為1.0m的磚墻基礎。為保護此建筑物,對盾構推進的軸線和地面變形控制要求嚴格,為控制重點,在施工中采取了前述幾點技術措施加以控制,同時還采取以下措施。 ①加強地面跟蹤注漿 由于“王仲山舊居”對變形非常敏感,盾構穿越建筑物前200m時,沿建筑物周邊提前埋設可以反復注漿的注漿花管,并布置一定數量的監測控制點。盾構穿越建筑物時,若地面建筑物變形量超過警戒范圍時,除需在隧道內通過管片注漿孔進行壁后雙液注漿,更要及時進行地面跟蹤注漿來調整和控制建筑物的沉降量,只有地面的注漿措施對于保護建筑物更為有效、直接。 根據建筑物與線路的關系,沿周邊按照1.5m間距布置可以反復注漿花管,埋入地下8～10m。漿液主要材料配比見表3。 ② 采用靜力水準方法監測 針對建筑物的平面布局和基礎形式,結合結構與線路的平面關系,在結構的每個角部和每條邊的中部埋設監測連通管。 由于采取了得當的施工措施和施工信息化的反饋工作到位,最終沉降量為-10.4mm,完全控制在其允許沉降范圍內(據推斷分析,“王仲山舊居”最大沉降量約為25mm),確保了名人故居的安全。(2)穿越磚砌污水方涵 磚砌方涵斷面尺寸為2.35m×2.35m,位于天津市河西區大沽南路、圍堤道和尖山路交會的五岔路口,總體走向為圍堤道方向,與大沽南路斜交。據調查,方涵建于1958年,目前仍在使用。方涵與南樓站—土城站區間的左右線隧道相交處隧道埋深分別為13.224m和13.596m。方涵位于地下3m以下,距隧道凈距約為8.246m。 根據理論計算和分析,方涵沉降量應控制在20mm以內。施工時通過該地下結構時,通過采取以下措施,盾構推進引起的地面沉降變形基本控制在5～20mm: ①根據盾構推進自動監測設備和地面監測的數據,及時調整盾構正面壓力,合理控制推進速度; ②嚴格控制土艙壓力及出土量,防止超挖、欠挖; ③控制盾構推進姿態的變化,保持均衡勻速的施工,減少對地層的擾動,方涵處盾構隧道洞體位于300m半徑曲線上,控制好盾構姿態和單次糾偏幅度,使糾偏量均勻、穩定,以減少因糾偏對周圍土體造成的影響; ④控制同步注漿的漿液質量和注漿壓力、注漿量,減少盾構推進過后土體的變形。7 結論 (1)盾構選型考慮了小半徑的施工,因此,選擇了具有糾偏千斤頂裝置的鉸接盾構。調整盾尾的位置,使盾尾與管片的相關位置得到改善,從而便于管片的拼裝,更好地控制隧道的推進軸線。 (2)調整好刀盤的開孔率和壓力對控制地面沉降極為重要,再加以輔助措施,實踐證明沉降還是可以很好地控制在設計范圍內的。 (3)對于施工中的重點部位,加強監測和確保實現信息化施工,是達到預期目標的重要手段。參考文獻:［1］林宗元主編.巖土工程治理手冊［K］.沈陽：遼寧科學技術出版社，1996.［2］GBJ—89，建筑地基基礎設計規范［S］.［3］葉書麟，等.地基處理與托換技術［M］.北京：中國建筑工業出版社，1994.［4］張庭華.土壓平衡盾構土艙壓力控制技術研究［J］.鐵道標準設計，2005（8）.［5］劉建航，侯學淵.盾構法隧道［M］.北京：中國鐵道出版社，1991.［6］張鳳祥，朱合華，傅德明.盾構隧道［M］.北京：人民交通出版社，2004.
②壁后注漿 當盾構推進至特殊地段時,地面上有需保護的建筑物(王仲山故居)或管線時,可根據實際情況和地層變形監測信息及時調整進行壁后補壓漿。漿液可采用雙液漿,注漿的壓力值、壓入量和具體壓入位置根據實際情況而定,一般注漿壓力在0.3～0.4MPa。漿液配比見表2。5 主要施工技術措施 (1)嚴格控制盾構施工參數 為確保盾構沿設計軸線推進,必須采取以下措施控制切口土壓力、推進速度、出土量,盡量減少平衡壓力的波動,同時在曲線推進過程中,考慮到刀盤正面所受壓力的差異,需同步調整控制左右區間油壓值和左右推進千斤頂行程,使之沿設計軸線推進。具體措施為:①根據出土量和系統監測設備,及時觀察、調整盾構機平衡壓力;②根據出土的土質狀況和地質報告中地層揭示情況,提前預測正面土體壓力,適時升高或降低盾構機平衡壓力;③嚴格控制土倉壓力及出土量,防止超挖及欠挖;④根據土體的力學性能結合盾構機的機械性能,控制刀盤的前移距離;⑤加快每環的拼裝速度,減少盾構機在軟弱土層的停留時間;⑥正常推進時速度宜控制在2～4cm/min。過建筑物時推進速度宜控制在1cm/min左右。 (2)嚴格控制糾偏量 盾構的曲線推進實際上是處于曲線的切線上,因此,推進的關鍵是確保對盾構頭部的控制。在曲線時,盾構推進施工環環都在糾偏,必須做到勤測勤糾,而每次的糾偏量應盡量小,確保楔形塊的環面始終處于曲率半徑的徑向豎直面內。控制和掌握盾構單次糾偏的幅度,使糾偏盡量均勻穩定,以減少糾偏對周圍土體造成的影響。同時,在確保盾構正面變形控制在良好的情況下,使盾構均衡勻速施工,以減少盾構施工對地面的影響。在曲線段施工管片拼裝位置應嚴格控制。若管片位置不理想,且曲線管片無法滿足糾偏時,應采用軟木楔子進行調整,使管片處于較理想位置狀態,確保盾構軸線。 (3)控制襯砌背后注漿 推進時應嚴格控制漿液的質量、注漿量、注漿位置和注漿壓力,并根據施工中的變形監測情況,隨時調整注漿參數,必要時采用壁后補壓漿的方法進行控制。在施工過程中采用推進和注漿聯動的方式,注漿未達到要求時盾構暫停推進,以防止土體變形。注漿工藝應注意以下幾點,以確保注漿效果:①控制注漿時間,確保在最佳的時間采取注漿措施;②根據土質情況,確定采用同步注漿、半同步注漿或推進后注漿、后方注漿;③根據土層條件(土的種類、土壓、承壓、水壓等)和掘削條件的不同確定同步注漿壓力和注漿量;④采取措施防止背后注入漿液從盾尾、工作面管片接頭等處泄露;⑤根據填充效果和目的(是否考慮抗滲等問題),適當采取二次注漿;⑥確保注漿材料質量和注漿工藝的恰當性。 雖然設計軸線為圓滑曲線,但在實際推進過程中,掘進軸線必然為一段段折線,且曲線外側出土量又大。這樣,必然造成曲線外側土體的損失,并存在開挖施工建筑空隙增大。因此,在曲線段推進過程中在進行同步注漿的工程中必須加強對曲線段外側的壓漿量,以填補施工空隙,同時加固外側土體,使外側土體給予管片足夠的支撐力,減小已成隧道的水平位移,確保盾構順利沿設計軸線推進。(4)對于出現超沉建筑物的補救措施及加強地面跟蹤注漿 盾構穿越重要地段時,加強對地面變形情況的監測分析,及時調整推進參數。若地面建筑物變形量超過警戒范圍時,則需在隧道內通過管片注漿孔進行壁后雙液注漿,并進行地面跟蹤注漿來保護建筑物。6施工中的難點 (1)盾構穿越“王仲山舊居”施工 在浦口道和南京路之間,盾構軸線上方有百年歷史的“王仲山舊居”(磚木結構),坐落于天然地基上,基礎為1.0m的磚墻基礎。為保護此建筑物,對盾構推進的軸線和地面變形控制要求嚴格,為控制重點,在施工中采取了前述幾點技術措施加以控制,同時還采取以下措施。 ①加強地面跟蹤注漿 由于“王仲山舊居”對變形非常敏感,盾構穿越建筑物前200m時,沿建筑物周邊提前埋設可以反復注漿的注漿花管,并布置一定數量的監測控制點。盾構穿越建筑物時,若地面建筑物變形量超過警戒范圍時,除需在隧道內通過管片注漿孔進行壁后雙液注漿,更要及時進行地面跟蹤注漿來調整和控制建筑物的沉降量,只有地面的注漿措施對于保護建筑物更為有效、直接。 根據建筑物與線路的關系,沿周邊按照1.5m間距布置可以反復注漿花管,埋入地下8～10m。漿液主要材料配比見表3。 ② 采用靜力水準方法監測 針對建筑物的平面布局和基礎形式,結合結構與線路的平面關系,在結構的每個角部和每條邊的中部埋設監測連通管。 由于采取了得當的施工措施和施工信息化的反饋工作到位,最終沉降量為-10.4mm,完全控制在其允許沉降范圍內(據推斷分析,“王仲山舊居”最大沉降量約為25mm),確保了名人故居的安全。(2)穿越磚砌污水方涵 磚砌方涵斷面尺寸為2.35m×2.35m,位于天津市河西區大沽南路、圍堤道和尖山路交會的五岔路口,總體走向為圍堤道方向,與大沽南路斜交。據調查,方涵建于1958年,目前仍在使用。方涵與南樓站—土城站區間的左右線隧道相交處隧道埋深分別為13.224m和13.596m。方涵位于地下3m以下,距隧道凈距約為8.246m。 根據理論計算和分析,方涵沉降量應控制在20mm以內。施工時通過該地下結構時,通過采取以下措施,盾構推進引起的地面沉降變形基本控制在5～20mm: ①根據盾構推進自動監測設備和地面監測的數據,及時調整盾構正面壓力,合理控制推進速度; ②嚴格控制土艙壓力及出土量,防止超挖、欠挖; ③控制盾構推進姿態的變化,保持均衡勻速的施工,減少對地層的擾動,方涵處盾構隧道洞體位于300m半徑曲線上,控制好盾構姿態和單次糾偏幅度,使糾偏量均勻、穩定,以減少因糾偏對周圍土體造成的影響; ④控制同步注漿的漿液質量和注漿壓力、注漿量,減少盾構推進過后土體的變形。7 結論 (1)盾構選型考慮了小半徑的施工,因此,選擇了具有糾偏千斤頂裝置的鉸接盾構。調整盾尾的位置,使盾尾與管片的相關位置得到改善,從而便于管片的拼裝,更好地控制隧道的推進軸線。 (2)調整好刀盤的開孔率和壓力對控制地面沉降極為重要,再加以輔助措施,實踐證明沉降還是可以很好地控制在設計范圍內的。 (3)對于施工中的重點部位,加強監測和確保實現信息化施工,是達到預期目標的重要手段。參考文獻:［1］林宗元主編.巖土工程治理手冊［K］.沈陽：遼寧科學技術出版社，1996.［2］GBJ—89，建筑地基基礎設計規范［S］.［3］葉書麟，等.地基處理與托換技術［M］.北京：中國建筑工業出版社，1994.［4］張庭華.土壓平衡盾構土艙壓力控制技術研究［J］.鐵道標準設計，2005（8）.［5］劉建航，侯學淵.盾構法隧道［M］.北京：中國鐵道出版社，1991.［6］張鳳祥，朱合華，傅德明.盾構隧道［M］.北京：人民交通出版社，2004.