機場線盾構隧道下穿橋梁接近施工沉降控制[摘要]結合北京軌道交通機場線盾構法穿越三元橋的實際工況,提出了針對北京地區典型地質條件下的沉降控制措施,包括穿越前盾構機的準備、關鍵施工參數控制、土體改良、同步注漿、補充注漿、施工監測和信息化管理。施工過程中的監測結果表明,這些措施是行之有效的。[關鍵詞]盾構隧道;接近施工;施工措施;沉降控制1 工程概況 本段工程起于三元橋車站西南側站端,向西南方向穿越三元橋后進入東外斜街,下穿亮馬河橋,到達察慈小區住宅樓西南側的盾構接收井。下穿三元橋的隧道左右雙線最近處相距24m,左、右線分別距離橋梁的墩臺4、8m,隧道拱頂距離橋基最近點垂直距離為9.8m。若穿越施工控制不當,將動搖橋梁墩臺基礎,直接威脅橋梁安全。三元橋基礎為條形擴大基礎,由V形柱傳遞荷載至條形基礎上。隧道與橋墩臺的位置關系如圖1所示。隧道所穿越的土層,自地表向下依次為人工填土層、第四紀全新世沖洪積層。區間隧道主要穿越粘土、粉土。本段地層中有層間滯水、潛水和承壓水,但承壓水受人工降水影響已經不再具有承壓性。
2 地表沉降控制技術措施2·1 盾構機的準備 在穿越橋區前,即在距橋體50m時停機檢修,對盾構機械設備檢查和保養,保證施工的連續性,避免因設備消耗而導致施工停頓,造成不必要的土體擾動。通過三元橋施工范圍的確定,按照盾構機進站掘進對土體的影響范圍(影響范圍為橋基前后±50m[1])進行控制。2·2 主要施工參數控制 1)土壓力 原則上根據理論計算值確定。施工中可根據橋基的沉降情況及時作出調整。在盾構機推進時,刀盤壓向掌子面,切刀壓入土體,此時土體受到壓縮,其支撐力應大于水、土壓力及各項阻力,其中土壓力要考慮最不利工況及安全因素,取大于靜止土壓力,遠小于被動土壓力,即處于彈性平衡狀態。支撐土壓力的推力值建議取靜止土壓力的1.4~1.6倍,即p=(1.4~1.6)p0為宜[2]。 2)掘進速度 降低盾構機推力,采用中低速(15~20mm/min)掘進。可以使土體將盾構掘進所產生的應力充分釋放,避免產生應力過大或過于集中[3]。 3)盾構機姿態控制 在盾構機穿越橋基前應調整好姿態,減少超挖。在進入橋區后盡量減少過大糾偏,以“小糾偏,勤糾偏”為原則,以減小土體擾動對橋梁基礎產生的影響。 4)掘進出土量 嚴格控制出土量,盾構每環掘進長度為1.2m,刀盤外徑6.19m,理論計算的每環出土量為36.1m3,一般控制在理論出土量的98%[3]左右。2·3 土體改良 本工程采用在土體中添加膨潤土和泡沫的方法進行土體改良。司機操作盾構機掘進時,隨時觀察刀盤螺旋輸送機的扭矩及螺旋輸送機排出土的狀態(即塑流性),對泥漿、泡沫的加入量進行調節控制,始終讓刀盤及螺旋輸送機油壓保持正常的數值;盾構施工中加泥漿和泡沫的數量與土質有著極大的關系,一般說來在粘土、粉質粘土中掘進加泥漿的數量不需要太多且加泥漿的濃度也不要太大,因為粘質土自身有比較強的造泥能力,故對加泥漿的數量和濃度要求不高,土的粘性不是太強時,基本上不需要加泡沫即可以使土體的流塑性得到較大的改善,保證掘進的正常進行;在砂層或卵石層中掘進時,由于土質的原因,地層的空隙率較大,地層的漏失較為嚴重,且土自身不具有造泥性,故對加泥漿和加泡沫的數量及質量要求較高,通常在掘進時應適當地加大泥漿的濃度,并根據出土的情況適量的加大泥漿的數量,另外在泥漿中適當的加入泡沫,可以較好的改善土體的流塑性,使得盾構前方土壓保持穩定,較好的控制地面的隆陷。2·4 同步注漿 壁后注漿目的在于填充地層損失,主要填充掘削外徑與管片外壁之間的空隙。壁后注漿采用單液漿同步注漿系統,此區域盾構施工采用四點注漿,來控制成型隧道的質量。注漿壓力控制在0.35~0.4MPa,注漿時一定要確保注漿壓力,且漿液飽滿,直到地層注滿為止。為縮短漿液凝結時間,將惰性漿液改為水泥砂漿,將原配合比中的粉煤灰更換為水泥。根據掌握的反饋信息及時調整漿液的配合比,使漿液的配合比更合理,容重接近于原狀土。為保證漿液的質量,要對制備漿液的原材料進行嚴格控制,要定期測定漿液的坍落度、粘性、離析率、凝結時間、抗壓強度等。2·5 補充注漿加固 根據現場沉降監測情況,及時調整注漿壓力及注漿量。在盾構常規段以盾尾同步注漿即可滿足沉降控制的要求,為保證沉降控制效果,在穿越三元橋段時,對已完成結構加強補漿,控制地面的后期沉降。 二次補注漿安排在當前拼裝管片后第8環管片處開始,對每環管片的16號位預留注漿孔安裝注漿塞進行注漿,注漿壓力控制在0.3~0.4MPa,注漿漿液為水泥-水玻璃雙液漿。 盾構施工進入橋區后,左線管片拼裝盡量采用“16位—14位—16位—14位”,而右線采用“16位—2位—16位—2位”的拼裝方式,如圖2所示。這樣二次補漿的時候即正對橋基的方向進行注漿,可以有效地控制沉降。若二次補漿不能滿足要求,采取三次注漿處理,注漿位置為靠近橋樁的管片2位或14位。通過管片預留注漿孔用洛陽鏟將管片壁后的土體掏挖10m長的孔洞,打入10m長的花管后用水泥漿封堵預留孔周圍間隙,再進行補注漿,壓力控制在0.5~06MPa。2·6 施工監測 在施工前,對三元橋進行系統調查,制定了專門的施工監測方案,建立完善的監測網絡,確保監測結果的準確及高效。沿三元橋橋基縱向部分測點布置如圖3所示。2·7 信息化管理 在施工過程中,注重信息化管理,監控測量及時反饋,指導施工參數的修正,從而優化各項施工控制參數,達到控制沉降的目的。對各個沉降觀測點進行觀測,獲得了施工過程中地表的沉降量,得到了橋梁墩臺基礎沉降量隨時間變化的實況,其沉降曲線如圖4所示。 在掘進過程中,發現沉降量偏大時,及時分析原因,對施工參數進行調整,如增大土倉壓力,立即進行二次補漿等措施,從而對沉降進行了合理的控制。根據設計要求,三元橋的不均勻沉降為5mm。根據監測結果可以看出,沉降控制是有效的。 從圖4可以看出,在盾構機掘進至335環即距離橋基大約50m時,橋基發生隆起,在盾構機掘進至462環以后即穿越橋基50m時,沉降變化已經不大。可以確定,盾構對三元橋的影響范圍約為橋基前后±50m。3 結語 1)土壓力的控制是掘進的首要參數,在推進過程中為使掌子面能夠保持極限平衡狀態,土壓力應控制在靜止土壓力的1.4~1.6倍,即p=(1.4~1.6)p0。 2)同步注漿是控制沉降的主要技術措施,其質量的好壞直接關系到后期的沉降量變化。同步注漿壓力控制在3.5~4MPa,注漿時一定要確保注漿壓力,且漿液飽滿,直到地層注滿為止。另外,為保證其初凝時間將粉煤灰水泥改為普通水泥。 3)盾構機推進至三元橋正下方時,左線管片拼裝采用“16位—14位—16位—14位”,而右線采用“16位—2位—16位—2位”的拼裝方式,利用C形管片的吊裝孔可以進行有效的補充注漿,對于鞏固地表沉降具有重要保證作用。 4)根據沉降監測結果顯示,本段工程盾構法對橋體的影響范圍為橋基前后±50m。 5)重視信息化管理的重要作用,根據監測結果,優化施工參數,包括土壓力和同步注漿及補充注漿壓力的控制、外加劑的種類及加入量、盾構機姿態的保持和管片的拼裝形式等,對于優化施工技術具有重要意義。參考文獻:[1]竺維彬.復合地層中的盾構施工技術[M].北京:中國科學技術出版社,2006.[2]張鳳祥,朱合華,傅德明.盾構隧道[M].北京:人民交通出版社,2004.[3]張鳳祥,傅德明,楊國祥,等.盾構隧道施工手冊[M].北京:人民交通出版社,2005.[4]孫英偉.土壓平衡盾構施工泡沫劑效用分析[J].材料與裝備,2007,(4):60-62.[5]魏康林.土壓平衡盾構施工中泡沫和膨潤土改良土體的微觀機理分析[J].現代隧道技術,2007,(1):74.
2 地表沉降控制技術措施2·1 盾構機的準備 在穿越橋區前,即在距橋體50m時停機檢修,對盾構機械設備檢查和保養,保證施工的連續性,避免因設備消耗而導致施工停頓,造成不必要的土體擾動。通過三元橋施工范圍的確定,按照盾構機進站掘進對土體的影響范圍(影響范圍為橋基前后±50m[1])進行控制。2·2 主要施工參數控制 1)土壓力 原則上根據理論計算值確定。施工中可根據橋基的沉降情況及時作出調整。在盾構機推進時,刀盤壓向掌子面,切刀壓入土體,此時土體受到壓縮,其支撐力應大于水、土壓力及各項阻力,其中土壓力要考慮最不利工況及安全因素,取大于靜止土壓力,遠小于被動土壓力,即處于彈性平衡狀態。支撐土壓力的推力值建議取靜止土壓力的1.4~1.6倍,即p=(1.4~1.6)p0為宜[2]。 2)掘進速度 降低盾構機推力,采用中低速(15~20mm/min)掘進。可以使土體將盾構掘進所產生的應力充分釋放,避免產生應力過大或過于集中[3]。 3)盾構機姿態控制 在盾構機穿越橋基前應調整好姿態,減少超挖。在進入橋區后盡量減少過大糾偏,以“小糾偏,勤糾偏”為原則,以減小土體擾動對橋梁基礎產生的影響。 4)掘進出土量 嚴格控制出土量,盾構每環掘進長度為1.2m,刀盤外徑6.19m,理論計算的每環出土量為36.1m3,一般控制在理論出土量的98%[3]左右。2·3 土體改良 本工程采用在土體中添加膨潤土和泡沫的方法進行土體改良。司機操作盾構機掘進時,隨時觀察刀盤螺旋輸送機的扭矩及螺旋輸送機排出土的狀態(即塑流性),對泥漿、泡沫的加入量進行調節控制,始終讓刀盤及螺旋輸送機油壓保持正常的數值;盾構施工中加泥漿和泡沫的數量與土質有著極大的關系,一般說來在粘土、粉質粘土中掘進加泥漿的數量不需要太多且加泥漿的濃度也不要太大,因為粘質土自身有比較強的造泥能力,故對加泥漿的數量和濃度要求不高,土的粘性不是太強時,基本上不需要加泡沫即可以使土體的流塑性得到較大的改善,保證掘進的正常進行;在砂層或卵石層中掘進時,由于土質的原因,地層的空隙率較大,地層的漏失較為嚴重,且土自身不具有造泥性,故對加泥漿和加泡沫的數量及質量要求較高,通常在掘進時應適當地加大泥漿的濃度,并根據出土的情況適量的加大泥漿的數量,另外在泥漿中適當的加入泡沫,可以較好的改善土體的流塑性,使得盾構前方土壓保持穩定,較好的控制地面的隆陷。2·4 同步注漿 壁后注漿目的在于填充地層損失,主要填充掘削外徑與管片外壁之間的空隙。壁后注漿采用單液漿同步注漿系統,此區域盾構施工采用四點注漿,來控制成型隧道的質量。注漿壓力控制在0.35~0.4MPa,注漿時一定要確保注漿壓力,且漿液飽滿,直到地層注滿為止。為縮短漿液凝結時間,將惰性漿液改為水泥砂漿,將原配合比中的粉煤灰更換為水泥。根據掌握的反饋信息及時調整漿液的配合比,使漿液的配合比更合理,容重接近于原狀土。為保證漿液的質量,要對制備漿液的原材料進行嚴格控制,要定期測定漿液的坍落度、粘性、離析率、凝結時間、抗壓強度等。2·5 補充注漿加固 根據現場沉降監測情況,及時調整注漿壓力及注漿量。在盾構常規段以盾尾同步注漿即可滿足沉降控制的要求,為保證沉降控制效果,在穿越三元橋段時,對已完成結構加強補漿,控制地面的后期沉降。 二次補注漿安排在當前拼裝管片后第8環管片處開始,對每環管片的16號位預留注漿孔安裝注漿塞進行注漿,注漿壓力控制在0.3~0.4MPa,注漿漿液為水泥-水玻璃雙液漿。 盾構施工進入橋區后,左線管片拼裝盡量采用“16位—14位—16位—14位”,而右線采用“16位—2位—16位—2位”的拼裝方式,如圖2所示。這樣二次補漿的時候即正對橋基的方向進行注漿,可以有效地控制沉降。若二次補漿不能滿足要求,采取三次注漿處理,注漿位置為靠近橋樁的管片2位或14位。通過管片預留注漿孔用洛陽鏟將管片壁后的土體掏挖10m長的孔洞,打入10m長的花管后用水泥漿封堵預留孔周圍間隙,再進行補注漿,壓力控制在0.5~06MPa。2·6 施工監測 在施工前,對三元橋進行系統調查,制定了專門的施工監測方案,建立完善的監測網絡,確保監測結果的準確及高效。沿三元橋橋基縱向部分測點布置如圖3所示。2·7 信息化管理 在施工過程中,注重信息化管理,監控測量及時反饋,指導施工參數的修正,從而優化各項施工控制參數,達到控制沉降的目的。對各個沉降觀測點進行觀測,獲得了施工過程中地表的沉降量,得到了橋梁墩臺基礎沉降量隨時間變化的實況,其沉降曲線如圖4所示。 在掘進過程中,發現沉降量偏大時,及時分析原因,對施工參數進行調整,如增大土倉壓力,立即進行二次補漿等措施,從而對沉降進行了合理的控制。根據設計要求,三元橋的不均勻沉降為5mm。根據監測結果可以看出,沉降控制是有效的。 從圖4可以看出,在盾構機掘進至335環即距離橋基大約50m時,橋基發生隆起,在盾構機掘進至462環以后即穿越橋基50m時,沉降變化已經不大。可以確定,盾構對三元橋的影響范圍約為橋基前后±50m。3 結語 1)土壓力的控制是掘進的首要參數,在推進過程中為使掌子面能夠保持極限平衡狀態,土壓力應控制在靜止土壓力的1.4~1.6倍,即p=(1.4~1.6)p0。 2)同步注漿是控制沉降的主要技術措施,其質量的好壞直接關系到后期的沉降量變化。同步注漿壓力控制在3.5~4MPa,注漿時一定要確保注漿壓力,且漿液飽滿,直到地層注滿為止。另外,為保證其初凝時間將粉煤灰水泥改為普通水泥。 3)盾構機推進至三元橋正下方時,左線管片拼裝采用“16位—14位—16位—14位”,而右線采用“16位—2位—16位—2位”的拼裝方式,利用C形管片的吊裝孔可以進行有效的補充注漿,對于鞏固地表沉降具有重要保證作用。 4)根據沉降監測結果顯示,本段工程盾構法對橋體的影響范圍為橋基前后±50m。 5)重視信息化管理的重要作用,根據監測結果,優化施工參數,包括土壓力和同步注漿及補充注漿壓力的控制、外加劑的種類及加入量、盾構機姿態的保持和管片的拼裝形式等,對于優化施工技術具有重要意義。參考文獻:[1]竺維彬.復合地層中的盾構施工技術[M].北京:中國科學技術出版社,2006.[2]張鳳祥,朱合華,傅德明.盾構隧道[M].北京:人民交通出版社,2004.[3]張鳳祥,傅德明,楊國祥,等.盾構隧道施工手冊[M].北京:人民交通出版社,2005.[4]孫英偉.土壓平衡盾構施工泡沫劑效用分析[J].材料與裝備,2007,(4):60-62.[5]魏康林.土壓平衡盾構施工中泡沫和膨潤土改良土體的微觀機理分析[J].現代隧道技術,2007,(1):74.