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盾构机下穿富水砂层及风险源施工技术
发布时间:2018-5-8  作者:李高月  来源:《中国高新科技》杂志  浏览量:1091
摘要:文章以长春地铁东环城路站~世纪大街站区间为工程实例,分析了土压平衡盾构机在穿越砂层中所采用的关键技术及措施,避免了盾构机在通过砂层段出现喷涌、失水、扰动等原因造成沉降,较好地控制了地面构筑物及地下管线的沉降值,保证了施工安全。 关键词:地面塌陷;地面沉降;同步注浆

1 工程概况

1.1 工程简介

东环城路站~世纪大街站区间采用盾构法施工,起讫点里程范围为:K37+760.131~K38+867.862,区间左右线长度分别为1107.73m和1107.731m,区间附属结构包括一座联络通道、泵站。隧道结构埋覆土为11.564m~18.755m。

东环城路站~世纪大街站区间上部为长春市最主要的交通主干道-吉林大路。吉林大路双向8车道,地面交通非常繁忙,地下管线众多(位于道路下方及两侧辅路)。区间主体临近周围建筑物水平距离较远,多在10m以上。左线盾构隧道正上方有一处联通信号塔,塔基础底部距离盾构隧道拱顶8.5m;位于左线左侧4.2m有一根DN1200雨污合流排水管,东西走向,埋深4.11m,排水管底部距离左线盾构隧道拱顶7.69m;在砂层范围内有2根横向穿过盾构隧道的燃气管;在距离盾构隧道拱顶大约11m有一根铸铁DN400自来水管,南北向横穿盾构隧道区间左右线。

1.2 工程地质

东环城路站-世纪大街站区间西端210m、东段110m范围隧道上部存在中粗砂,砂层厚度为2~3.5m,其余范围均为泥岩。场地地层沉积具有一定的规律性,场地地层主要由4部分组成:道路结构层和人工堆积杂填土层、第四系全新统冲洪积粘性土和砂土、第四系中更新统冲洪积粘性土和砂土、白垩纪泥岩组成。

水文地质:本区间存在3层地下水,第1层为孔隙潜水;第2层为浅层微承压水;第3层为泥岩裂缝水。

2 面临技术难题

2.1 防止地面塌陷

砂层段位于盾构机掌子面自隧道拱顶向下1.6m、向上1.1m范围,砂层含水率高,具有微承压性,盾构掘进时涌水将砂层中的细沙冲出,极易造成地层形成空洞,进而反射到地面,造成地面塌陷。砂层由西往东发展,且砂层底标高到世纪大街站逐渐走低,在世纪大街站车站施工期间,降水时间长达2年,在近2年的降水过程中砂层中的承压水由西往东流动,砂层中的部分细小颗粒流失,导致砂层中存有部分空洞,盾构掘进对砂层的扰动后易造成地面塌陷[1]

2.2 风险源地面沉降

联通信号塔底部距离盾构隧道拱顶8.5m埋深内其地质情况由下往上依次为:1m左右的承压砂层、6.5m粉质黏土、1m左右素填土。盾构隧道所在上部大约有2m的承压砂层,当盾构施工到此处时,由于盾构在砂层中施工造成的刀盘扭矩、总推力过大,盾构往前掘进相对困难等各种因素,导致盾构施工时,盾构刀盘对地层的扰动加大,盾构出渣总量控制困难等使得塔基础出现局部下沉而引起的塔倾斜甚至塔基础整体下沉等严重后果。

2.3 螺旋机喷涌

螺旋机喷涌的原因主要有富水地层开挖面富水、盾构不能连续掘进、已成型盾构隧道同步注浆液没有完全充实衬背空隙以致留下流水通道等。喷涌-停机-喷涌,如此恶性循环,盾构掘进缓慢。

3 关键技术及实施

3.1 掘进参数优化

1)把每环1.2m分成4段,严格控制每段30cm的出土量,总出土量控制在44.6~55.7m3/环。

2)降低刀盘转速,控制在1.0~1.4rpa/min。尽量小扭矩小推力掘进,尽量减少对地层的扰动。

3)盾构机掘进时尽量避免停机,保证匀速推进,刀盘转速和掘进速度不宜过大,尽量减小地面扰动具体掘进参数控制如下:推进平均速度25~40mm/min,峰值≤50mm/min。刀盘扭矩控制在3500N.m以内。总推力控制在14000kN以内。

4)在不纠偏的情况下,上部土压宜控制在0.08~0.12MPa之间,纠偏情况下根据当时情况而定。注意观察上土压与左右土压的差,如果差异较大,考虑土体的和易性,检查渣土改良的效果。在过砂层阶段,中左和中右差异大时,按最小值≥0.10MPa,上左和上右差异小时,按最小值≥0.08MPa(可根据实际情况作适当地调整)。在过风险源时,如果推力和扭矩在可控范围内,可适当提高土仓压力,最高≤0.15MPa。盾构机短时间停机时,上土压≥0.08MPa;盾构机长时间停机时,上土压≥0.1MPa,同时往土仓和同步注浆管路注入膨润土。

3.2 土体改良

有必要时,采取添加化学药剂以改变渣土的和易性和流塑性降低刀盘扭矩。每环推进前要提前注入泡沫,推进过程要严格控制泡沫和水的注入量,转动刀盘,保证盾构机推进过程泡沫注入口的通顺;也可采用专门针对砂层配置的泡沫(聚合型)对渣土进行改良;在过风险源处添加膨润土对渣土进行改良。

3.3 洞内注浆

3.3.1 同步注浆

提高同步注浆量,严格把控同步注浆方量,加强对同步注浆质量的控制。每环推进50mm时开始同步注浆,在剩余50mm时停止同步注浆。随着盾构的前进,浆液泵送系统通过泵送装置将浆液注入管片和开挖洞身之间的环形间隙之中,注浆泵尽量采用手动加自动模式控制。

本区间注浆采用水泥(kg):粉煤灰(kg):膨润土(kg):砂(kg):水(kg)=180:360:100:710:410的单液浆,注浆量为6.48m3/环,同时控制注浆压力在1.6~2.5bar。掘进过程中,同步注浆注到设定压力后停3~4min,如果压力有下降,继续进行注浆,直到压力稳定。当注足6.48m3时,看压力是否上涨;如果压力一点没有上涨,可再注;如果压力上涨明显,可停止注浆,待推进时再注浆;但在拼装时必须停止同步注浆,注浆压力和注浆量发生异常时,及时上报,并查明原因。同步注浆速度根据注浆量和掘进速度确定。在每次注浆过程完成后,对注浆设备进行冲洗,避免浆液在整个注浆系统的沉淀、堵塞。

3.3.2 管片壁后注浆

根据出渣量、同步注浆量等数据分析,对于未闭合的每环及时跟进壁后补浆作业,在距离拼装环15环左右的位置上方120°范围以内,利用管片上的吊装孔,及时对管片上方进行注浆加固。根据实际情况适当缩减注浆跟进距离(10~15环)。

3.4 地面加固

联通信号塔的地面保护,采用袖阀管注浆加固措施。袖阀管注浆深度比信号塔基础深2m,间距为500mm,等边三角形布置。主要注浆工艺及参数要求如下:

1)采用PO42.5号普通硅酸盐水泥;水玻璃(硅酸钠)浓度为30~45Be’,模度为2.4~3.4。

2)水泥浆水灰比1:1;水玻璃和水配比1:1;双液浆配比为水泥浆:水玻璃稀释溶液=1:1(体积比),胶凝时间为50~75s。

3)注浆压力值为0.5~1.5MPa,施工过程中根据现场实际进行调整。

4)注浆管采用D=40mm袖阀管,钻孔直径为80mm。

5)在注浆过程中需严格控制注浆压力和注浆量,防止损害现有地下管线和发生地面隆起。

3.5 加强监控量测

3.5.1 地表沉降监测

沿结构的中线的正上方地表布置监测点,监测点纵向间距10m;结合原盾构隧道监测点选择3个横向监测断面,严密监控风险源处地表沉降。地表沉降值≤30mm,地表隆起值≤10mm。如图1所示为地表沉降点布设示意图。

1 地表沉降点布设示意图

3.5.2 风险源变形监测

用光学测微法进行观测。测前应对仪器、标尺进行检定,每次测前应对仪器I角进行检测,I<15〃。首次观测可采用单程双测站观测,其后可采用单程单测站观测,监测点必须构成闭合环。监测频率:距掘进面<20m时,1~2次/d;距掘进面<50m时,1次/2d;距掘进面>50m时,1次/周。沉降值≤20mm。

3.5.3 管线沉降监测

监测点的布设采用直径18mm的螺纹钢,长度超过道路面层,与地下管线相衔接,管线点布置方法与地表沉降点布设一样,其余的主要布设在管线工作井内,直接布设在管线本身。

沉降值:+10~-20mm(无压)、+10~-10mm(有压)。

4 施工效果

4.1 地面沉降效果

通过采取各种措施,在过砂层地段掘进过程中,地面最大沉降累计量28.0mm,保证了路面和房屋的沉降量在设计允许范围内(设计值≤30mm),对路面环境的影响较小。

4.2 土体改良效果

通过室内试验,并结合实际应用及监测结果表明:泡沫和膨润土同时使用不仅可改良全断面粉细砂层的流动性,而且降低了渗透性,既有利于防止喷涌、防止闭塞,通过大量膨润土的注入又降低了地层的空隙,减少了泡沫的消散和损失,保证了仓压的稳定,很好地控制了地面沉降。

4.3 风险源保护效果

通过地面袖阀管注浆加固,盾构机快速通过,联通信号塔沉降量为17.6mm,在设计允许范围内。

5 结语

综上所述,文章以长春地铁盾构区间为载体,针对盾构机穿越富水砂层及重要市政设施的工况展开研究。通过地表袖阀管注浆加固、盾构土体深度改良和科学合理化监测等技术的综合应用,有效控制了盾构机喷涌、失水、超挖等问题的发生,进而有效抑制了地面构筑物及地下管线的沉降,确保了施工安全,达到了预期的研究目的,对类似工程具有一定的参考借鉴价值。

参考文献

[1]陈希哲,叶菁.土力学地基基础[M].5版.北京:清华大学出版社,2013.

[2]周文波.盾构法隧道施工技术及应用[M].北京:中国建筑工业出版社,2014.


收稿日期:2018-03-12

作者简介:李高月(1985-),女,宁夏石嘴山人,中铁二十局集团第四工程有限公司工程师,研究方向:地铁施工技术。

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