機場線盾構(gòu)隧道下穿橋梁接近施工沉降控制[摘要]結(jié)合北京軌道交通機場線盾構(gòu)法穿越三元橋的實際工況,提出了針對北京地區(qū)典型地質(zhì)條件下的沉降控制措施,包括穿越前盾構(gòu)機的準(zhǔn)備、關(guān)鍵施工參數(shù)控制、土體改良、同步注漿、補充注漿、施工監(jiān)測和信息化管理。施工過程中的監(jiān)測結(jié)果表明,這些措施是行之有效的。[關(guān)鍵詞]盾構(gòu)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(cè)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(qū)住宅樓西南側(cè)的盾構(gòu)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(dāng),將動搖橋梁墩臺基礎(chǔ),直接威脅橋梁安全。三元橋基礎(chǔ)為條形擴大基礎(chǔ),由V形柱傳遞荷載至條形基礎(chǔ)上。隧道與橋墩臺的位置關(guān)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(jì)全新世沖洪積層。區(qū)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(jīng)不再具有承壓性。
2 地表沉降控制技術(shù)措施2·1 盾構(gòu)機的準(zhǔn)備 在穿越橋區(qū)前,即在距橋體50m時停機檢修,對盾構(gòu)機械設(shè)備檢查和保養(yǎng),保證施工的連續(xù)性,避免因設(shè)備消耗而導(dǎo)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(gòu)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(shù)控制 1)土壓力 原則上根據(jù)理論計算值確定。施工中可根據(jù)橋基的沉降情況及時作出調(diào)整。在盾構(gòu)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(yīng)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(tài)。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(gòu)機推力,采用中低速(15~20mm/min)掘進。可以使土體將盾構(gòu)掘進所產(chǎn)生的應(yīng)力充分釋放,避免產(chǎn)生應(yīng)力過大或過于集中[3]。 3)盾構(gòu)機姿態(tài)控制 在盾構(gòu)機穿越橋基前應(yīng)調(diào)整好姿態(tài),減少超挖。在進入橋區(qū)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(chǔ)產(chǎn)生的影響。 4)掘進出土量 嚴(yán)格控制出土量,盾構(gòu)每環(huán)掘進長度為1.2m,刀盤外徑6.19m,理論計算的每環(huán)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(gòu)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(tài)(即塑流性),對泥漿、泡沫的加入量進行調(diào)節(jié)控制,始終讓刀盤及螺旋輸送機油壓保持正常的數(shù)值;盾構(gòu)施工中加泥漿和泡沫的數(shù)量與土質(zhì)有著極大的關(guān)系,一般說來在粘土、粉質(zhì)粘土中掘進加泥漿的數(shù)量不需要太多且加泥漿的濃度也不要太大,因為粘質(zhì)土自身有比較強的造泥能力,故對加泥漿的數(shù)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(zhì)的原因,地層的空隙率較大,地層的漏失較為嚴(yán)重,且土自身不具有造泥性,故對加泥漿和加泡沫的數(shù)量及質(zhì)量要求較高,通常在掘進時應(yīng)適當(dāng)?shù)丶哟竽酀{的濃度,并根據(jù)出土的情況適量的加大泥漿的數(shù)量,另外在泥漿中適當(dāng)?shù)募尤肱菽?可以較好的改善土體的流塑性,使得盾構(gòu)前方土壓保持穩(wěn)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(tǒng),此區(qū)域盾構(gòu)施工采用四點注漿,來控制成型隧道的質(zhì)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(jié)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(jù)掌握的反饋信息及時調(diào)整漿液的配合比,使?jié){液的配合比更合理,容重接近于原狀土。為保證漿液的質(zhì)量,要對制備漿液的原材料進行嚴(yán)格控制,要定期測定漿液的坍落度、粘性、離析率、凝結(jié)時間、抗壓強度等。2·5 補充注漿加固 根據(jù)現(xiàn)場沉降監(jiān)測情況,及時調(diào)整注漿壓力及注漿量。在盾構(gòu)常規(guī)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(jié)構(gòu)加強補漿,控制地面的后期沉降。 二次補注漿安排在當(dāng)前拼裝管片后第8環(huán)管片處開始,對每環(huán)管片的16號位預(yù)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(gòu)施工進入橋區(qū)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(yù)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(yù)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(jiān)測 在施工前,對三元橋進行系統(tǒng)調(diào)查,制定了專門的施工監(jiān)測方案,建立完善的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò),確保監(jiān)測結(jié)果的準(zhǔn)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(jiān)控測量及時反饋,指導(dǎo)施工參數(shù)的修正,從而優(yōu)化各項施工控制參數(shù),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(chǔ)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(fā)現(xiàn)沉降量偏大時,及時分析原因,對施工參數(shù)進行調(diào)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(jù)設(shè)計要求,三元橋的不均勻沉降為5mm。根據(jù)監(jiān)測結(jié)果可以看出,沉降控制是有效的。 從圖4可以看出,在盾構(gòu)機掘進至335環(huán)即距離橋基大約50m時,橋基發(fā)生隆起,在盾構(gòu)機掘進至462環(huán)以后即穿越橋基50m時,沉降變化已經(jīng)不大。可以確定,盾構(gòu)對三元橋的影響范圍約為橋基前后±50m。3 結(jié)語 1)土壓力的控制是掘進的首要參數(shù),在推進過程中為使掌子面能夠保持極限平衡狀態(tài),土壓力應(yīng)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(shù)措施,其質(zhì)量的好壞直接關(guān)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(gòu)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(jù)沉降監(jiān)測結(jié)果顯示,本段工程盾構(gòu)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(jù)監(jiān)測結(jié)果,優(yōu)化施工參數(shù),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(gòu)機姿態(tài)的保持和管片的拼裝形式等,對于優(yōu)化施工技術(shù)具有重要意義。參考文獻:[1]竺維彬.復(fù)合地層中的盾構(gòu)施工技術(shù)[M].北京:中國科學(xué)技術(shù)出版社,2006.[2]張鳳祥,朱合華,傅德明.盾構(gòu)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(gòu)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(gòu)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(gòu)施工中泡沫和膨潤土改良土體的微觀機理分析[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2007,(1):74.
2 地表沉降控制技術(shù)措施2·1 盾構(gòu)機的準(zhǔn)備 在穿越橋區(qū)前,即在距橋體50m時停機檢修,對盾構(gòu)機械設(shè)備檢查和保養(yǎng),保證施工的連續(xù)性,避免因設(shè)備消耗而導(dǎo)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(gòu)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(shù)控制 1)土壓力 原則上根據(jù)理論計算值確定。施工中可根據(jù)橋基的沉降情況及時作出調(diào)整。在盾構(gòu)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(yīng)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(tài)。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(gòu)機推力,采用中低速(15~20mm/min)掘進。可以使土體將盾構(gòu)掘進所產(chǎn)生的應(yīng)力充分釋放,避免產(chǎn)生應(yīng)力過大或過于集中[3]。 3)盾構(gòu)機姿態(tài)控制 在盾構(gòu)機穿越橋基前應(yīng)調(diào)整好姿態(tài),減少超挖。在進入橋區(qū)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(chǔ)產(chǎn)生的影響。 4)掘進出土量 嚴(yán)格控制出土量,盾構(gòu)每環(huán)掘進長度為1.2m,刀盤外徑6.19m,理論計算的每環(huán)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(gòu)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(tài)(即塑流性),對泥漿、泡沫的加入量進行調(diào)節(jié)控制,始終讓刀盤及螺旋輸送機油壓保持正常的數(shù)值;盾構(gòu)施工中加泥漿和泡沫的數(shù)量與土質(zhì)有著極大的關(guān)系,一般說來在粘土、粉質(zhì)粘土中掘進加泥漿的數(shù)量不需要太多且加泥漿的濃度也不要太大,因為粘質(zhì)土自身有比較強的造泥能力,故對加泥漿的數(shù)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(zhì)的原因,地層的空隙率較大,地層的漏失較為嚴(yán)重,且土自身不具有造泥性,故對加泥漿和加泡沫的數(shù)量及質(zhì)量要求較高,通常在掘進時應(yīng)適當(dāng)?shù)丶哟竽酀{的濃度,并根據(jù)出土的情況適量的加大泥漿的數(shù)量,另外在泥漿中適當(dāng)?shù)募尤肱菽?可以較好的改善土體的流塑性,使得盾構(gòu)前方土壓保持穩(wěn)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(tǒng),此區(qū)域盾構(gòu)施工采用四點注漿,來控制成型隧道的質(zhì)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(jié)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(jù)掌握的反饋信息及時調(diào)整漿液的配合比,使?jié){液的配合比更合理,容重接近于原狀土。為保證漿液的質(zhì)量,要對制備漿液的原材料進行嚴(yán)格控制,要定期測定漿液的坍落度、粘性、離析率、凝結(jié)時間、抗壓強度等。2·5 補充注漿加固 根據(jù)現(xiàn)場沉降監(jiān)測情況,及時調(diào)整注漿壓力及注漿量。在盾構(gòu)常規(guī)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(jié)構(gòu)加強補漿,控制地面的后期沉降。 二次補注漿安排在當(dāng)前拼裝管片后第8環(huán)管片處開始,對每環(huán)管片的16號位預(yù)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(gòu)施工進入橋區(qū)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(yù)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(yù)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(jiān)測 在施工前,對三元橋進行系統(tǒng)調(diào)查,制定了專門的施工監(jiān)測方案,建立完善的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò),確保監(jiān)測結(jié)果的準(zhǔn)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(jiān)控測量及時反饋,指導(dǎo)施工參數(shù)的修正,從而優(yōu)化各項施工控制參數(shù),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(chǔ)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(fā)現(xiàn)沉降量偏大時,及時分析原因,對施工參數(shù)進行調(diào)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(jù)設(shè)計要求,三元橋的不均勻沉降為5mm。根據(jù)監(jiān)測結(jié)果可以看出,沉降控制是有效的。 從圖4可以看出,在盾構(gòu)機掘進至335環(huán)即距離橋基大約50m時,橋基發(fā)生隆起,在盾構(gòu)機掘進至462環(huán)以后即穿越橋基50m時,沉降變化已經(jīng)不大。可以確定,盾構(gòu)對三元橋的影響范圍約為橋基前后±50m。3 結(jié)語 1)土壓力的控制是掘進的首要參數(shù),在推進過程中為使掌子面能夠保持極限平衡狀態(tài),土壓力應(yīng)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(shù)措施,其質(zhì)量的好壞直接關(guān)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(gòu)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(jù)沉降監(jiān)測結(jié)果顯示,本段工程盾構(gòu)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(jù)監(jiān)測結(jié)果,優(yōu)化施工參數(shù),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(gòu)機姿態(tài)的保持和管片的拼裝形式等,對于優(yōu)化施工技術(shù)具有重要意義。參考文獻:[1]竺維彬.復(fù)合地層中的盾構(gòu)施工技術(shù)[M].北京:中國科學(xué)技術(shù)出版社,2006.[2]張鳳祥,朱合華,傅德明.盾構(gòu)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(gòu)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(gòu)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(gòu)施工中泡沫和膨潤土改良土體的微觀機理分析[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2007,(1):74.
