淺議臨近保護建筑物端頭井盾構(gòu)進出洞口土體加固方案和工法的選擇

徐 鈞

(上海電力通信有限公司, 上海 200336)

0 引 言

隨著地鐵工程如火如荼地在全國各地開展,盾構(gòu)施工技術(shù)也被大力推廣.盾構(gòu)施工可以根據(jù)不同地質(zhì)條件,采用相適應的方法構(gòu)造復雜的盾構(gòu)機,通過計算機精密控制,完成隧道建設(shè)工作.在盾構(gòu)法隧道施工中,端頭井盾構(gòu)進出洞口土體加固是盾構(gòu)機始發(fā)、到達工序的重要保障措施,是必須關(guān)注的危險源控制點之一.由于地下土體情況的復雜多變和打開端頭井的未知性,質(zhì)量欠佳的端頭井盾構(gòu)進出洞口土體加固會使得盾構(gòu)進、出洞工作險象環(huán)生.因此選擇端頭井盾構(gòu)進出洞口土體加固方案時除了加固效果、費用、工期外更應該關(guān)注方案與工程情況的匹配性.

1 工程概況

案例為軌道交通10號線陜西南路站-高安路站區(qū)間隧道,隧道工程采用裝配式鋼筋混凝土管片通縫拼裝,內(nèi)、外直徑分別為5.5 m和6.2 m.使用的盾構(gòu)機為直徑6.34 m的兩臺土壓平衡式小松盾構(gòu),盾構(gòu)長8.6 m.盾構(gòu)從陜西南路(南昌路)出發(fā),往高安路方向推進,最終在高安路站東端頭井盾構(gòu)進洞程.端頭井盾構(gòu)進出洞口土體加固深度:17.666 m,進洞端加固寬度:25.4 m.

在擬加固的場地的東北側(cè)為保護建筑林肯公寓,該公寓向北傾斜2.4%,向西傾斜0.8%,由于年代久遠未能找到該建筑的建設(shè)單位、施工單位.在1941年11月曾對該建筑進行過改建,改建之后的林肯公寓為磚混結(jié)構(gòu),4層樓房,局部達到5層,面積為1 336 m2.在完成端頭井盾構(gòu)進出洞口土體加固工作之后,盾構(gòu)隧道對其進行一次近距離下部穿越,所以為了保證盾構(gòu)穿越時建筑的安全性,必須對嚴控本次端頭井盾構(gòu)進出洞口土體加固的質(zhì)量,嚴格控制保護建筑的沉降.

在盾構(gòu)加固之前,車站結(jié)構(gòu)施工已經(jīng)完成,端頭井部分頂板已經(jīng)封閉.同時因為端頭井施工場地在道路中間,兩側(cè)道路車流量較大,且施工場地較小.道路主管部門要求施工時不得影響周邊道路的正常使用.根據(jù)車站施工監(jiān)測記錄顯示,在車站施工階段,林肯公寓的沉降數(shù)據(jù)在控制范圍內(nèi).

1.1 水文地質(zhì)情況

根據(jù)表1及地質(zhì)勘查報告看出,高安路端頭井盾構(gòu)進出洞口土體加固區(qū)域所處地質(zhì)主要為①填土、②粉質(zhì)粘土、③淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、④淤泥質(zhì)粘土、⑤1-1粘土.

表1 土層物理性質(zhì)力學指標表

1.2 周邊管線情況

在端頭井南側(cè)和東側(cè)進洞加固區(qū)外2.5 m處有一根φ1 200的雨水管,臨近加固區(qū)較近,施工時須注意沉降變化,控制變形量.其余管線相對加固距離較遠.

2 端頭井盾構(gòu)進出洞口土體加固方案分析及選擇

端頭井盾構(gòu)進出洞口土體加固工藝是利用水泥等其他材料改善盾構(gòu)機進出洞的影響區(qū)域(通常為水平方向加固洞口邊緣以外3 m,豎直方向加固洞口底部以下3 m至地面)內(nèi)的土體止水性、土體強度、抗剪能力等性能的工藝方法.

本次端頭井盾構(gòu)進出洞口土體加固方案有如下選擇范圍:深層水泥土攪拌法(二軸攪拌樁機、三軸攪拌樁機)、高壓旋噴樁(兩重管、三重管)、SMW工法、冷凍法.各種加固方案在費用、加固效果、施工時間上都各有千秋,應根據(jù)工程實際情況選擇最適合的方案.[1]

2.1 深層水泥土攪拌法

水泥土攪拌法是利用水泥等材料作為固化劑通過特制的攪拌機械,將地基軟土和固化劑(漿液)強制攪拌,使軟土硬結(jié)成具有整體性、水穩(wěn)性和一定強度的水泥加固土.其施工工期較短,造價較為低廉.現(xiàn)有工程中,一般采用兩軸攪拌樁機及三軸攪拌樁機.

2.1.1 兩軸攪拌樁機

兩軸攪拌樁機施工工期較短,經(jīng)濟效益較好.但其是加固深度較淺,上海地區(qū)一般加固最深為18～20 m.

2.1.2 三軸攪拌樁機

三軸攪拌樁機施工設(shè)備一般為進口鉆機,對周邊土體擾動小、施工工期短,加固范圍深,但機械占地范圍較大,進場費用較高.

2.2 旋轉(zhuǎn)噴射注漿法

旋轉(zhuǎn)噴射注漿法是利用鉆機把帶有特殊噴嘴的注漿管鉆進至土層的預定位置后,用高壓脈沖泵,將水泥漿液通過噴射裝置,向四周以高速水平噴入土體,切削土體,使噴射范圍內(nèi)的土體遭受破壞,并徐徐攪拌提升,使土體與水泥漿液充分攪拌.其優(yōu)點是設(shè)備簡單,施工方便,所需施工場地較小.其工程造價較攪拌樁為高.

2.2.1 兩重管旋轉(zhuǎn)噴射注漿法

兩重管旋轉(zhuǎn)噴射注漿法施工時使用雙通道二重注漿管,同時噴射出高壓漿液和低壓空氣兩種介質(zhì).缺點是:施工時會產(chǎn)生大量泥漿,對施工周邊產(chǎn)生影響.并且土體擾動大,對周邊建筑物變形影響較大.

2.2.2 三重管旋轉(zhuǎn)噴射注漿法

三重管旋轉(zhuǎn)噴射注漿法施工時使用分別輸送水、氣漿液3種不同介質(zhì)的三重注漿管.與兩重管法比較,其對土體擾動少,周邊環(huán)境影響小.

2.3 SMW工法

SMW工法是在水泥土中插入型鋼等鋼等材料形成加筋水泥土墻.其中型鋼承受彎矩和剪力,水泥作為止水防滲,對型鋼還有圍箍作用.其中H型鋼可以回收,節(jié)約成本.但其所需要的施工場地較大,對硬土的加固效果有限.在型鋼回收過程中如果拔斷,會極大影響后續(xù)盾構(gòu)進出洞工作.[2]

2.4 冷凍法施工

冷凍法施工時在洞口及加固區(qū)域內(nèi)布設(shè)一定數(shù)量的凍結(jié)孔.用冷凍的手段將地層中的地下水凍結(jié)成冰,讓下水不再流動,結(jié)冰后地層的強度大大提高.常用的冷凍液有液氮或者鹽水兩種.其施工安全可靠、對土體上部能夠全面加固.其缺點也相對明顯:費用高、周期長、對周邊管線的影響較大,后續(xù)盾構(gòu)推進容易因刀盤在加固區(qū)被凍結(jié)而處于危險狀態(tài).[3]

各類進洞方案比較見表2.

表2 端頭井盾構(gòu)進出洞口土體加固方案比較

2.5 端頭井盾構(gòu)進出洞口土體加固方案的選擇

本工程場地位于淮海中路與高安路交界處,屬于市中心地段.車流量大,管線較為復雜.從總平面圖及現(xiàn)場查看情況來看,本次施工場地較為有限,周邊臨近建筑物較多,其中尤其是臨近加固區(qū)東南方面的林肯公寓西側(cè)的傾斜已經(jīng)達到了2.4%,遠遠超過了0.7%的危房標準.在加固施工開始之前,已完成端頭井結(jié)構(gòu)部分、頂板封頂工作的施工,保護建筑的沉降數(shù)據(jù)在允許范圍內(nèi).

綜合工程技術(shù)要求、施工場地、周邊環(huán)境及經(jīng)濟效益等因素對方案選擇進行的分析如下:

首先,擬采用對周邊建筑物影響較小的深層水泥土攪拌法施工,但因現(xiàn)場施工場地較小,無法滿足攪拌法施工的工藝要求.同樣,加固擾動較小的SMW工法的施工工藝對場地的要求也較大,現(xiàn)有場地無法滿足,只能排除以上方案.

其次,兩重管旋噴注漿法加固質(zhì)量較好,但其在施工時產(chǎn)生大量泥漿且對周邊土體產(chǎn)生大量擾動,會嚴重影響到周邊道路的正常使用,對保護建筑的擾動也過大,無法滿足施工要求.

再者,冷凍法施工,現(xiàn)場管線勘探顯示加固區(qū)周邊的管線過于靠近.冷凍法施工既會對該管線造成較大的影響.同時施工現(xiàn)場為鬧市區(qū),交通車流量較大,影響冷凍加固效果,不利于冷凍法加固施工的開展.再考慮到冷凍周期長、費用高,該方案也被排除.

最后,選用三重管旋轉(zhuǎn)噴射注漿法施工.該方案對施工場地要求不高,泥漿外排要求可以滿足,對周圍土體的擾動也在可控范圍內(nèi).同時該方案的施工重點是以控制周邊建筑物沉降變形為主.為保障土體與端頭井盾構(gòu)進出洞口土體加固效果,在水泥攪拌樁與地下連續(xù)墻間500 mm的空隙采用φ1 100三重管旋噴樁的補加固,搭接300 mm.

3 三重管旋轉(zhuǎn)噴射注漿法實施

3.1 三重管旋轉(zhuǎn)噴射注漿法施工參數(shù).

3.1.1 加固深度

高壓旋噴樁加固標高范圍:進洞加固段樁長為17.666 m,樁徑φ1 100 mm搭接300 mm.加固深度及范圍見圖1.

3.1.2 水泥參量參數(shù)

圖1 旋噴樁施工加固剖面

高壓旋噴樁采用三重管法,水泥使用P.O 32.5級普硅水泥.加固區(qū)分為一、二兩個區(qū)域,加固區(qū)一的高壓旋噴樁水泥摻入量為450 kg/m3,加固區(qū)二的水泥摻入量為150 kg/m3.加固土體28 d單軸抗壓強度不得小于0.8 MPa.夾心區(qū)為水泥攪拌樁與地下連續(xù)墻間500 mm的空隙采用φ1 100三重管旋噴樁的補加固,搭接300 mm.高壓旋噴樁采用三重管法,水泥用P.O 32.5級普硅水泥,水泥使用前必須復檢.高壓旋噴樁水泥摻入量為450 kg/m3,加固土體28 d單軸抗壓強度不得小于1.0 MPa,滲透系數(shù)≤1×10-8cm/s.

表2 三重管法高壓噴射注漿施工技術(shù)參數(shù)

注：提升速度14～16 cm/min；旋轉(zhuǎn)速度10 r/min；漿液配合比

水∶水泥=1∶1；水泥摻量450 kg/m3.

3.1.3 三重管旋噴樁施工順序

旋噴樁打樁以控制保護建筑林肯公寓變形為前提進行.首先,對端頭井靠近保護建筑的東、北側(cè)外圍旋噴樁進行施工.其次,完成其余外圍旋噴樁,形成一個封閉的旋噴樁環(huán).按與保護建筑由近至遠的順序施工,能夠有效減少對保護建筑的擾動.最后,待到外側(cè)封閉的圍旋噴樁具備一定強度后,開始進行內(nèi)部旋噴樁施工工作,利用外圍旋噴樁的自身強度將旋噴樁施作時對周圍土體的擠壓應力有效減少.三重管旋噴樁施工全部完成且具備施工強度后,在盾構(gòu)進洞前進行“夾心區(qū)”的水泥攪拌樁與地下連續(xù)墻間500 mm的空隙施工,以保證加固區(qū)與地下連續(xù)墻之間的充分加固.

4 結(jié) 語

本案例中選擇的三重管高壓旋噴方案在所有備選方案中對周邊土體的擠壓變形控制并非最小,加固質(zhì)量也并非最優(yōu)的,但受工程現(xiàn)場實際條件所限,應當采用最適合工程情況的方案.而通過施工過程中的參數(shù)控制及順序調(diào)整有效保證了端頭井盾構(gòu)進出洞口土體加固的質(zhì)量.在之后盾構(gòu)機進洞時,端頭井盾構(gòu)進出洞口土體加固質(zhì)量滿足設(shè)計要求,無涌水涌沙現(xiàn)象.通過本次的案例討論,簡要探討了各類端頭井盾構(gòu)進出洞口土體加固方式各自的優(yōu)缺點及適用范圍.希望通過選用匹配工程情況的端頭井盾構(gòu)進出洞口土體加固方案,提高施工質(zhì)量,減少盾構(gòu)進洞出洞的風險.

參考文獻:

[1] 朱洪威.客大盾構(gòu)區(qū)間端頭井加固技術(shù)必選[J].隧道機械與施工技術(shù)，2007(8):50-55.

[2] 馬洪建.SMW工法在天津地鐵建設(shè)中的應用[J].鐵道建筑，2004，44(6):24-26.

[3] 李宏安.何滿潮.雷軍，等.液氮冷凍法在盾構(gòu)始發(fā)底層加固工程中的應用[J].市政技術(shù)，2008，11(26):539-541.