盾構(gòu)機(jī)在復(fù)雜地質(zhì)條件下的施工控制措施

周 興 濤

(西安鐵路工程職工大學(xué)，陜西 西安 710061)

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盾構(gòu)機(jī)在復(fù)雜地質(zhì)條件下的施工控制措施

周 興 濤

(西安鐵路工程職工大學(xué)，陜西 西安 710061)

通過(guò)盾構(gòu)機(jī)在城市軌道交通中的工程應(yīng)用，闡述了盾構(gòu)機(jī)的一系列參數(shù)控制、風(fēng)險(xiǎn)分析和施工保護(hù)措施，使得復(fù)雜地質(zhì)條件下的樁基建筑物成功穿越，取得了明顯的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效果，為以后同類(lèi)工程的施工監(jiān)測(cè)積累了實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

盾構(gòu)施工，復(fù)雜地質(zhì)，控制措施，參數(shù)控制

1 工程概況

珠江城際快速軌道交通某標(biāo)段需要穿越已有建筑物兩座，且該建筑物為20世紀(jì)80年代的老舊建筑，結(jié)構(gòu)整體性較差，建筑物的樁長(zhǎng)在13 m左右，而隧道將在建筑物下方18 m左右穿過(guò)，盾構(gòu)拱頂距樁底最小只有2.662 m。本工程地貌形態(tài)為沖積平原地貌，區(qū)間的第四系海陸交互相底層及沖積層厚度一般在15.30 m～22.80 m，第四系殘積層在局部地段發(fā)育，厚度在1.10～4.80之間，部分鉆孔缺失本土層。區(qū)間內(nèi)軟土發(fā)育，多為人工填土、淤泥質(zhì)土、淤泥質(zhì)粉細(xì)砂、粉質(zhì)粘土、粉細(xì)砂、中粗砂層以及沖洪積土層、強(qiáng)風(fēng)化泥巖層，且由南往北含水量豐富，其中淤泥質(zhì)土、砂塵厚度較大。

本區(qū)間不存在地表水體，僅地下水對(duì)地鐵盾構(gòu)施工有影響。本場(chǎng)地地下水類(lèi)型主要有兩種：一種為賦存于第四系土層中的孔隙水；另一種是賦存于基巖風(fēng)化層的裂隙水。第四系孔隙水存在于淤泥質(zhì)粉細(xì)砂層、粉細(xì)砂、中粗砂中，該地下水類(lèi)型為孔隙潛水，具有承壓性；基巖富存裂隙水，其透水性中等，裂隙水不具承壓性。第四系土層中孔隙水的補(bǔ)給源為大氣降水，補(bǔ)充形式為垂直滲入；基巖裂隙水的補(bǔ)給源為第四系土層中孔隙水的垂直及側(cè)向補(bǔ)給、越流補(bǔ)給。本區(qū)間地下水位埋深1.5 m左右。本區(qū)域地下管線較多，主要有電力電纜、通信電纜、給排水管線及燃?xì)夤芫€等，在靠近建筑物處有一條110 kV輸變電電纜溝，內(nèi)埋兩條百發(fā)線和佛百線，距離建筑物僅有1 m左右。

2 工程施工過(guò)程中可能產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)分析

2.1 地面坍陷

根據(jù)本工程的地質(zhì)情況，建筑物所處地層為典型的上軟下硬地層(上部砂層，中部強(qiáng)風(fēng)化地層，下部中風(fēng)化或微風(fēng)化地層)，隧道拱頂砂層厚達(dá)6 m～10 m。在盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程中，超排、噴涌或地下水流失嚴(yán)重都有可能產(chǎn)生地面沉降過(guò)量或坍陷情況發(fā)生。

2.2 樓房開(kāi)裂或傾斜

這兩棟建筑物建造年代較久，當(dāng)盾構(gòu)機(jī)穿過(guò)該建筑物時(shí)，地面沉降過(guò)大或地表不均勻沉降都有可能產(chǎn)生樓房開(kāi)裂或傾斜情況出現(xiàn)。

2.3 地表管線斷裂

根據(jù)前期管線調(diào)查資料可知，本工程所在區(qū)間內(nèi)地下管線有供水管、排水管、燃?xì)夤艿兰巴ㄐ?、電力電纜等，特別是距離建筑物僅1 m之隔的兩條110 kV輸變電管槽。當(dāng)盾構(gòu)機(jī)通過(guò)時(shí)，地面沉降過(guò)大有可能造成地下管線的斷裂或破損等安全事故。

3 盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)參數(shù)控制

1)為了確保掘進(jìn)工作的順利進(jìn)行，需要對(duì)掘進(jìn)過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)和科學(xué)的參數(shù)計(jì)算和控制，結(jié)合以往的經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，我們采取以下幾種措施進(jìn)行施工過(guò)程控制：

a.對(duì)盾構(gòu)機(jī)安裝螺旋機(jī)加長(zhǎng)段及雙閘門(mén)，并對(duì)盾體與刀盤(pán)接口處做加焊擋板處理以減小頂部開(kāi)口率，從而有效控制出土量，最大限度的降低了噴涌發(fā)生和頂部漏砂的可能性。

b.總結(jié)前期相同地段、地層時(shí)的掘進(jìn)參數(shù)，并根據(jù)沉降數(shù)據(jù)將掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并對(duì)機(jī)手進(jìn)行專(zhuān)項(xiàng)的技術(shù)交底。

c.在掘進(jìn)中采用土壓平衡模式掘進(jìn)，利用晶體高分子結(jié)合泡沫、水、膨潤(rùn)土等渣土改良劑改良渣土，控制中土壓保持在200 kPa～230 kPa、土壓波動(dòng)在20 kPa內(nèi)，有效控制刀盤(pán)及盾體上方沉降。

d.嚴(yán)格控制出土量，禁止超排現(xiàn)象產(chǎn)生。當(dāng)發(fā)生噴涌或超排后，機(jī)手應(yīng)立即通知地面人員，對(duì)該處地面進(jìn)行封閉，然后做地面開(kāi)挖檢查，分析并進(jìn)行地層注漿以減小地表沉降對(duì)建筑物的影響。

e.嚴(yán)格控制注漿管理，以注漿飽滿不漏漿為控制標(biāo)準(zhǔn)，注漿壓力控制在0.35 MPa，每環(huán)注漿量不少于6 m3，以雙液為主單液為輔，有效控制盾尾上方沉降；必要時(shí)停機(jī)進(jìn)行二次補(bǔ)漿，有效控制后續(xù)沉降。

f.適當(dāng)調(diào)整停—開(kāi)機(jī)時(shí)間，即在上環(huán)完成掘進(jìn)之后，結(jié)合地表沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)，適當(dāng)推遲下環(huán)開(kāi)始掘進(jìn)的時(shí)間，待地層沉降稍微穩(wěn)定之后，再開(kāi)始掘進(jìn)，起到有效減少因頻繁擾動(dòng)同一地層而產(chǎn)生的疊加沉降的作用。

2)掘進(jìn)參數(shù)控制。

a.土壓控制。

建筑物下方隧道頂埋深在17 m～19 m之間，停機(jī)時(shí)土倉(cāng)中壓力在220 kPa左右。為了保證作業(yè)掌子面的穩(wěn)定，在進(jìn)入建筑物前就已經(jīng)采用了滿倉(cāng)掘進(jìn)模式即土壓平衡砂層模式。以左線2238環(huán)為例，掘進(jìn)前螺旋機(jī)前壓力為197 kPa，排土過(guò)程中壓力建高后螺旋機(jī)前壓力最高為223 kPa，螺旋機(jī)前壓力最低為187 kPa，壓力波動(dòng)在8 kPa～20 kPa范圍內(nèi)。這就說(shuō)明要保證土倉(cāng)內(nèi)外的壓力平衡最少應(yīng)該建高土壓20 kPa，但由于排土過(guò)程中受到渣土改良及地質(zhì)的影響，排土?xí)r壓力波動(dòng)可能還會(huì)增大。所以為了土倉(cāng)內(nèi)不會(huì)產(chǎn)生負(fù)壓，掘進(jìn)前要求機(jī)手必須在停機(jī)壓力220 kPa的基礎(chǔ)上再建高20 kPa～40 kPa的壓力。掘進(jìn)2238環(huán)前土倉(cāng)中壓力為220 kPa，掘進(jìn)排土過(guò)程中建立中土壓最高為278 kPa，中土壓最低為262 kPa，壓力波動(dòng)在8 kPa～16 kPa范圍內(nèi)(2238環(huán)掘進(jìn)參數(shù)見(jiàn)圖1)。這樣土倉(cāng)內(nèi)壓力始終波動(dòng)不大且倉(cāng)內(nèi)壓力大于掌子面水土的壓力，進(jìn)而保證掌子面的穩(wěn)定。

b.推力、扭矩的控制。

推進(jìn)到建筑物前，勘測(cè)到隧道底部巖層強(qiáng)度在6 MPa～8.5 MPa范圍內(nèi)，且根據(jù)前段掘進(jìn)的推力值14 000 kN及扭矩值1 100 kN·m,千斤頂速度可達(dá)到40 mm/min左右。所以按照這樣的參數(shù)值平均每天以8環(huán)的速度往前推進(jìn)，達(dá)到了快速通過(guò)的目的(2236環(huán)～2246環(huán)掘進(jìn)參數(shù)見(jiàn)圖2)。

c.刀盤(pán)轉(zhuǎn)速、螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速。

在相同推力的情況下刀盤(pán)轉(zhuǎn)速越快，產(chǎn)生的扭矩越小，對(duì)土體的擾動(dòng)也就越大，反之刀盤(pán)轉(zhuǎn)速慢對(duì)土體的擾動(dòng)就小。在建筑物下方通過(guò)時(shí)，刀盤(pán)轉(zhuǎn)速控制在1.2 rpm/min～1.4 rpm/min范圍內(nèi)，盡可能減少對(duì)上方土體的擾動(dòng),螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速控制在4.5 rpm/min左右，基本可以保持進(jìn)土量與出土量的關(guān)系平衡，不至于產(chǎn)生多出土造成壓力波動(dòng)大，也不會(huì)造成排土不及時(shí)形成土量積累難改良的情況發(fā)生(2236環(huán)～2246環(huán)掘進(jìn)參數(shù)如圖3所示)。

d.TAC、泡沫與注漿。

隧道頂上部砂層含水量高，掘進(jìn)時(shí)需要注入TAC高分子材料來(lái)凝合砂層水分防止噴涌，注入量應(yīng)根據(jù)砂層厚度及含水量的多少來(lái)靈活調(diào)整。掘進(jìn)2236環(huán)～2246環(huán)過(guò)程中注入量控制在3.5 m3左右便能滿足要求(2236環(huán)～2246環(huán)掘進(jìn)參數(shù)見(jiàn)圖4)。掘進(jìn)過(guò)程中還需要注入泡沫來(lái)建高土倉(cāng)壓力，保證以土壓平衡模式來(lái)進(jìn)行推進(jìn)，同時(shí)可以改良渣土的和易性及流動(dòng)性，便于渣土排出。盾構(gòu)推進(jìn)后就要進(jìn)行同步注漿，保證管片與地層之間的空隙能夠及時(shí)得到填充，盡量減少上部土層的沉降量。注漿壓力控制在0.35 MPa，注漿應(yīng)飽滿充填密實(shí)，注漿方量在8 m3左右，必要時(shí)還應(yīng)進(jìn)行二次注漿。

e.出土量控制。

控制出土量是控制地面沉降的主要方法之一。理論出土方量約為46.72 m3，根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)渣土切削脫落后實(shí)際松散方量在65 m3左右。出渣斗每個(gè)裝土方量為15 m3，掘進(jìn)前要求每環(huán)出土量不能超過(guò)四斗，理論上每掘進(jìn)375 mm出土一斗。掘進(jìn)過(guò)程中如果低于330 mm～375 mm范圍內(nèi)就出土一斗時(shí)，就要求減小螺旋機(jī)的速度及闡門(mén)開(kāi)度來(lái)降低出土量。掘進(jìn)2236環(huán)～2246環(huán)過(guò)程中渣土排出量全部控制在低于68 m3范圍內(nèi)(2236環(huán)～2246環(huán)掘進(jìn)參數(shù)見(jiàn)圖5)。

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件復(fù)雜、地下管線密布且下穿建筑物、地下水位較淺的特點(diǎn)，我們采取一系列施工保護(hù)和監(jiān)控措施，進(jìn)行地面實(shí)時(shí)跟蹤及監(jiān)測(cè)，加密布置樓房段監(jiān)測(cè)點(diǎn)，并有針對(duì)性地對(duì)樓房敏感部位進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)，派人24 h地面值班巡視，將地面供水、燃?xì)夤芫€作為重點(diǎn)監(jiān)控對(duì)象，并制定了相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案和救援措施，在監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的指導(dǎo)下進(jìn)行詳盡的作業(yè)布置，順利按期完成施工任務(wù)，取得了明顯的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效果，確保了城市軌道的順利施工，避免了更多的施工糾紛。

[1]白廷輝，王秀志.特殊環(huán)境條件下的上海地鐵4號(hào)線修復(fù)工程綜述.上海市土木工程學(xué)會(huì).2009.

[2]張慶賀，唐益群，楊林德.盾構(gòu)進(jìn)出洞注漿加固設(shè)計(jì)與施工技術(shù)研究.地下工程與隧道，1993(9)：23.

The construction control measures of shield machine under complex geological condition

Zhou Xingtao

(Xi’anRailwayEngineeringStaffUniversity,Xi’an710061,China)

Through the engineering application of shield machine in urban rail transit, this paper elaborated a series of parameters control, risk analysis and construction protection measures of shield machine, made the pile foundation building success through under complex geological conditions, achieved obvious social and economic effect, accumulated practical experience for similar engineering construction monitoring.

shield construction, complex geology, control measure, parameter control

1009-6825(2015)18-0102-02

2015-04-19

周興濤(1975- )，男，碩士，工程師

U455.4

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