基于盾構(gòu)土壓平衡穿越建構(gòu)筑物施工地表沉降控制

陳紀(jì)官

(浙江省交通工程建設(shè)集團(tuán)有限公司)

基于盾構(gòu)土壓平衡穿越建構(gòu)筑物施工地表沉降控制

陳紀(jì)官

(浙江省交通工程建設(shè)集團(tuán)有限公司)

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)盾構(gòu)施工地表沉降控制技術(shù)，同時(shí)參考同行業(yè)盾構(gòu)法施工實(shí)例，分析了地表沉降的預(yù)測(cè)方法及盾構(gòu)施工過(guò)程中地表沉降的規(guī)律、過(guò)程和沉降原因。對(duì)杭州地區(qū)類(lèi)似地質(zhì)條件下后續(xù)工程的設(shè)計(jì)與施工具有指導(dǎo)意義。

土壓平衡;盾構(gòu);地面沉降;控制

1 工程概況

1.1 工程位置及范圍

該工程位于下穿牛田村和九堡鎮(zhèn)，向九堡東站方向掘進(jìn);杭州地鐵1號(hào)線工程7號(hào)盾構(gòu)九堡站～九堡東站區(qū)間，設(shè)計(jì)起點(diǎn)里程為K27+228.647。右線設(shè)計(jì)終點(diǎn)里程為K27 +962.722，全長(zhǎng)735.460 m。左右線隧道所穿越的地面區(qū)域分別有兩棟淺基礎(chǔ)的四層民宅樓、兩座木質(zhì)屋頂磚混結(jié)構(gòu)的安樂(lè)堂、一條18 m寬2.5 m深的和睦港河流、一片跨度在100 m左右的緊固件廠危房區(qū)，危房區(qū)內(nèi)有兩層辦公樓一座，其它房屋均為平房。區(qū)間線路最小平面曲線半徑為400 m，線間距為13～35 m，區(qū)間隧道縱剖面為“U”型坡，最大坡度為－25‰，隧道頂埋深約為9.3 m～16.8 m;本區(qū)間在K27+680處設(shè)置聯(lián)絡(luò)通道，采用凍結(jié)法施工。

1.2 水文地質(zhì)情況

地區(qū)屬錢(qián)塘江河口相沖擊海堆積的粉性土及砂性土土層，由于堆積年代及固結(jié)條件不同，性質(zhì)不一，豎向由松散至中密狀態(tài)變化，厚度一般在20 m左右;其下為海陸交互相沉積的淤泥質(zhì)軟土及粘性土，地面下深約40～45 m左右為古錢(qián)塘江河床堆積的圓礫層，中密～密實(shí)狀態(tài)，底部基巖埋深一般在地面下55～63 m左右。盾構(gòu)掘進(jìn)主要經(jīng)過(guò)①6層和②7層土，土質(zhì)較差，隧道掘進(jìn)外排的棄土含水量大，呈漿糊狀，給場(chǎng)地堆放和棄土外運(yùn)帶來(lái)極大困難，如不及時(shí)外運(yùn)棄土勢(shì)必造成盾構(gòu)推進(jìn)停止時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，地面下沉，引起房屋開(kāi)裂倒塌的危險(xiǎn)，①6層和②7層土層特點(diǎn)如下:

①6層粉砂夾砂質(zhì)粉土:灰、青灰色，濕～飽和，中密為主，局部稍密，含氧化鐵質(zhì)及云母屑。實(shí)測(cè)標(biāo)貫錘擊數(shù)12～41擊，平均值17.2擊。靜力觸探錐尖阻力qc=6.4～10.1 MPa，平均值為8.50 Pa，側(cè)壁阻力fs=101.3～170.7 kPa，平均值為133.7 kPa，屬中等壓縮性土。分布于整個(gè)場(chǎng)區(qū)，頂板埋深3.50～13.0 m，頂板高程－7.24～1.30 m，層厚2.0～10.3 m。

②7層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土夾粉土:灰色，流塑，該層下部段夾有少量粘質(zhì)粉土，松散，很濕。含有機(jī)質(zhì)，云母碎屑，具水平層理，搖振反應(yīng)中等，切面無(wú)光澤反應(yīng)，干強(qiáng)度較低，韌性較低。實(shí)測(cè)標(biāo)貫擊數(shù)2～8擊，平均值4擊。靜力觸探錐尖阻力qc=0.8～2.5 MPa，平均值1.65 MPa，側(cè)壁阻力fs=17.3～53.8 kPa，平均值38.1 kPa，屬高壓縮性土。全區(qū)分布，頂板埋深12.10～18.0 m，頂板高程－11.84～－7.78 m，層厚1.7～6.0 m。

2 盾構(gòu)地面冗沉變化的因素分析

(1)目標(biāo)土壓力設(shè)定不準(zhǔn)而引起的盾構(gòu)出土量超挖或欠挖，超挖表現(xiàn)為地表沉降，欠挖表現(xiàn)為地表冗起。

(2)同步注漿量大小及漿液配合比不同引起的地表冗沉。

(3)盾構(gòu)推進(jìn)方向變化產(chǎn)生的土體擠壓擾動(dòng)及建筑間隙引起的地表冗沉。

(4)盾構(gòu)機(jī)停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)下沉或土倉(cāng)泄壓產(chǎn)生的地表沉降。

(5)成型管片位移和隧道沉降造成的地表沉降。

(6)盾構(gòu)密封性及防水效果。

3 盾構(gòu)施工地面沉降的控制措施

3.1 嚴(yán)格管理

項(xiàng)目部給地面監(jiān)測(cè)人員和井下測(cè)量人員手機(jī)信息發(fā)送補(bǔ)貼，并對(duì)工作認(rèn)真細(xì)致，沒(méi)有出差錯(cuò)的人員給予獎(jiǎng)勵(lì)。要求地面及井下量測(cè)人員每環(huán)推拼完后必須及時(shí)向項(xiàng)目經(jīng)理發(fā)送量測(cè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，報(bào)表內(nèi)容有地面軸線點(diǎn)、房屋沉降點(diǎn)單次和累計(jì)沉降情況;井下盾構(gòu)姿態(tài)、管片姿態(tài)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)情況，以使項(xiàng)目經(jīng)理在第一時(shí)間全面準(zhǔn)確獲得現(xiàn)場(chǎng)第一手資料，以最短的時(shí)間進(jìn)行分析，做到及時(shí)下達(dá)參數(shù)修正指令。

3.2 盾構(gòu)管片拼裝控制地面沉降量

九堡站至九堡東站區(qū)間隧道是“S”型隧道，曲率半徑為450 m和400 m，屬于小曲率半徑的隧道，比直線型隧道和“C”型隧道掘進(jìn)姿態(tài)控制難度要大得多。曲率半徑越小，盾構(gòu)掘進(jìn)后的建筑空隙越大，對(duì)地面沉降控制難度也越大。盾構(gòu)姿態(tài)和管片姿態(tài)是一個(gè)統(tǒng)一體，盾構(gòu)姿態(tài)不好勢(shì)必偏離軸線;管片姿態(tài)不好勢(shì)必造成管片拼裝碎裂，盾構(gòu)如偏離軸線則需要糾偏，糾偏過(guò)大會(huì)產(chǎn)生較大的建筑空隙，致使地表明顯下沉，同時(shí)在糾偏時(shí)必須要考慮管片的超前量，否則會(huì)影響管片的姿態(tài)，從而造成隧道成型管片碎裂或錯(cuò)臺(tái)，要進(jìn)行管片修補(bǔ)和防漏注漿將會(huì)一定程度地影響掘進(jìn)，使掘進(jìn)速度減緩或停止，地面也因地下盾構(gòu)機(jī)停放時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而沉降量過(guò)大，對(duì)地面房屋帶來(lái)一定的風(fēng)險(xiǎn)。所以良好的盾構(gòu)姿態(tài)和管片姿態(tài)，防止盾構(gòu)周邊土體擾動(dòng)過(guò)大，是控制地面沉降的必要條件。

3.3 地面監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確性

地鐵隧道一般均規(guī)劃在人群密集區(qū)，這對(duì)地面沉降點(diǎn)的布置和保護(hù)帶來(lái)較大的困難。在人員出入的區(qū)域易造成監(jiān)測(cè)點(diǎn)破壞，所以起始水準(zhǔn)基點(diǎn)的布置既要便于保護(hù)，又要考慮數(shù)量，以利于點(diǎn)和點(diǎn)之間量測(cè)復(fù)核起始點(diǎn)的正確性，為此我們布設(shè)了三個(gè)水準(zhǔn)基點(diǎn)，不斷進(jìn)行聯(lián)測(cè)檢核，發(fā)現(xiàn)誤差和錯(cuò)誤及時(shí)糾正，確保了每次監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，正確指導(dǎo)掘進(jìn)參數(shù)的調(diào)整。同時(shí)為了獲得更精確的地層沉降特性，我們加大了監(jiān)測(cè)頻率，每環(huán)監(jiān)測(cè)一次，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)進(jìn)行各種參數(shù)的微調(diào)。

3.4 盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中，控制地面沉降的關(guān)鍵

(1)盾構(gòu)試推距

對(duì)短時(shí)間摸索出合理的推進(jìn)參數(shù)比較困難，必須按著往常經(jīng)驗(yàn)加以判斷，盾構(gòu)機(jī)試推段摸索掘進(jìn)參數(shù)一般都是一百環(huán)之內(nèi)，然而，九堡始發(fā)井洞口離民宅樓僅30環(huán)約36 m距離，除去洞口8 m加固區(qū)后，盾構(gòu)必須在28 m的短距離內(nèi)必須要把各種掘進(jìn)參數(shù)摸準(zhǔn)確，困難較大，為此我們比較其他地方有類(lèi)似土質(zhì)情況的地鐵隧道進(jìn)行研究分析，進(jìn)行對(duì)比參照。地表引起沉降因素較多，有的因素之間還存在關(guān)聯(lián)性，所以要認(rèn)真研究地質(zhì)條件和地貌情況，同時(shí)還要考慮不同盾構(gòu)機(jī)的性能、特點(diǎn)綜合考慮，并做到每推進(jìn)一環(huán)就進(jìn)行兩次監(jiān)測(cè)，加大監(jiān)測(cè)頻率，最大限度短時(shí)間內(nèi)摸清該地層盾構(gòu)施工的合理參數(shù)。

(2)盾構(gòu)土壓值，控制地表沉降量

盾構(gòu)掘進(jìn)目標(biāo)土壓力的設(shè)定，要根據(jù)盾構(gòu)埋深和土質(zhì)狀況，以及試推階段的土壓值來(lái)確定，掘進(jìn)過(guò)程中盾構(gòu)機(jī)經(jīng)過(guò)的地層和深度不同，要及時(shí)根據(jù)地面變化量調(diào)整好目標(biāo)土壓力的設(shè)定，尤其要控制出土量，超挖會(huì)使地表下沉，欠挖會(huì)使地表隆起，兩種情況均不利于地表的沉降控制，表1地面沉降監(jiān)測(cè)，目標(biāo)土壓力的設(shè)定要盡可能減少對(duì)地層的擾動(dòng)為原則，確保地面變化量最小，要隨盾構(gòu)切口前方地面變化而及時(shí)進(jìn)行調(diào)整，在推進(jìn)過(guò)程中，最大單次地面沉降在2 mm以內(nèi)，一般大部分為0和1 mm以內(nèi)。

表1 地面沉降監(jiān)測(cè)

始發(fā)井離民宅樓較近，僅36 m，采取全閉合環(huán)，以避免盾構(gòu)機(jī)拋高，保證盾構(gòu)姿態(tài)正確，在盾構(gòu)始發(fā)時(shí)，如采用開(kāi)口環(huán)勢(shì)必盾構(gòu)機(jī)上方千斤頂用不上力，致使盾構(gòu)整體向上拋高，拋高后的盾構(gòu)機(jī)在加固區(qū)內(nèi)想修正方向非常困難，如硬要修正往往會(huì)引起管片碎裂，造成成型隧道滲漏水現(xiàn)象。為了避免盾構(gòu)機(jī)在加固區(qū)拋高，我們采取了全閉合環(huán)，使盾構(gòu)在始發(fā)開(kāi)始及磨加固區(qū)過(guò)程中盾尾周邊22個(gè)千斤頂始終處于平行推進(jìn)狀態(tài)，上下左右推力可控，保證盾構(gòu)機(jī)始終按接近軸線平行方向掘進(jìn)。在盾構(gòu)機(jī)進(jìn)入房屋前不至于造成盾構(gòu)機(jī)嚴(yán)重偏離軸線方向，避免因軸線偏離進(jìn)行糾偏而產(chǎn)生較大建筑間隙，引起地面房屋下沉，所以采用全閉合環(huán)管片反力系統(tǒng)，對(duì)始發(fā)井離民宅樓很近的房屋沉降控制非常重要。

(4)事前充分摸排，被誤為掘進(jìn)造成的問(wèn)題

始發(fā)前必須要對(duì)管線仔細(xì)探摸，穿越前對(duì)軸線上方及附近建、構(gòu)筑物存在的問(wèn)題進(jìn)行拍照留存，量測(cè)建、構(gòu)筑物的原有裂縫寬度、長(zhǎng)度，每天踏勘，踏勘還須穿便服前往穿越區(qū)域，防止老百姓誤解而發(fā)生糾紛(穿工作服易引起老百姓驚慌)。對(duì)原有裂縫貼紙條標(biāo)示縫隙寬度、長(zhǎng)度，觀察其在穿越過(guò)程中的變化情況，避免以前存在的問(wèn)題誤以為穿越造成的問(wèn)題，如產(chǎn)生糾紛，協(xié)調(diào)處理難度很大，所以必須事先做好充分細(xì)致的摸排鑒證工作。

(5)監(jiān)控質(zhì)量可控、參數(shù)優(yōu)化

現(xiàn)在所有的項(xiàng)目部對(duì)盾構(gòu)監(jiān)控室，普遍設(shè)置成單間監(jiān)控室，只有少數(shù)人能看到掘進(jìn)參數(shù)，并且很少有人去監(jiān)控室察看掘進(jìn)狀況，不利于技術(shù)管理人員全方位全過(guò)程監(jiān)控。為此我們?nèi)∠?dú)立監(jiān)控室，在九堡項(xiàng)目部的辦公大廳里安裝鋼化玻璃幕墻制作出一間透明化的監(jiān)控室，命名為“九堡項(xiàng)目部監(jiān)控中心”，共同監(jiān)控，共鑄精品，使所有在辦公大廳辦公的技術(shù)、機(jī)電、安全等管理人員均能看到掘進(jìn)參數(shù)，有問(wèn)題一起討論商量，做到集思廣益，提高管理人員人人參與監(jiān)控管理的積極性，從少數(shù)人監(jiān)控到多數(shù)人實(shí)時(shí)監(jiān)控。監(jiān)督檢查設(shè)備的維護(hù)保養(yǎng)工作，使盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)過(guò)程中不出或少出故障，對(duì)穿越房屋安全致關(guān)重要，盾構(gòu)機(jī)在房屋下停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)造成盾構(gòu)機(jī)實(shí)際土壓泄壓，引起地表下沉。如無(wú)法避免設(shè)備故障，在停止掘進(jìn)時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，必須及時(shí)進(jìn)行保壓，保壓值盡量接近目標(biāo)土壓，以避免盾構(gòu)機(jī)因停止掘進(jìn)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)泄壓而造成地面沉降。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)杭州地鐵一號(hào)線九堡站至九堡東站區(qū)間隧道掘進(jìn)施工盾構(gòu)穿越地面建、構(gòu)筑物的控制方法。還與掘進(jìn)超挖、盾尾空隙、掘進(jìn)擾動(dòng)和壓氣作業(yè)等施工因素引起的地層損失和地層擾動(dòng)有很大的關(guān)系。在盾構(gòu)施工過(guò)程中有序、嚴(yán)格、精細(xì)的技術(shù)管理，確保了四層民宅樓最大累計(jì)沉降量控制在－4 mm以內(nèi)，95%以上的建筑物沉降點(diǎn)位接近零值，沉降控制取得了顯著的成效，確保了地面建、構(gòu)物的安全，在盾構(gòu)機(jī)前者土體不會(huì)損壞的要求下，適當(dāng)添加土倉(cāng)壓力是變?nèi)醯乇沓两岛苡行У拇胧?。其它條件一定時(shí)，地表沉降也會(huì)注漿壓力的增大而減弱。注漿壓力控制在0.2～0.3 MPa以內(nèi)，防止更大的地表沉降發(fā)生。

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