盾构下穿中心城区建筑物的微扰动施工技术

2015-09-17

建筑施工 2015年6期

关键词：扰动浆液盾构

上海市基础工程集团有限公司上海 200002

1 工程概况

上海轨道交通12号线13标工程嘉善路站—陕西南路站区间位于上海市中心城区，单线长1 388.992 m。隧道最小曲线半径为350 m，最大纵坡为2.7897%（图1）。

图1 嘉善路站—陕西南路站区间隧道概况示意

区间盾构施工需穿越成片的大量建筑物，经统计共穿越沿线房屋193处，房屋面积共计435 583 m2。

盾构施工位于正常地层与古河道地层交界处，地基土层分布较复杂。按其沉积时代、成因类型及其物理力学性质的差异可划分为7个主要层次：⑤1-1黏土层、⑤1-2粉质黏土层、⑤3-1粉质黏土层、⑤3-1t黏质粉土夹粉质黏土层、⑤4粉质黏土层、⑥粉质黏土层、⑦1砂质粉土层[1,2]。

2 微扰动施工控制要点

2.1 土压力设定

根据土压平衡盾构的原理，土仓中的压力须与开挖面的正面水土压力平衡，以维持开挖面土体的稳定，减少对土层的扰动。

因施工范围内土层既有黏土和粉质黏土，又有砂性土，因此，针对黏性土层的土压力计算采用水土合算，针对砂性土层的土压力计算采用水土分算。考虑土体扰动后性质变化、盾构推进速度、超载状况等因素，在计算值基础上考虑正面水土压力的调整系数，其值一般在黏性土中取1.05～1.12，砂性土中取1.13～1.15。

根据以上公式计算穿越区域土压力的理论值，实际土压力设定值根据沉降数据值进行微调，同时在推进过程中，要保证实际土压力与设定值之间的差值控制在±5%以内。

2.2 推进速度控制

土压平衡盾构压力仓内土压力大小与盾构推进速度以及出土量有关：若推进速度加快而出土率较小，则土压仓土压力会增大，其结果将导致造成地面隆起。反之推进速度放慢，出土量增加将令土压仓土压力下降，引起地面下沉。为此盾构推进过程中应做到：降低推进速度，严格控制盾构方向、姿态变化，减少纠偏，特别是杜绝大量值纠偏，保证盾构机的平稳穿越。

本工程中，盾构推进速度控制在20～30 mm/min，并根据监测数据适当调整。穿越区施工过程中，尽量保持推进速度稳定，确保盾构均衡、匀速地穿越建筑物，以减少对周边土体的扰动影响，以免对其结构产生不利影响。

2.3 出土量控制

出土量是与土层损失紧密联系在一起的，它与一环长度内盾构的体积直接相关。假定基准出土率时地层损失为0，则实际出土率变化时将引起附加的地层损失。

出土量的控制应与掘进速度的控制保持一种动态平衡状态，即盾构的出土量应和盾构掘进进尺内掘削的土体保持平衡，而出土量又与螺旋机转速密切相关，即单位时间内出土量大，则螺旋机转速高，出土量小则螺旋机转速低，盾构正常掘进时，螺旋机转速控制一般可采用自动控制模式，如果推进速度需要降低至10 mm/min，则螺旋机自动模式在最低转速下出土量仍然可能大于掘进速度所要求的出土量，因此，可结合手动模式进行出土量控制[3-6]。

2.4 盾构姿态控制

在穿越期间，因盾构进行平面或高程纠偏时会增加对土体的扰动，因此在穿越过程中，在确保盾构正面沉降控制良好的情况下，尽可能减少盾构纠偏量和纠偏次数。

在盾构推进过程中，应按照“勤测勤纠、小角度纠偏”的原则进行纠偏控制，盾构平面偏差控制应根据所拟定的分段纠偏的方案按照计算的千斤顶行程差和平面偏离值进行控制，考虑到盾构在小半径曲线段掘进时，盾构与隧道轴线始终存在1个夹角，导致盾构千斤顶对盾尾后的隧道存在一个向曲线外侧的推力，因此盾构纠偏控制考虑预先将轴线向轴线内侧偏离20 mm，以防止隧道外移引起轴线超标，以此为基准，将盾构切口和盾尾的偏差控制在±20 mm以内，即盾构切口偏离值控制在-40～0 mm范围内，盾尾偏离值控制在±20 mm范围内。

2.5 同步注浆控制

盾构施工过程中，采用同步注浆工艺，确保浆液填充盾尾管片与土体间的建筑空隙，注浆量的控制应根据模拟推进的监测数据进行，动态控制。盾构掘进过程中应加强盾尾密封油脂的压注，以保证盾尾密封刷的密封性能。

盾构推进中的同步注浆是充填土体与管片圆环间的建筑间隙和减少后期变形的主要手段，也是盾构推进施工中的一道重要工序。严格控制同步注浆量和浆液质量，务必做到3点：

1）浆液的配比须符合质量标准；

2）保证每环注浆量能充盈盾构机通过后所形成的建筑间隙；

3）控制注浆压力，进行均匀压注浆液；通过同步注浆及时充填建筑空隙，减少施工过程中的土体变形。

2.5.1 浆液质量标准

根据浆液基准配合比及性能要求，严格控制浆液质量。其中，黄砂∶粉煤灰∶膨润土∶石灰∶添加剂∶水=800∶400∶50∶100∶3∶340，浆液质量密度＞1.8 g/cm3，坍落度120～160 mm，坍落度经时变化5 cm（20 h），泌水率＜5%，抗压强度R7＞0.15 MPa，R28＞1.0 MPa。

2.5.2 注浆量

由于盾构外径大于管片的外径，所以管片脱出盾尾后会在管片与周围土体之间形成建筑空隙。考虑注浆的浆液除填充盾尾的空隙外，还将渗透到周围土体中，而且浆液在固结过程中也会产生收缩，所以实际注浆量相较理论注浆量需考虑一个注浆量调整系数，该系数与土体性质、注浆压力、浆体材料及配比等有关。

因控制地层损失率的需要，同步注浆量较一般情况有所增加，注浆量调整系数控制在1.5～2.0，实际注浆量相当于建筑空隙理论计算值的150%～200%，即2.2～2.97 m3/环。由于小半径曲线段施工段带来的超挖和砂性土区域的浆液流失，实际注浆量和注浆压力根据监测数据进行动态调整。

2.5.3 注浆压力

为保证浆体较好地渗入周围土体中，注浆压力须大于隧道所处的土压力值。而且必须控制在较好的范围之内，保证只是填充而不是劈裂，实际注浆压力按照1.1～1.2倍的静止土压力进行控制。

2.6 微扰动注浆控制

为减少施工沿线建筑物沉降，进一步充填盾构施工造成的地层损失，考虑在盾构机后方实施壁后微扰动注浆。根据监测资料，于管片脱出盾尾8～10环后实施，在注浆后，依据建筑物监测数据，必要时可多次实施注浆以控制隧道上方土体、建筑物等后期产生的沉降，控制施工对沿线建筑物和环境的影响。

1）注浆孔布置：每环管片注浆孔共计15个，分别布置在拱底块、标准块和邻接块内。根据监测数据对需要加固的部位进行必要的注浆加固。先用冲击钻将预留孔疏通，将特制的防喷装置安装好，并将单向球阀接在注浆管上，以便注浆（图2）。

图2 管片注浆孔分布示意

2）浆液配比：注浆通常采用水泥单液浆或水玻璃、水泥浆混合双液浆2种浆液搭配使用。其中单液浆的特点是均匀、密实、注浆压力小；双液浆的特点是凝固快、收缩小、补偿变形迅速。以200 L浆液配比为例，甲液中的水为100～120 kg，水泥为200 kg：乙液中的水玻璃为30～50 kg。甲、乙两液配比由现场试验确定，初凝时间确定为30～60 s。上述浆液配比仅考虑土体加固注浆为一次性施工，如注浆孔需多次打开重复注浆，应适当降低水玻璃用量，以保证再次注浆时注浆孔能被顺利打开。

3）注浆压力和流量控制：注浆压力控制在0.3 MPa以下，注浆流量为10～20 L/min。

3 实施效果

3.1 盾构穿越沉降控制效果

以嘉善路站—陕西南路站区间上行线盾构始发后25～60环范围内建筑物为例，上行线盾构穿越该区域后，建筑物累计沉降曲线如图3所示。

图3 建筑物累计沉降变化曲线

上行线盾构通过该区域后，即10月26日，该区域建筑物均为累计隆起状态，最大隆起5.68 mm，最小隆起0.41 mm。上行线盾构通过该区域10 d后，即11月6日，该区域建筑物最大隆起5.3 mm，最大沉降-2.96 mm[7,8]。

3.2 二次注浆沉降控制效果

盾构穿越施工完成后，随即对该范围内建筑物进行微扰动注浆，以控制其沉降发展，自11月7日～11月16日共11 d，分5次进行注浆施工，累计注浆量5.8 m3，单次每孔注浆量100～200 L，采取少量多次的注浆方式，在加固土体的同时，尽量减少注浆对土体的扰动。

上海地区盾构法隧道施工的地层损失率一般要求控制在0.5%以内。由于本工程周边环境情况复杂，特提高地层损失率控制标准，使其≤0.3%，据此可根据Peck公式计算出盾构隧道施工完成后的地面最大沉降控制值。在研究区域范围内的盾构隧道埋深为19.231 m。经计算，该区域盾构穿越完成后，15 d的地面沉降最大值应控制在-1.62 mm，30 d的地面沉降最大值应控制在-2.43 mm。

从图4监测数据可以看出，注浆过程对建筑物扰动很小，沉降点数据基本稳定，至11月23日（盾构穿越完成17 d），最大累计沉降为-1.55 mm，最大隆起为3.87 mm。

从图5监测数据可以看出，由于进行了微扰动注浆控制，盾构施工完成后30 d内，研究区域内建筑物沉降稳定，至12月6日（盾构穿越完成30 d），最大累计沉降-2.29 mm，最大累计隆起3.1 mm。