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超大直径盾构下穿棚户区沉降控制技术研究

摘要:超大直径盾构下穿老旧棚户区微扰动施工控制是地下工程实践中面临的重要难题。本文以武汉地铁 8 号线黄浦路站—徐家棚站区间盾构下穿棚户区项目为工程背景,首先对提出全断面粉细砂层注浆加固工艺并进行浆液配比实验给出最佳浆液配比,并对盾构施工过程进行实时监测监控,根据工程具体情况对盾构机下穿掘进参数进行分析,最后提出超大直径泥水盾构穿越棚户区施工的控制措施。
  研究结果表明: 袖阀管注浆加固工艺对超大直径盾构下穿的老旧棚户区具有较好的保护作用,现场试验确定最佳水灰配比为0.8:1; 盾构穿越过程中地表沉降纵向变化呈近似 U 型分布,横向变形出现明显沉降槽,加固棚户区老旧结构基础最大隆起值为 15 mm,建筑结构整体先隆起后减弱,且沉降值控制在 15 mm 以内; 盾构机总推力和刀盘扭矩、盾构机总推力和土舱压力、出土率和土舱压力具有变化规律一致性。研究结果为揭示超大直径盾构下穿老旧棚户区施工过程对地层和地面建筑结构的影响规律提供参考和依据。

0 引言
  近年来我国许多交通压力较大的城市开始大规模修建地铁,线路不免会穿越建筑物密集区和老城区。老城区的建筑因其修建时间不同,大多为老旧承载力较低的平房或低层建筑。老旧棚户区基础薄弱,受到盾构穿越造成的影响也将愈加明显,且超大直径盾构的施工很可能存在超挖、开挖面失稳、地表变形过大及盾构掘进进度缓慢等风险。
  围绕隧道盾构下穿老旧建( 构) 筑物的沉降控制问题,目前国内外研究学者采用不同的实验方法做了很多相关研究,如 Imamura 等采用了离心机实验,Shirlaw 等进行了大量的沉降规律总结研究,易宏伟等、刘招伟等则结合了半解析元数值计算,庄丽等、张金菊等利用有限元模拟计算。各种不同的方法殊途同归,都对隧道开挖引起地表及建筑物沉降进行了全面分析。
  本文以武汉地铁 8 号线黄浦路站—徐家棚站区间超大直径隧道盾构穿越老旧棚户区为依托项目,对全断面粉细砂地层条件下超大直径盾构隧道下穿老旧棚户区沉降控制技术进行研究,分析超大直径盾构下穿老旧棚户区的地表和建筑物变形规律及对应加固控制措施,以期为类似工程提供参考。
1 工程背景
  武汉地铁 8 号线隧道长距离穿越高密集棚户区平面关系如图 1 所示,穿越总长为 754.62 m。黄徐地铁区间选择采用直径为 12.51 m 的超大泥水平衡盾构进行施工,施工期间穿越全断面粉细砂地层,上覆土较浅。 
  盾构隧道始发即长距离下穿老旧棚户区,区段内多数建( 构) 筑物建成时间较早,有严重的安全隐患。区间隧道在右线 DK12+843.313~右 DK12+877.183 处下穿幼儿园教学楼,隧道顶部与其基础最小竖向净距为 14.77 m,为隧道轴线与上部棚户区最小净距。经有关部门鉴定,认定此次超大型盾构下穿幼儿园教学楼为重大风险源。隧道与幼儿园教学楼剖面关系如图 2。
  超大直径盾构掘进过程穿越多种地层,土层疏密不均,工程性能差距较大,结构复杂,工程地质剖面如图 3 所示,各土层物理力学性质如表 1。

2 粉细砂层超大直径盾构下穿老旧棚户区注浆加固技术
2.1 袖阀管注浆加固工艺
  本区间段隧道盾构施工大面积下穿既有老旧建( 构) 筑物,其中绝大部分为老旧棚户区建筑,根据设计要求在下穿老旧棚户区期间应采取相应的加固措施。袖阀管注浆作为一种可靠的预加固技术,目前已广泛应用于建筑结构加固领域,能极大地减小浆液冒浆风险。
  武汉地区的粉细砂层由于渗透系数大、透水性较强、压缩性低、承载力一般,导致在注浆加固时浆液容易流失,加固效果较差,费时费力。因此,采用合理有效的注浆加固工艺是十分必要的。
  本次在超大直径盾构下穿老旧棚户区施工前对沿线建筑结构进行预加固处理,在隧道上方的粉细砂层选用直径 89 mm 硬质 PVC 袖阀管进行注浆加固,且采取后退式注浆,按照 1.0 m×1.0 m 梅花形布置,扩散半径为 0.7m,加固范围为地表下 4~19 m,如图 1。
2.2 浆液材料配比试验
  根据以往施工经验,设计给出了袖阀管注浆浆液配比( 表 2) ,但难以满足棚户区老旧房屋加固需求,因此采用添加复合材料的复合型液浆。此复合型液浆由水泥( C) 、水玻璃( Na2O·mSiO2·xH2O)和外加剂组成,其中选用 P.O42.5 硅酸盐水泥,SiO2和 Na2O 的模数之比为 2.5 的水玻璃,浓度为45Be,通过现场多组试验确定的最佳水灰配比为0.8:1。
  为检验加固后盾构周围土层的加固性能,现场施作了 4 个检查孔进行取芯,验证注浆预加固效果( 图 4) 。从钻孔取出的芯样具有较高强度且浆液填充饱满。对芯样进行土力学试验,芯样 7 天单轴抗压强度均大于 6 MPa,渗透系数≤1.0×10-6cm /s。经检测,芯体的 RQD 值较高,达到 60%以上,浆体完整性良好,注浆达到了加固止水的要求。
  由于区间地面棚户区环境复杂,协调难度较大,在地面加固措施实施较为困难或因客观原因无法采取地表注浆加固措施时,则采用洞内深孔钢花管注浆的方式对隧道周围地层进行注浆加固,加固情况视盾构穿越后地面沉降情况决定。当地面沉降超过预警值时凿开管片预留注浆孔进行深孔注浆( 图 5) 。
3 超大直径盾构下穿老旧棚户区掘进沉降反馈控制
  粉细砂地层超大直径盾构隧道长距离下穿老旧棚户区,为避免造成地面大范围隆沉,造成建筑物大面积破坏,需要对隧道开挖过程中地表及相关建筑物的沉降量进行布点监测。
  采用几何水准测量方法对试验段内盾构施工诱发的地表沉降进行原位监测,其静力水准仪主要相关技术指标如表 3 所示。
3.1 地表沉降实测
  根据实际工程,监控区域内每隔 10 m 设一个监测断面,根据需要每个断面相应布设间距为 4 m的 8 个测点,如图 1、图 6 所示。
  图 7、8 为典型监测断面 DC03 和 DC04 纵向沉降累计值。可以看出,盾构距离监测面距离大于30 m 时地表起伏相对平缓,受影响较小,破除至切口到达时 DBC05 最大沉降值为 2.7 mm。盾构掘进过程中,2 个监测点的各监测断面地层都表现出快速隆起状态,DC03 与 DC04 两监测断面最大隆起分别为 18 mm 和 30 mm,这是由于在该穿越地层注浆压力过大而产生扰动。而后土体开始蠕变、固结,在盾构脱离后,地层沉降开始稳定。

  DC03 断面地表横向沉降累计变化如图 9 所示。横向地表变形出现了明显的沉降槽,最大隆起达到 15 mm。
  该项目盾构掘进引起地表隆起的原因主要有:
  ①同步注浆压力过大,地层产生扰动,造成盾尾土体隆起;
  ②开挖面处于欠挖状态;
  ③穿越地层粘性较大,产生背土效应。
3.2 建筑结构沉降实测
  徐黄区间右线盾构下穿老旧幼儿园教学楼,其基础地面与隧道顶部净距仅为 14.77 m,需要对幼儿园教学楼进行重点监测。测点标志采用沉降标( 图 10) ,在墙体内植入沉降标后,为确保植入牢固用砂浆进行粘结封闭。 
  建构筑物各测点监测结果如图 11 所示。可以看出,超大直径盾构在下穿老旧幼儿园教学楼时,结构整体先隆起后下沉,累计变形控制在-10~10mm 以内,变形在可控范围之内。
4 超大直径泥水盾构掘进参数分析
  黄徐地铁区间选择采用直径为 12.51 m 的超大泥水平衡盾构进行施工( 图 12) ,盾构机使用高出面板 100 mm 的可换式切削刀,其相关掘进参数如表 4。
4.1 盾构机总推力与刀盘扭矩关系分析
  下穿幼儿园教学楼掘进过程中盾构机总推力和刀盘扭矩之间的关系如图 13 所示。由图可知,在隧道上方进行过袖阀管预加固后,加固区盾构机总推力与刀盘扭矩变化规律一致。
4.2 盾构机总推力与土舱压力关系分析
  土舱压力是超大直径泥水平衡盾构机在掘进过程中的重要参数,关系着开挖临空面的稳定程度,也是表征临空面稳定与否的重要指标。盾构机土舱压力由公式( 1) 计算确定:
 F1 = ( f1 + f2 + f3 + f4 ) /4     ( 1)
  式中: F1为盾构机土舱压力; f1为土舱左部土压力;f2为土舱右部土压力; f3为土舱上部土压力;f4为土舱下部土压力。
  在下穿上部老旧幼儿园教学楼时盾构掘进过程的总推力和土舱压力变化关系曲线如图 14 所示。由图可知,在盾构机不断向前推进的过程中,土舱压力和盾构机总推力先增大后减小,随后逐步呈稳定状态,距离 5 m 处属于幼儿园教学楼断面加固区,盾构机所受土体阻力增大,因此此处土舱压力和盾构机总推力值突然增大。由二者变化曲线可知,盾构掘进时盾构机总推力与土舱压力有着密切的相关性。
4.3 出土率与土舱压力关系分析
  出土率指盾构机进行土体开挖时实际出土体积与理论计算出土体积之比,是控制复合式泥水平衡盾构机保持平衡稳定的重要参数,同时也决定着施工时的地层损失大小。盾构机掘进时,为维持开挖面压力平衡稳定,出土率理论值应为 100%,但实际施工为一动态过程,难免会出现超挖或者欠挖而致使出土率具有随机性。出土率 e 由公式( 2) 计算确定:
e = 4V /( πlD2)   ( 2)
  式中:e 为出土率; V 为出土量; l 为盾构机环长度;D 为盾构机刀盘直径。
  盾构推进时开挖面作用于盾构机表面的压力P0与土舱内的压力 P1存在差值形成盾构机土舱内外压力差 ΔP,ΔP 由公式( 3) 计算确定:
ΔP = K0 zγ - P1   ( 3)
  式中: K0为静止土压力系数; z 为地表至盾构机刀盘中心的竖向距离;γ 为土体重度。
  盾构机下穿幼儿园教学楼加固区时出土率与土舱内外压力差关系变化如图 15 所示,可看出两者变化规律一致,与文献结论类似。
5 超大直径泥水盾构穿越棚户区施工控制措施
5.1 严格控制盾构掘进参数
  切口水压是隧道掘进需要控制的重要参数之一。掘进过程中,切口水压波动值控制在-10 ~10 kPa 之间,在计算值基础上加 0.2 bar 的修正值,确保与地层参数相匹配。
  需根据地层的具体情况控制盾构机刀盘转速,当锥入度超过 50 则需要增大转速,该项目刀盘转速大致为0.8 ~0.9 rpm。
5.2 盾构纠偏控制
  盾构穿越过程中,大量纠偏易导致地表过大沉降,老旧棚户区建筑稳定性较差,在穿越时应严格控制盾构纠偏量。
  根据里程段地质情况可知,上覆土较浅,盾构穿越过程中易出现“上漂”现象,较快的掘进速度会对土体产生较大冲击。为避免此类事故的发生,盾构机平面位置严格控制在设计轴线± 30 mm 区间内,盾构掘进速度设定为 15 mm /min。
5.3 同步注浆质量控制
  根据国内外类似工程条件下的超大直径盾构施工经验,可知同步注浆应同时满足以下要求:
  ①较好的可注性及抗水分散性;
  ②应与掘进速度、注浆作业等要求相匹配;
  ③地层条件决定凝胶时间。满足上述要求后,本工程根据里程段地质情况,采用水泥砂浆同步注浆,确定了适用于本工程盾构穿越老旧棚户区的配比方案,如表 4 所示。
6 结论
  对超大直径盾构下穿老旧棚户区沉降控制技术进行研究,提出粉细砂层超大直径盾构下穿老旧棚户区注浆加固工艺并进行浆液配比实验给出最佳浆液配比,并对超大直径盾构下穿棚户区及地表沉降进行实时监测监控,借助现有通讯手段做到盾构下穿信息化施工,最后提出超大直径泥水盾构穿越棚户区施工的控制措施,主要结论如下:
  ( 1) 袖阀管注浆加固工艺对超大直径盾构下穿的老旧棚户区具有较好的保护加固作用,通过现场多组试验确定的最佳水灰配比为 0.8: 1。
  ( 2) 切口到达掌子面时周围地层都表现出快速隆起状态,由于为粉细砂地层注浆压力过大而产生的扰动,最大隆起值可达 30 mm。盾尾通过后,地层隆起逐渐减小且呈平稳状态。
  ( 3) 盾构下穿过程中地表变形出现了明显的沉降槽,呈现中间小、两头大的趋势,最大隆起为15 mm。
  ( 4) 经过加固后,在超大直径盾构掘进过程中上部棚户区老旧结构基础结构整体沉降值控制为±10 mm 以内。
  ( 5) 盾构机在向前推进过程中,盾构机总推力和刀盘扭矩、盾构机总推力和土舱压力、出土率和土舱压力的变化规律具有一致性。

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