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盾构长距离小净距斜穿大直径污水干管施工技术研究

摘  要:地铁盾构下穿既有管线时,如何减小地表沉降保证盾构机安全穿越管线成为盾构施工中的重难点。以郑州地铁某区间盾构长距离小净距斜穿 DN2000 污水管工程为背景,建立盾构斜穿污水管有限元模型,分析污水管的受力与变形情况,在袖阀管注浆加固污水管前提下,通过控制盾构掘进参数、调整盾构姿态、优化改良渣土配比、精确把控出土量等措施,以地表间接监测和污水管直接监测为保障,将变形值控制在 3.2 mm以内,最后成功穿越污水管。
0  引言
  我国城市轨道交通目前处于高速发展期,而盾构法由于其安全可靠、地层适应性强、工效高、对地面交通干扰小、可穿越江河、湖泊、既有铁路公路及通道管线等优点,已成为当前地铁施工中最先进、最常用的施工方法。但是,在盾构掘进过程中仍不可避免扰动土体,特别是在富水松软地层中,地表沉降难以控制。管线是城市的生命线,发展成熟的城市道路下方管线布设错综复杂,盾构下穿城市道路下方管线过程中如何减小对土体扰动、降低土体沉降量,已成为当前地铁建设中重要的研究课题。
  本文以郑州地铁某区间下穿大直径污水管为背景,针对复杂的地层特点,采取相应的管线沉降控制施工技术,并通过采用有限元数值模拟,科学选择盾构机掘进参数、注浆参数,精确把控出土量,加强施工监测等系列措施,保证了盾构机成功下穿大直径污水干管。
1  工程简介
  郑州地铁某区间左线起点里程为 ZDK19+350.537,终点里程为 ZDK19+800.855, 左线全长 450.969 m ;右线起点里程为 YDK19+350.537, 终点里程为ZDK19+800.856,右线全长 450.318 m,采用盾构法施工,区间隧道线间距为 13.0 m ~ 17.2 m。区间地面下方约 7 m 的位置存在 1 根 1985 年修建的 DN2000 污水干管,走向与区间隧道大致平行,局部存在交叉,与隧道平面交叉处最小净距约为 3.5 m。污水管为钢筋混凝土预制管,壁厚约 200 mm,管节长度 2 m,F 型插口,顶管法施工。污水管与区间位置关系见图 1。
  本区间隧道地层属第四系全新统冲洪积层,自上而下主要为人工填土、粉土、粉质黏土、粉砂、细砂等。区间隧道结构主要穿越砂质粉土、粉质黏土、有机质粉质黏土等地层。本区间场地勘察期间,稳定地下潜水水位埋深介于 5.71 ~ 5.74 m,水位高程约 87.06 ~87.78 m,该层水赋存于水位以下的冲洪积的粉土和砂土层中。
2  盾构下穿污水管数值模拟
  考虑到施工引起的污水管沉降与地层关系密切,采用地层 - 结构模型进行变形分析。计算模型选取DN2000 污水管的有效影响范围,分析污水管的受力与变形情况。
2.1 计算模型
  计算模型选取 70 m×40 m×60 m 的土体作为考察范围,计算模型周围土体以及衬砌注浆单元采用实体单元,污水管采用壳单元。不同土层赋予不同参数,边界条件选用顶部自由,底部固定,其他面均采用法向约束,计算模型见图 2。
2.2 开挖模拟计算
  根据施工方案,开挖模拟分为以下几个阶段进行。
 (1)地应力平衡模拟;
 (2)区间左线盾构隧道开挖,开挖速度 10 环 / 天;
 (3)右线盾构隧道开挖,开挖速度 10 环 / 天。
  图 3 给出了污水管随左右线隧道开挖竖向位移曲线,由图 3 可知,左线开挖过程中位移整体为隆起状态,最大隆起约为 3.2 mm,右线开挖过程中位移为先隆起后沉降,最终沉降约为 0.5 mm,满足 DN2000污水管累计变形值不超过 10 mm 要求。
3  盾构下穿污水管施工
3.1 污水管注浆加固
 (1)区间隧道左右线下穿 DN2000 污水管施工前,提前在地面距离污水管两侧 2.5 m 处钻孔至污水管底并预埋φ50 mm 袖阀管,注浆平面范围为区间隧道下穿污水管区域;注浆深度至污水管底,注浆加固扩散半径为1200 mm ;注浆材料采用 42.5 级普通硅酸盐水泥和水玻璃,水灰比为 1 : 1,水玻璃掺量为 3%,注浆初始压力为 0.1 ~ 0.2 MPa,稳定压力为 0.3 ~ 0.4 MPa。注浆范围横断面示意图见图 4。
 (2)在污水管两侧预埋单排φ50 mm 注浆孔,以80°倾角打设至污水管底。根据污水管关节长度 2 m,故沿长度方向以 2 m 为间距布设注浆孔,以保证污水管接口处能够得到有效加固,钻孔共计 400 个。注浆孔平面布置示意图见图 5。
3.2 盾构掘进参数确定
  盾构下穿污水管区域地质为砂质粉土层和粉质黏土层,选用土压平衡式盾构机进行掘进,盾构机下穿污水管的部分为:左线 165 ~ 191 环,右线 114 ~ 143 环。综合盾构下穿建筑物的施工经验,在盾构下穿 DN2000污水管前 50 m 范围设置试验段,详细记录各项掘进参数、地面及管线监测情况并进行统计分析,穿越时的推力、扭矩、排土率及掘进速度等参数详见表 1。
  采用土压平衡式盾构机掘进时,土仓压力设定值是主要的管理指标,根据监测数据不断调整优化土压。理论土压力值 P 理可由公式(1)计算得出:
  P 理 = K0 γh (1)
  式(1)中,γ 为土体的平均重度,取 1.93 g/ cm3;h 为隧道埋深,其中污水管埋约 7 m ;K0 为侧向静止土压力系数,取 K0 = 0.5。
  盾构下穿污水管段土仓压力设定值应比理论土压力值适度增加 0.01 ~ 0.02 MPa,形成轻微隆起趋势,控制减小沉降。表 2 为左线下穿污水管段土压力设定值。
3.3 盾构姿态控制及调整
 (1)盾构下穿 DN2000 污水管前对盾构姿态进行复测,以保证盾构按设计姿态下穿污水管。
 (2)下穿污水管时适当降低盾构掘进速度,匀速穿越该区段,将掘进速度控制在 2.5 ~ 3 mm/min 左右,以减少对土体的扰动,精准把控推进里程。
 (3)对管片脱离盾尾成型的姿态进行测量,并将测量结果及时与计算的三维坐标相校核,对推进过程中出现的小偏差及时纠正,盾构姿态最终偏差量控制在±30 mm 以内。
 (4)盾构机纠偏不宜过快,以免产生管片错台及破损等质量缺陷,遵循“勤纠、缓纠、次多量小”原则,每环纠偏量宜控制在 2 ~ 5 mm 以内。
3.4 渣土改良
  在盾构下穿 DN2000 污水管时,为保持开挖面的稳定,减少地层扰动,根据地层条件适当注入泡沫剂和膨润土,确保渣土的流动性和止水性。下穿污水管地层以粉质黏土、砂质粉土等富水层为主,盾构在该地层中掘进,若只使用泡沫剂改良渣土,会使土仓内水土比变大,增加喷涌风险;只使用膨润土改良渣土,刀盘扭矩会很大,掘进困难。
  为达到理想的渣土改良效果,现场采用了优质康达特泡沫剂和钠基膨润土浆液。泡沫剂由 90% ~ 95% 压缩空气和 5% ~ 10% 泡沫溶液(其中,泡沫原液 1% ~2%,水 98% ~ 99%)混合而成,发泡倍率 15 ~ 20 倍,泡沫剂的注入量 300 ~ 600 L/ m3。膨润土与渣土配比1 : 11,盾构掘进 1 环出土量约为 57 m3,每环使用膨润土浆液为 3 ~ 5 m3。
3.5 出土量控制
 (1)盾构下穿污水管段需严格控制出土量,严禁多出土。
 (2)出土量控制以渣土体积控制为主,重量复核为辅,保证控制地层损失率达到最小。
 (3)现场盾构施工时每环出土量 57 ~ 58 m3,每环出土重量为 116.85 t,出土时用门式起重机及时称重并对比复核。
 (4)对掘进所排出的渣土样本(颗粒粒径、流动性、颜色、气味及温度等)进行分析,对每环渣样进行留存。
3.6 洞内注浆加固
 (1)同步注浆。盾构下穿污水管段掘进时,同步注浆量控制在理论空隙量的 180%,即每环注浆量约为7 m3,注浆速度控制为 0.15 ~ 0.25 m3/ min,注浆材料选用有 5% 膨胀性能的浆液。
 (2)二次补强注浆。二次补强注浆的浆液为双液浆,二次注浆以注浆压力控制为主。因壁后间隙较少,需较大压力才能将浆液注入,因此将注浆压力控制在0.3 ~ 0.6 MPa,浆液流量为 10 ~ 15 L/min,每环注浆量为约 1 m3。注浆时需派专人负责,对注入位置、注入量、压力值进行详细记录,并根据地层变形监测信息及时调整,确保注浆工序的施工质量。
4  施工监测
  盾构下穿污水管时对污水管线上方土体沉降、污水管线直接监测点沉降、污水管线周边地表及建筑物沉降进行监测。
 (1)利用地表沉降监测网和地面沉降断面进行监测。
 (2)为更直接地了解盾构施工对该处污水管线的影响程度,对各路口的设备点(检查井)进行直接监测。
 (3)由于污水管埋深较大,因此在管线上方地表钻孔布设监测点,监测断面间距为 5 ~ 15 m,在拐弯处、变径处、位移变化敏感处单加测点。
 (4)污水管直接监测点的布设应从盾构下穿污水管前 20 m 到下穿后 20 m 范围。污水管直接监测点埋设时应从地面打孔至污水管上表面,紧贴管道埋设。污水管直接监测点上方 10 cm 范围内回填素混凝土并浇筑密实,然后使用砂土回填密实至地面标高,见图 6。
5  结论
 (1)以郑州地铁某区间盾构近距离下穿 DN2000 污水管为背景,介绍了污水管基本概况、下穿污水管区域工程水文地质,并对下穿污水管施工风险进行了评估。
 (2)通过建立 70 m×40 m×60 m 的土体计算模型,采用地层 - 结构模型对污水管的受力与变形进行计算分析,计算结果表明,左线隧道开挖过程中污水管整体为隆起变形,最大隆起约为 3.2 mm,右线开挖过程中变形为先隆起后沉降,最终沉降约为 0.5 mm,满足污水管变形最大值 10 mm 要求。
 (3)通过采取袖阀管注浆对污水管周围土体进行加固,严格控制盾构掘进参数,加强盾构姿态控制,优化渣土改良配比,精确控制出土量并及时进行注浆加固,采用地表沉降监测和污水管直接监测等施工技术措施,最终将污水管变形值控制在 3.2 mm 以下,确保了盾构安全下穿 DN2000 污水管。

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