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盾构法在黏土地层中下穿既有箱涵制措施

摘 要:以合肥地铁全断面微膨胀粘土地层盾构区间下穿既有箱涵为依托,通过对盾构掘进过程进行研究,总结了黏土地层下的沉降控制规律与下穿既有箱涵控制措施。
  结果表明:在黏土地层中通过提高刀盘转速和刀盘喷水可以有效改善渣土,适当提高土仓压力、控制注浆量、加强二次注浆可以有效控制沉降。
0 引言
  随着城市地铁的建设,盾构法发挥了越来越重要的作用。 合肥地区盾构多个地段下穿雨水箱涵,也曾发生过地面沉降报警的事故。 合肥地区有着对于几乎对所有土压平衡盾构机而言都不易掘进的微膨胀黏土。 对于合肥地区黏土层下的渣土改良,可以采用水作为改良剂;盾构法隧道下穿既有结构三维数值模拟分析,说明通过施工参数的优化可以减小既有结构的沉降 。当盾构近距离穿越地下管线、结构基础、人行通道等时也有可能诱发结构损害而导致使用性能受到影响。下面立足于合肥某标段,对在黏土地层中的掘进控制技术进行了研究,总结下穿既有箱涵的安全控制措施。
1 工程概况
  玉兰大道站—金桂路站区间,采用盾构法施工,区间线路出金桂路站沿习友路西北方向敷设,最后相继以 R =1 000 m,R = 400 m 平面曲线进入玉兰大道。 隧道通过地层主要为⑥2 硬塑状黏土(微膨胀土),属Ⅴ级围岩。
  区间多处下穿及侧穿雨水箱涵,箱涵走向与线路左线接近 80°斜交,与线路右线近 10°斜交,箱涵截面尺寸 3 m ×2 m,原箱涵顶板,底板为 350 mm 钢筋混凝土结构,侧墙为620 mm 砖墙结构。 左线隧道距离箱涵净距 2. 22 m,右线隧道距离箱涵净距 2. 4 m。
2 工程重难点
  1)原箱涵顶板,侧墙砖墙结构,结构脆弱,且原箱涵结构资料缺失。
  2)穿越地段断面为全微膨胀黏土,渣土改良不易,扭矩波动大,增加地层扰动。
  3)曲线下穿难度大。 下穿既有站段在缓和曲线上,曲线半径为 400 m,隧道开挖面为失圆,参数不易控制。
3 下穿雨水箱涵的掘进控制技术
3. 1 穿越前准备工作
  结合工程特点,本项目盾构机选用较大开口率复合式盾构,采用土压平衡模式进行掘进。
3. 1. 1全断面黏土掘进技术研究
  合肥地区全断面黏土改良是合肥地区土压盾构掘进的难点。通过查阅资料和向有经验的人请教和自我实践,主要是提高刀盘转速,通过泡沫系统向刀盘面板添加泡沫和通过膨润土系统向土仓加水。
刀盘转速从一般的1.1r/ min,提高到 1. 3 r/ m ~ 1. 4 r/ m,水是多多益善,只要皮带不打滑。
3. 1. 2 掘进沉降规律研究
  根据设计要求普通段累计沉降量控制在 30 mm,下穿段控制在15mm。
  通过对掘进沉降的研究发现沉降变化趋势是随着盾构机的穿越和时间的推移沉降逐渐增大的。我们初略的把沉降分为三个阶段,刀盘到达前、盾尾刚脱出、管片基本成型后沉降量。 可以看出一般情况下,如图 1 所示,刀盘到达前沉降量约占总沉降量30% ,盾尾刚脱出后一段时间内沉降 量约占总沉降量30%,管片基本成型后沉降量约占总沉降量 40% 。 其中刀盘到达前沉降量可以通过增加土仓压力进行控制,如图2所示,但是在黏土地层中过大的土仓压力往往意味着过高的扭矩,较低的掘进速度。
  在沉降允许的范围内,应该选择降低的土压。并且对于刀盘到达前沉降量,后面的沉降量更容易控制,占比也更高。
  针对此沉降规律在以后掘进段采取以下措施:
  1)将土压力适当提高。
  2) 严格控制同步注浆方量。
  3)重视和加强二次注浆,至少每5环注一次。
3. 1.3雨水箱涵前期调查与检测
  1)雨水箱涵内部管网视频检测。
通过与产权单位联系,获得了管网视频检测资料,习友路下雨水箱涵未发现任何明显缺陷。
  2)地质雷达检测。
  为了更好的掌握本区间的地质情况与雨水箱涵是否发生了渗漏水对周围地质造成了侵蚀,我司对隧道沿线进行了地质雷达检测。 检测段内共发现 10 处缺陷异常,检测缺陷主要为不密实,未发现明显的空洞异常。
  3)针对性掘进措施。
  从检测结果与成果可以看出区间地质缺陷主要为地基下方土体不密实,无不良地质现象,未发生雨水箱涵侵蚀土体现象。 在掘进过程中选择合理的盾构机掘进参数,加强地表观测,建立沉降监测系统,并加强掘进过程中的地面巡视及监测,即使盾构机通过以后,也应进行监测直至监测数据收敛稳定。
3. 2 模拟段掘进
  为了使盾构安全、顺利,雨水箱涵在穿越前 70 m ~40 m范围内采用可靠的技术参数进行模拟段掘进,在下穿前后 30 m 作为控制段进行掘进。
  主要确定原则是“快速平稳通过,控制同步注浆量,及时二次注浆”。 对于各项掘进参数的控制,控制其平稳比控制数值大小更加重要。初步拟定的掘进参数见表 1。
  在模拟段的掘进过程中发现,土仓压力控制在 0. 8 bar ~0. 9 bar 在模拟段掘进中略显不足,此时的刀盘到达前的沉降控制较大,符合前面的沉降规律总结。综合各方因素决定提高土仓压力。 确定新的掘进参数见表 2。
3. 3 控制段掘进控制
  1)为确保盾构穿越既有站施工的顺利进行,成立了应急指挥小组,24 h 现场值班,小组成员为参与方案论证的盾构专家及参建单位的领导。
  2)为保证在整个穿越期间机械设备正常运转,项目部成立施工设备保障小组,以应对施工过程中可能出现的各种设备故障。
  3)施工前选择具有施工经验盾构操作手及管片拼装手,并对其进行详细的方案交底,现场对盾尾间隙每环进行测量。 做好管片选型,保证管片拼装质量,防止管片拼装出现椭圆现象。
  4)严格控制掘进参数,注意观察渣土性态和螺旋机出 水量,使得如果发生箱涵渗水现象能及时制止。
4 结论与讨论
  1)在黏土地层中渣土改良主要通过刀盘加水与提高刀盘转速,使得黏土能被刀盘切碎并与水充分混合,从而不会形成大块黏土导致出土困难。
  2)地面沉降是个长期的过程,在初略的把沉降分为三个阶段下,刀盘到达前沉降量约占总沉降量30%,盾尾刚脱出后一段时间内沉降量约占总沉降量30%,管片基本成型后沉降量约占总沉降量40%。适当提高土仓压力有利于控制刀盘到达前的沉降,但往往会导致掘进速度的下降。严格控制注浆量和及时进行二次注浆有利于后续的沉降控制。
  3)在下穿既有箱涵前的准备工作和下穿过程中的控制措施同等重要。 应该在下穿既有箱涵前对箱涵结构进行调查,确定是否需要对箱涵结构进行加固,或者对地层进行加固。并初步拟定施工方案,掘进参数。
  4)本工程只是对在合肥地区黏土地层中下穿既有箱涵控制措施进行了总结,黏土地层本身比较稳定,在其他地层情况下盾构下穿既有箱涵规律仍待总结。 

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