盾构断面

2024-09-12

盾构断面篇1

本文通过对福州地铁1号线斗门站~树兜站盾构区间穿越全断面淤泥质地层 (尤其是其间穿越晋安河) 施工技术进行研究, 妥善解决了盾构机过全断面浅埋淤泥质地层掘进问题, 其间顺利穿越浅覆土全断面淤泥质晋安河, 区间成型管片未出现大的超限情况。采取合适的土压, 严格的同步注浆把控以及及时的二次跟进补注浆, 本区间地面沉降均在规定范围内, 未出现明显的沉降且隧道横穿的管线均完好无损;合理的掘进参数及合适的浆液配比, 隧道渗漏情况也得到有效的控制。对于福州地区河流冲积平原地貌地层的盾构施工具有借鉴意义。

1 工程概况

福州地铁1号线斗门站~树兜站区间为全地下盾构区间, 上、下行线均为539.9m。本区间自华林路晋安河东侧的斗门站西行, 下穿晋安河, 至五四路口的树兜站。华林路为现状四车道, 规划路宽40m。本区间沿线经过的两侧高楼较多, 主要有轻安大厦、金宏达中心综合楼、省第一测绘院办公楼, 以及构筑物华林路晋安河桥。

2 工程水文地质条件

本区间隧道掘进地层较为均匀, 主要为 (3) 1淤泥层 (含水量65.4%, 富水) , 局部为 (4) 粉质粘土。其中: (3) 1淤泥表现为软土、流塑, 易产生蠕动变形; (4) 粉质粘土表现为可塑, 为硬土层, 性质较好。

3 区间结构设计

本区间有1段平面曲线, 上、下行线曲线半径均为3000m, 线间距13.5m:纵断面为人字坡, 最大纵坡5‰, 最小纵坡3‰, 区间隧道覆土最大厚度10.1m, 最小厚度4.028m。通用楔形环, 环宽1.2m, 管片厚度0.35m, 管片混凝土C55, 抗渗等级不小于P10, 区间隧道结构防水等级为二级。

4 盾构主要施工技术

4.1 盾构掘进控制

盾构施工控制主要在盾构各项参数控制。本工程通过对盾构机推进时推力、刀盘转速、出土量、土仓压力、管片姿态控制等措施, 有效地控制了盾构机穿越全断面浅覆土淤泥质地层的沉降, 安全地下穿了晋安河。

4.1.1 掘进控制

(1) 推力控制。盾构推力的构成分析, 推力除了要克服盾体前进时的摩擦力、台车后配套的牵引力, 还要克服土体对掌子面的正压力, 所以土压的大小也影响推力的大小, 土压大推力大, 土压小推力小。

淤泥地层整体推力偏小, 在过晋安河段段推力大小约为4700~6900k N (图1) , 推力过小无法形成有效的区压, 不利于盾构姿态调整。当需要进行姿态调整时, 可适当地放大该区域千斤顶压力:如果往右纠偏, 可适当增大左侧区压, 将上、下、右区三区压力同时调小;亦可采用减少区域千斤顶使用数量, 即可增大区域间的压力差, 但使用这种方式调整姿态需要注意:推进时每块管片至少要有一个千斤顶作用于上面, 防止推进过程中管片产生纵向位移。

(2) 刀盘控制。本区间施工中, 过晋安河段刀盘采用低转速0.5r/min, 以减少对河床的扰动;正常段刀盘采用0.8r/min转速, 以保证贯入度。

(3) 出渣控制。

(1) 出渣量的计算:

V挖=πR2L (盾构机开挖直径为6.37m, 每环管片长度为1.2m)

(2) 实际出渣量的控制:盾构始发前对现场进行详细的渣土计量交底, 对渣斗车进行分格量化, 从渣斗车顶往下每10cm所对应的渣土量数值进行精确计算, 确保能快速确定每环出渣量, 并做好出渣记录。通过地表监测结果及时反馈, 以确定是否超方。过河段时严格控制出渣量, 每装满一斗土既需要对比盾构掘进里程, 以减少过程中可能存在的超方情况, 防止超挖导致河床击穿。

4.1.2 土压控制

(1) 理论土压计算:采用朗金土压力理论。

(2) 实际土压控制:对土压平衡盾构及其而言, 常规情况下, 实际设定时为避免土压太大难以推进, 取主动土压力理论值再增加0.02MPa左右作为土仓压力初始设定值。盾构推进过程中地表监测班组对刀盘位置地表的沉降变形进行监测, 并实时反馈到盾构机操作手, 操作手根据地表的沉降或隆起情况通过调整推进速度和出土速度关系对土仓压力进行微调。

4.1.3 姿态控制。

(1) 盾构机姿态控制。本区间在富水淤泥质地层中, 盾构机盾尾与管片均容易产生上浮, 推进过程中需保持盾构机姿态处于设计轴线以下, 保持低头掘进, 根据成型管片姿态适当的将盾构机姿态调整至轴线以下。图2、3是过晋安河段管片成型姿态参数。

(2) 管片姿态控制。在富水层中, 成型管片在脱出盾尾时还受到浮力作用, 图2、3可以明显看出管片在过晋安河段上浮量较大。针对管片上浮施工过程中采取的措施有以下几点:

(1) 调整同步浆液初凝时间, 可使管片存在上浮的时间量减短;

(2) 增加上部注浆量, 可减少管片上浮空间, 减小上浮量;

(3) 管片拼装下部有适当的超前量, 使盾构机推进油缸与管片之间有向下的分力, 可克服部分浮力;但管片的超前量不宜过大, 过大则易导致管片破损, 影响成型管片质量;

(4) 管片拼装时, 可适当向下压低2~3mm, 当管片存在上浮时可减少顶部管片破损现象;

(5) 二次注浆及时跟进, 根据测量结果, 对上浮量较大的管片顶部进行压浆, 底部开孔泄压, 可对成型管片进行调整。

4.2 洞内注浆控制技术

在盾构施工中, 随着盾构的掘进, 因盾构机刀盘的开挖直径大于管片外径, 在管片与土体之间将出现一定的空隙。为了填充这些间隙, 就要在盾构机推进过程中, 保持一定压力不间断地从盾尾直接向壁后注浆。在本工程始发即穿越浅覆土河道, 地层为全断面富水淤泥质地层, 地层自稳性差, 在外力作用下易扰动且强度降低, 盾构掘进中不仅保持土压平衡极为困难, 而且往往会出现前期沉降及盾构通过后沉降长期不收敛;若不能掌握切实可行的同步注浆加固技术, 将造成盾构隧道管片上浮等一系列问题。管片外部充填注浆的目的有三个方面:一是防止地层变形、控制地表沉降;二是限制管片位移和变形, 提高结构的稳定性;三是作为隧道一道防水层, 提高隧道的抗滲性。

4.2.1 盾构掘进引起的沉降理论

盾构施工必然扰动地层土体, 引发地层损失、隧道周围受扰动或受剪切破坏的重塑土的再固结, 这是构成地面沉降的根本原因。在软土地层中用盾构法施工隧道, 因地层损失和土体扰动, 必然引起地表变形。表现在盾构机掘进的前方和顶部会产生微量的隆起, 盾构机部分通过地表开始下沉, 盾尾脱离后地表下沉加快, 并形成一定宽度的沉降槽地带, 下沉的速率随时间而逐渐衰减, 且与盾构经过的地质、施工工况和地表荷载等有密切的关系, 并表现出相当大的差异性。

4.2.2 同步注浆

为及时填充土体中的空腔, 防止沉降的发生, 采用同步注浆来进行控制。盾构机配备了盾尾同步单液注浆系统, 可在盾构机推进过程中, 保持一定压力不间断地从盾尾直接向壁后注浆, 当盾构机推进结束时, 停止注浆。这种方法是在环形空隙形成的同时用浆液将其填充的注浆方式, 能有效地填充空腔并密实松散的土体。

4.2.3 同步注浆施工工艺

壁后注浆装置由注浆泵、清洗泵、储浆罐、管路、阀件等组成, 安装在第一节台车上。当盾构掘进时, 注浆泵将储浆罐中的浆液泵出, 通过四条独立的输浆管道, 通到盾尾壳体内的4根同步注浆管, 对管片外表面的环行空隙中进行同步注浆, 参见图4, 在每条输浆管道上都有一个压力传感器, 在每个注浆点都有监控设备监视每环的注浆量和注浆压力;而且每条注浆管道上设有两个调整阀, 当压力达到最大时, 其中一个阀就会使注浆泵关闭, 而当压力达到最小时, 另外一个阀就会使注浆泵打开, 继续注浆。

盾尾密封采用三道钢丝刷加注盾尾油脂密封, 确保周边地基的土砂和地下水、衬背注浆材料、开挖面的水和泥土从外壳内表面和管片外周部之间空隙不会流入盾构里, 确保壁后注浆的顺利进行。

当注浆效果不能满足要求时, 要及时进行二次补强注浆。

4.2.4 二次注浆

为弥补同步注浆不饱满形成的空腔及松散土体, 需要进行二次注浆, 当管片存在渗漏水情况时亦可进行二次注浆进行封堵。目前盾构施工中壁后注浆材料的种类可分为两类:单液型和双液型。双液浆结石率高, 基本不流失, 不析水, 不收缩, 透水性低, 早期强度高而且快。本区间隧道受地下水影响较大, 因此优先选用双液浆 (水泥浆、水玻璃) 作为二次注浆材料。利用双液注浆料的快速早凝特点, 快速阻断水流通道以达到空腔填充饱满的目的, 同时通过控制浆液凝结时间和在不同位置分阶段注浆, 有效地控制地表沉降的发生。

本区间管片均增设预埋注浆孔;预埋注浆孔和管片中心处的吊装孔, 兼可作二次注浆孔。采取“多点、均匀、少量、多次”的注浆原则进行注浆。二次注浆采用双液注浆机, 注浆前需在起吊孔内装入单项逆止阀并凿除外侧混凝土, 注浆压力根据渗漏水情况、结构厚度、埋深等因素确定, 一般可控制在0.4~0.6MPa。

5 工程监测

根据第三方监测报表, 本区间从2013年3月23日起至2013年12月25日期间, 共发布32次周报、9次月报。

纵观各期各项观测成果, 监测数据连续性一致, 表明观测所用仪器工具性能良好, 基准点稳定, 在各监测周期中, 各项观测技术指标均达到国家规范要求, 成果可靠。

从各期监测数据报表及变形过程图来看, 除个别管线、建 (构) 筑物沉降点累计变化量较大, 个别地表沉降点本月变化量较大外, 其他监测点数据变化量无异常, 符合规范及设计要求。

6 工程效果与总结

目前, 斗门站-树兜站盾构区间已双线贯通, 其中:下行线2013年4月2日从斗门站北端盾构井出发, 2013年6月30日到达树兜站南端盾构井, 历时90d;上行线于2013年6月26日从斗门站北端盾构井始发, 2013年9月10日抵达树兜站, 历时76d, 平均每日掘进6环。

本项目主要经济效益:节约了原定晋安河加固费用140万元, 周边建筑物保护费用45万元, 累计185万元。社会效益:顺利完成了盾构过晋安河这一重大风险源, 有效控制了盾构机穿越全断面淤泥质地层路面沉降。

摘要：福州地铁1号线斗门站树兜站区间沿华林路走向, 盾构区间穿越全断面淤泥地层, 通过对盾构下穿晋安河施工技术总结, 对福州地区河流冲积平原地貌地层的盾构施工提供借鉴。

关键词：盾构,全断面淤泥,掘进控制,同步注浆,工程监测

参考文献

[1]福州市轨道交通1号线工程 (一标段) 斗门站~树兜站区间岩土工程勘察报告 (详勘, 2010.9)