穿越不同建筑物的隧道工程盾构施工控制技术.pdf

第1期（总第164期）No.1(SerialNo.164)2013年2月CHINAMUNICIPALENGINEERINGFeb.2013DOI:10.3969/j.issn.1004-4655.2013.01.017穿越不同建筑物的隧道工程盾构施工控制技术林恭新（上海申通地铁集团有限公司，上海200030）摘要：结合上海市从松江新城站出发至松江体育中心路站的隧道盾构工程实例，对近距离穿越高架桥、重要建（构）筑物以及土质较差地区等情况进行了分析，提出了盾构选型、盾构施工的保护措施、施工参数的调整方案及应急对策，给相关专业的工作人员提供了较好的借鉴实例。关键词：盾构法；近距离穿越；隧道工程中图分类号：U455.43文献标志码：B文章编号：1004-4655（2013）01-0048-06随着地下工程的不断完善，地铁盾构下穿运营向、纵向均采用M30直螺栓连接。衬砌防水措施的轨道交通及其他周边建筑物的情况日益增多，并为2道防水，除管片混凝土结构自防水和衬砌接缝可导致临近建筑物的损坏或影响其安全性。文章中设遇水膨胀橡胶密封垫外，同时在管片外弧面内侧的工程具有盾构推进行程长、工期紧等特点，并且（弹性密封垫沟槽外侧）增设1条遇水膨胀橡胶阻盾构穿越建（构）筑物繁多，通过反复对本工程踏水条。勘和对图纸的详细研究，投入精良的设备、完善的1.3工程地质情况施工技术，优化工期、克服工程行程长和工期紧的盾构推进区域主要位于③1灰色淤泥质粉质黏特点，以此来保证工程质量和工期。土、④灰色淤泥质黏土、⑤1-1灰色黏土。本线路1工程概况隧道掘进主要在③1、④、⑤1-1层土之中。第④层1.1工程范围及地理位置软黏性土含水量高，孔隙比大，灵敏度高，颗粒较本标段盾构推进行程从松江新城站出发至松江细，具较高的触、流变特征。下部⑤1a、⑤2层为体育中心路站，工程范围为松江新城站—松江体育微承压含水层，需注意土层中的承压水头，在一定中心站区间隧道及旁通道1座、泵站1座，共1个的水动力条件下易对隧道的施工产生涌水、涌砂等［1］盾构区间工程，区间长度上行线为893.459m，下不利影响。行线为893.902m。路线的地理位置见图1。松江新城站—松江体育中心站区间潜水水位埋深为0.82~1.81m，相应水位埋深标高2.11~3.31m，松江体育中心站松江新城站平均水位埋深1.51m，平均水位埋深标高2.47m。本场地浅部地下水属潜水类型，主要补给来源为大气降水，水位随季节而变化。潜水水位埋深约图1工程地理位置图在0.3~1.5m。按上海市对地下水位长期观察资料：1.2隧道工程年平均地下水位埋深一般在0.5~0.7m，地下水位隧道衬砌构造形式：衬砌采用1.2m预制钢筋按不利条件分别取地下水高水位埋深0.5m及低水混凝土管片，通缝拼装；管片设计强度C55、抗渗位埋深1.5m。等级≥S10；隧道内尺寸：φ5500mm（内径）；2穿越施工风险分析（盾构近距离穿越沪杭高架隧道外尺寸：φ6200mm（外径）；每环由6块管桥墩）片组成，环宽1200mm，厚度为350mm；管片环本工程沿线的建筑物结构形式不一，与隧道的相对位置有一定差异。盾构穿越施工对不同位置的收稿日期：2012-11-12作者简介：林恭新（1979—），男，工程师，工学学士，主建筑物会产生不同程度的影响。建筑物与隧道的相要从事地下工程施工管理。对位置分类见表1。48 林恭新：穿越不同建筑物的隧道工程盾构施工控制技术2013年第1期表1建筑物与隧道的相对位置分类表体的摩擦以及对周围土体产生的挤压，也将造成桩相对位置分类盾构推进产生的影响的弯曲。因此在靠近隧道的桥桩边，由地面向下布盾构推进断面完全在建筑物下方，穿越后可能造成置6个测斜管，监测桩周围土体的位移。同时加强正下方穿越建筑物基础的整体下沉和倾斜盾构部分推进断面在建、构筑物下方，穿越后可能造巡视，观察高架桥结构是否产生开裂。开挖面加注侧下方穿越成构、建筑物基础的不均匀沉降和倾斜以及墙体开裂泡沫剂，以减少施工对土体的扰动。盾构推进断面在构、建筑物侧下方，构、建筑物下侧面穿越方土体位于盾构的侧面。穿越后可能造成构、建筑物3）盾构穿越桩基后，由于同步注浆浆液凝固基础的不均匀沉降会产生收缩，而且穿越后桩体的后期沉降也需要一从以上分析可以看出，盾构从建筑物正下方及定时间才能趋向稳定；因此对该段区间隧道和桩基侧下方穿越时对建筑物的影响较大，从侧面穿越的实施长期监测，根据沉降的发展情况，在隧道内两影响相对小些。为保护建筑物的安全，尽量减小盾侧对桩及隧道间土体进行跟踪注浆，减少后期沉降构推进对周围环境的影响，将制订专项针对性措施对桩基的影响，保持高架桥桩基稳定。来指导施工，同时编制相应的专项应急预案，准备3.1.3监测相关的应急物资来预防不可预见的各种风险。在隧道盾构推进轴线两侧的高架立柱上各布设3穿越施工沉降监测点1个和倾斜监测点1个。对每个高架立3.1穿越沪杭高架桥墩柱进行2个方向的倾斜测量。使用测斜仪对立柱的3.1.1工程概况倾斜度进行监测，发现监测数据超过警戒值，马上本工程盾构区间隧道在里程左DK4+390.000采取注浆等措施解决。处，盾构从A8沪杭高速公路松江立交桩基间穿越，3.1.4结果桩基为φ1200钻孔灌注桩，桩长45m，桩底标高采用区域分控掘进法，把盾构机周围的三维空为-40.6~-44.3m。桩基平面离隧道最近净距约间分为几个区域，投影到平面和纵剖面上。通过预2.7m。盾构穿越时，土层为③1灰色淤泥质粉质测各区域的隆起或沉降，再结合地下建筑物与各区黏土、④1灰色淤泥质黏土。盾构穿越A8沪杭高［2-3］域的相对位置，综合选择施工参数，达到保护地速公路松江立交桩基平面图见图2。下建筑物的目的。分控掘进法平面及剖面图见图3。A8沪杭高速1公路松江立交区间隧道2、3区间隧道受盾构挤压面φ1200隆起的区域钻孔灌注桩盾构姿态变化产4、5、6生沉降的区域图2盾构穿越A8沪杭高速公路松江立交桩基平面图a）区域分控掘进法平面投影区域盾构姿态变化产3.1.2施工参数盾构开挖面前盾构机通过中盾构机通过后生沉降的区域盾构在桥墩桩基边近距离推进时，由于盾构侧23456方及上方的土体松动，产生对桥墩桩基的负摩阻1力，使桥墩桩基原有摩阻力减少，引起沉降。根据盾构管片设计标准要求，必须控制高架桩基沉降≤10mm、水平位移≤5mm的范围内。b）分控掘进法纵剖面投影1）盾构到达桩基前20m左右，正面土压力为注：图中1、2、3、4、5、6分别代表6种不同的变形机理，1.由于盾构掘进中正面水土压力的不平衡而导致地层下沉或隆起；2.由主要影响因素，土压力设定偏低导致前方超挖，桩于盾构外壳与土体之间摩擦而导致地层隆起；3.由于盾构姿态的变间土体应力释放导致桩的沉降及向内侧弯曲。此时化引起地层损失而导致地层下沉；4.由于盾构掘进后盾尾空隙引起地层损失而导致地层下沉；5.由于盾构掘进后的注浆而使地层隆起；应根据监测数据进行土压力微调，控制好正面土压6.由于以上5种作用，盾构掘进后使周围土体产生超孔隙水压力和力平衡。受到扰动而进行固结和蠕变导致地层下沉。2）在盾构通过桩基阶段，由于盾构壳体对土图3分控掘进法平面及剖面图49 林恭新：穿越不同建筑物的隧道工程盾构施工控制技术2013年第1期施工时减小对地层的扰动，做到施工过程微扰3.2穿越华中公寓小区动，施工终了无扰动（恢复原态）。对盾构推进过3.2.1工程概况程中，盾构壳体、盾构机切削面和壁后注浆等共同盾构穿越华中公寓位置平面图见图4。本工程组成了影响沉降的多元系统进行全方位的控制。通盾构将侧面穿越华中公寓小区1~7号楼、自行车库，过上述施工工艺，顺利通过高架桥墩。其基础形式为整板基础，采用φ500mm粉喷桩加盾构推进下行线13m华中公寓1号楼2号楼3号楼4号楼地下车库5号楼6号楼7号楼图4盾构穿越华中公寓位置平面图固，有效桩长16m，侧向穿越最近距离仅13m。穿越范围内盾构埋深9m，土层为③1灰色淤参考点泥质粉质黏土、④1灰色淤泥质黏土。穿越时必须报警器严格控制地面及周边环境的影响。3.2.2前期环境情况调查在盾构穿越之前，组织土建工程师和有经验的测量员对华中公寓进行详细调查，清楚地了解沿线图5自动监测系统组成示意图每座建筑物的位置、现状和结构情况，按照建筑物根据现场的实际情况，2个测站拟在周边远离与隧道轴线的相对位置关系进行分类调查。隧道施工影响区域的楼顶，如果高度不够，可能需对沿线盾构施工影响范围内的建筑物之状况进在选定的楼顶另行设置墩台。主测站工作仪器拟选行记录和摄影，并对主要结构的裂缝等缺陷和破损用CYCLOPS系统，由全站仪、储存器、传输器组成。要进行详细记录和拍摄，重要照片要加示意图及说该仪器按设定的固定频率持续不间断循环逐一扫描明以显示建筑物的位置。摄影资料中应包括各种缺棱镜，并把数据传入存储器。陷如裂缝、湿迹、抹面脱落和其他损坏。已有裂缝棱镜的安装则基本考虑每幢建筑安装10只，需量测出裂缝长、宽度并作好记录。另10只作为参考棱镜，校核测试精度。正常运行3.2.3制订专项监测方案后在监控室内的电脑启动GEOSCOPE软件，即可对沉降敏感的重要建筑，应在其安全性评估的进入实时监控平台，通过平台可以读取与电脑总线基础上按一级以上监控等级（含一级)对房屋进行相连的存储器内的数据，进行实时处理。如果设置监控。穿越前必须设置试验段，优化盾构施工参数。了相应的警戒指标，在有人和无人监控时，系统均3.2.4采用先进的监测手段会根据警戒指标自行发布警告；如果设置了短信呼1）针对沿线重要建筑物的保护监测，拟采用法出系统，则可以通过短信及时通知相关人员。这个国地基公司的自动化监测系统，系统主要包括2个系统精度较高，可以达到在200m半径内±5mm总测站，80只棱镜，实时监控平台，专业形象分误差，测站每分钟可至少监测4个以上测点，应可析计算软件，预警和报告系统。自动监测系统组成以满足本工程需要。示意图见图5。2）在上、下行线距离居民楼5m的地表各布50 林恭新：穿越不同建筑物的隧道工程盾构施工控制技术2013年第1期1条沉降断面，断面监测点为深层监测点。3.3.4严格控制同步注浆量和浆液质量3）在穿越居民楼的外墙表面各布设倾斜监测严格控制同步注浆量和浆液质量，务必做到：点1只；采用ELT-10A倾斜仪，直接安装在居民保证每环注浆总量要达到要求；保证盾构推进每一楼外墙面上。箱土的过程中，浆液均匀合理地压注；浆液的配4）在地面增设地表沉降监测点。比须符合质量标准。通过同步注浆及时充填建筑空3.2.5增加监测频率隙，减少施工过程中的土体变形。在盾构推进该处时，根据现场监测数据变化的具体压浆量和压浆点视压浆时的压力值和地层情况来决定监测频率，一般情况下在隧道推进该处变形监测数据选定。同时在曲线段外弧侧可适量多前后30m的期间，人工监测每6h监测1次，自压注，确保地面沉降的稳定。动扫描系统每30min运行1次。压浆属于重要工序，专门成立注浆班对压入位3.2.6动态信息传递置、压入量、压力值作详细记录，并根据地层变形每一次测量成果都及时汇总给施工技术部门，监测信息及时调整，在确保压浆工序施工质量和效以便施工技术人员及时了解施工现状和相应区域地果的前提下，方可进行下一环的推进施工。面变形情况，确定新的施工参数和注浆量等信息和3.3.5做好二次补浆指令，并传递给盾构操作室，以及时作出相应调整，当盾构穿越过后，隧道上方地面及建筑物会有最后通过监测确定效果。不同程度的后期沉降。因此必须准备足量的二次补3.3盾构施工的保护措施浆材料以及设备，根据后期沉降观测结果，按微扰3.3.1严格控制盾构正面平衡压力动注浆方式及时进行二次补浆，以便能有效控制后盾构在穿越建、构筑物的过程中必须严格控制期沉降，确保地面建筑物的安全。切口平衡土压力，可以使盾构前方地面有微小的隆3.4突发事件控制及对策起，防止欠挖。同时也必须严格控制与切口平衡压由于地面环境较为复杂，一旦发生异常情况，力有关的施工参数，如出土量、推进速度、总推力、将产生很大的影响。对于有可能发生的一些突发性实际土压力围绕设定土压力波动的差值等。防止过事件，如构、建筑物结构产生超沉等，可采取以下量超挖、欠挖，尽量减少平衡压力的波动。几点对策措施。3.3.2严格控制盾构的推进速度穿越施工前，对施工人员进行交底、动员，做穿越建、构筑物施工时，推进速度不宜过快，到精心施工，同时加强值班管理、井下交接班制度。尽量做到均衡施工，减少对周围土体的扰动，避免盾构穿越期间，安排监测人员对楼房进行24h现在途中有较长时间耽搁。推得过快则刀盘开口断面场跟踪监测。技术人员根据沉降变化数据及时调整对地层的挤压作用相对明显，地层应力来不及释施工参数，将指令通过内线电话通知盾构驾驶室，放，正常推进时速度应控制在10~20mm/min。盾构推进后的效果又反映到监测数据的变化。盾构3.3.3严格控制盾构纠偏量穿越建筑物时，若地面变形值达到警戒值，除了采在确保盾构正面沉降控制良好的情况下，使盾取壁后注浆的手段外，还可通过采取在地面预埋注构均衡匀速施工，盾构姿态变化不可过大、过频。浆管注浆的手段来保护建筑物。每隔5环检查管片的超前量，隧道轴线和折角变化4盾构安全推进的技术要点［4］不能超过0.4%。推进时不急纠、不猛纠，多注本工程盾构将会在全断面或半断面的⑤1a、意观察管片与盾壳的间隙，相对区域油压的变化量⑤2灰色砂质粉土中进行出洞与推进施工。在砂质随出土箱数和千斤顶行程逐渐变化。采用稳坡法、粉土层中推进，由于砂质粉土的渗透系数较大，渗缓坡法推进，以减少盾构施工对地面的影响。根据透系数为10~4cm/s数量级，属强透水层。盾构推盾构进入曲线段的设计里程，盾构可提前5~10环进启动时，正面土体的孔隙水压力消散很快，正面进入曲线段施工，提前进行纠偏，以减少每环的纠土体的抗剪强度及盾构侧面的摩阻力急剧上升，使偏量，从而减小建筑孔隙。提前纠偏过程中必须保盾构刀盘扭矩和总推力达到极限值，易使盾构设备持良好的盾构姿态，盾构轴线偏差≤50mm。受损、机头扭转。另外，粉土在水动力作用下，极51 林恭新：穿越不同建筑物的隧道工程盾构施工控制技术2013年第1期易产生流砂、坍塌等现象，导致掘进面不稳定，对常用的土体改良剂为水、膨润土、黏土和化学隧道盾构的施工产生较大的不利影响，尤其突发性泡沫等，使用泡沫对开挖土进行改良的盾构施工法的涌水和流砂会引起地面沉降，严重时会随着地层（简称泡沫盾构工法)适于砂砾层到黏性土层等土空洞的扩大引起地面的突然塌陷。质施工，该法已经在欧洲、日本和国内的地铁隧道4.1盾构推进的风险控制措施施工中广泛采用。1）对盾尾密封进行专项检查，必须确保其密4.3.1泡沫盾构施工法及特点封性能指标达到抵抗盾构底部最高水土压力及注浆泡沫盾构施工法即用由特殊发泡材料和压缩空压力的要求。气制成30~400um的细小齿状气泡，代替一直在2）盾构机应具备加泥浆/泡沫功能，螺旋出土加泥式土压平衡盾构法中作为主要添加材料的黏土器应设有防喷装置。膨润土泥浆或泡沫剂、聚氨酯、和膨润土等。该施工法有如下特点。海绵板、双快水泥等物质及设备应预备充足，并必1）黏性土地基中，泡沫起着界面活性剂的作用，须能够在规定时限内到达抢险位置。可有效防止开挖土附着于刀盘上和土压室内壁，防3）加大盾构断面内砂性土对应部位千斤顶压止泥饼现象，使掘进工作顺利地进行。力，以平衡承压水压力，并往泥舱中注入润滑泥浆2）砂性土中，泡沫的支承作用使开挖土的流（膨润土、碱水、泥浆等)，采用搅拌棒使黏土块与动性提高，土压室内泥土不会产生拥堵，刀盘及螺砂土混合，防止流沙。必要时适当伸出仿形刀超挖旋输送机的驱动扭矩减小，刀具磨损减小，从而有硬黏土部分，并相应减少出土量以减少土体损失。利于盾构机掘进。避免盾构刀盘及顶进系统超负荷运转和姿态失控，3）微细泡沫置换了土颗粒中的空隙水，提高而导致盾构偏转、刀盘卡死及盾构突沉等风险。了土的止水性，能较容易地开挖地下水位较高的砂4）确保同步注浆施工质量，砂性地层中盾尾砾土地基，且可有效地防止螺旋输送机泥水喷涌。孔隙最小填充率为180%。4）泡沫可压缩性使开挖面的土压力波动减小，5）为预防盾构及后方隧道突沉，应分别对盾在不影响开挖面稳定的同时保证顺利掘进。构姿态及盾构后方15环管片隧道变形进行密切观4.3.2泡沫的制作察和跟踪监测，及时反馈调整盾构姿态、推进速度泡沫盾构工法所使用的泡沫是用专用原料和水以及进行必要的补充注浆。制成的混合液与空气通过泡沫发生器制成的，这种6）一旦发现盾尾有泥砂漏涌迹象，应立即停专用原料主要是特殊发泡剂和泡沫添加剂。止推进并进行封堵。一般可采用在管片外弧面敷设特殊发泡剂是由各种表面活性剂经过特别调配满足硬度要求的海绵板进行封堵，必要时可进行壁制成，它的水溶液被称为A型特殊发泡材料，主后补浆，万分紧急时采用聚氨酯进行封堵。要用于黏性土及含水量较少的砂质土。4.2盾构出洞的风险控制措施泡沫添加剂是用矿浆为主要原料的高分子水溶确认洞门外加固土体达到设计强度要求，对洞液。如果将特殊发泡剂的比例降低，代之以泡沫添门外土体稳定性进行监测，并密切注意洞门渗水情加剂，那么所形成的水溶液称之为B型特殊发泡况，必要时采取再次加固措施。在端头井周围设置材料。一般来说，由B型特殊发泡材料制成的泡4口降水井备用，如渗水严重，造成洞门外土体不沫比用A型特殊发泡材料制成的泡沫更稳定，尤稳定，应在洞门外加设钢板桩围护，待刀盘完全靠其是止水性能更佳。因此，B型特殊发泡材料主要上土体后再予以拔除，确保盾构出洞安全。用于含水砂砾地质及地下水位较高的砂质土。4.3适时采用泡沫盾构工法4.3.3泡沫材料的用量土压平衡盾构施工过程中，土压室内的土体起泡沫的注入量因土砂情况及泡沫特性的不同而着平衡开挖面的水、土压力，支撑开挖面的作用，异。泡沫的混合率P是泡沫注入的比率（注入的因此这种土体须具有良好的塑性变形、软稠度、内泡沫体积/被开挖土的体积)，P值常根据实验结摩擦角小及渗透率小等。本工程所遇到的砂质粉土果及实际情况综合考虑，一般最低20%，在需要不能完全满足这些特性，所以要进行土体改良。防止附着的情况下，P需达到30%。泡沫发生器工52 林恭新：穿越不同建筑物的隧道工程盾构施工控制技术2013年第1期作原理示意图见图6。4.4.4注浆工序控制要求空气注浆加固工序应标明注浆孔位、注浆顺序、注空气浆时机，满足多点、少量、均匀的原则，确保浆液泡沫分布均匀。在注浆施工的同时对隧道的轴线、管片水管路喷泡枪的变形进行严密及时监测，一旦发现位移或变形接发泡剂添加液近或达到报警值，立即停止注浆，以防止注浆对隧图6泡沫发生器工作原理示意图道产生不利影响。4.4注浆孔或环纵缝渗漏时，采用聚氨酯壁后注浆4.5参数控制4.4.1注浆要求4.5.1注浆压力本工程在砂性土中如出现壁后注浆孔或环纵根据以往施工经验，注浆附加压力≤0.15MPa缝的渗漏情况，需采用聚氨酯注浆，并严格执行（即在不算起始压力后的平衡压力基础上注浆压STB/DQ—010005《聚氨酷壁后注浆建设指导意见力≤0.15MPa）。（试行）》。4.5.2注浆流量1）注浆施工前，须对隧道内管片的渗漏情况注浆流量宜控制浆液流量在7～10L/min，总进行详细的调研和记录，以便注浆结束后，进行注流量控制在10L/min以内。浆效果分析。4.5.3各孔注浆量2）聚氨酯注浆加固应根据设计要求，采用恰当各孔注浆量一般最大注入量为20L，每环5孔，的注浆工艺和注浆材料，注浆过程中应遵照多点、注入总量≤100L，实际工程中流量偏差应控制在少量、均匀的原则，并根据隧道沉降监测数据反馈5%以内。适时调整注浆量和注浆时间间隔，确保沉降稳定。若对于开孔情况良好的（无渗漏)，该孔注入3）注浆过程中及时填写各项注浆记录表与质10L聚氨酯材料。对于渗流量大的注浆孔或环纵缝，量抽检报告，并作为注浆质量验收的依据。应适当增加聚氨酯材料的用量。每次实际注入量根4）由于聚氨酯材料暴露后会散发浓烈的刺激据地铁隧道沉降监测反馈进行适当调整，保证隧道性气味，所以注浆时隧道内应该保持空气流通。同每次轴线位移≤2mm，收敛变形≤1mm。当隧道时，聚氨酯材料属于易燃材料，在其堆放场地须设变形量超过报警值时，应暂停当前孔的注浆，待沉立防火警示标志，配置灭火器。不允许有明火或在降回落后继续补注该孔剩余浆量，直至完成该孔全其附近抽烟。及时做好隧道内聚氨脂废料的外运工部预定注浆量。作，保持隧道内整洁。5结语4.4.2注浆材料地铁盾构穿越建（构）筑物的类型众多，问题一般选用油溶性聚氨酯浆液（主剂），通过副纷繁复杂，本文不能概全，仅能根据文中部分成功剂来调节聚氨酯浆液的初始发泡时间。副剂的加入案例阐释一般规律。但凡如此，必须依据科学，具量可根据不同土层、气温等调节。体问题具体分析，不可以简单工程经验类比应对，4.4.3注浆工艺谨以此文供类似工程参考借鉴。注浆设备选用电动泵，注浆管端部喷口分布4个，空间按90°布置，其开口孔径为3～5mm。利用隧道管片原有壁后注浆孔，打开孔端堵头螺丝，安参考文献：［1］王洪新,傅德明.土压平衡盾构掘进的数学物理模型及各参数间装外接头、球阀和防喷装置，从防喷装置中振入注关系研究［J］.土木工程学报,2006,39(9):86-90.浆芯管，振入深度为超出管片外壁5～10cm（须［2］徐前卫.盾构施工参数的地层适应性模型试验及其理论研究［D］.打穿壁后注浆层）。连接注浆泵，注入配置好的聚上海:同济大学,2006.［3］刘典基.水平冻结加固土体中盾构始发技术［J］．隧道建设，氨酯浆液，浆液在隧道管片外壁发泡形成防水保护2008(5):580-585．膜。注浆结束待聚氨酯发泡稳定后，拆除外接头和［4］夏江涛，蔡荣，杨平，等．水平冻结法施工杯型冻土壁温度场防喷装置，清理注浆孔，用微膨胀水泥进行封孔。影响参数分析［J］．铁道建筑，2010(12):38-41．53