机场线盾构隧道下穿桥梁接近施工沉降控制[摘要]结合北京轨道交通机场线盾构法穿越三元桥的实际工况,提出了针对北京地区典型地质条件下的沉降控制措施,包括穿越前盾构机的准备、关键施工参数控制、土体改良、同步注浆、补充注浆、施工监测和信息化管理。施工过程中的监测结果表明,这些措施是行之有效的。[关键词]盾构隧道;接近施工;施工措施;沉降控制1 工程概况 本段工程起于三元桥车站西南侧站端,向西南方向穿越三元桥后进入东外斜街,下穿亮马河桥,到达察慈小区住宅楼西南侧的盾构接收井。下穿三元桥的隧道左右双线最近处相距24m,左、右线分别距离桥梁的墩台4、8m,隧道拱顶距离桥基最近点垂直距离为9.8m。若穿越施工控制不当,将动摇桥梁墩台基础,直接威胁桥梁安全。三元桥基础为条形扩大基础,由V形柱传递荷载至条形基础上。隧道与桥墩台的位置关系如图1所示。隧道所穿越的土层,自地表向下依次为人工填土层、第四纪全新世冲洪积层。区间隧道主要穿越粘土、粉土。本段地层中有层间滞水、潜水和承压水,但承压水受人工降水影响已经不再具有承压性。
2 地表沉降控制技术措施2·1 盾构机的准备 在穿越桥区前,即在距桥体50m时停机检修,对盾构机械设备检查和保养,保证施工的连续性,避免因设备消耗而导致施工停顿,造成不必要的土体扰动。通过三元桥施工范围的确定,按照盾构机进站掘进对土体的影响范围(影响范围为桥基前后±50m[1])进行控制。2·2 主要施工参数控制 1)土压力 原则上根据理论计算值确定。施工中可根据桥基的沉降情况及时作出调整。在盾构机推进时,刀盘压向掌子面,切刀压入土体,此时土体受到压缩,其支撑力应大于水、土压力及各项阻力,其中土压力要考虑最不利工况及安全因素,取大于静止土压力,远小于被动土压力,即处于弹性平衡状态。支撑土压力的推力值建议取静止土压力的1.4~1.6倍,即p=(1.4~1.6)p0为宜[2]。 2)掘进速度 降低盾构机推力,采用中低速(15~20mm/min)掘进。可以使土体将盾构掘进所产生的应力充分释放,避免产生应力过大或过于集中[3]。 3)盾构机姿态控制 在盾构机穿越桥基前应调整好姿态,减少超挖。在进入桥区后尽量减少过大纠偏,以“小纠偏,勤纠偏”为原则,以减小土体扰动对桥梁基础产生的影响。 4)掘进出土量 严格控制出土量,盾构每环掘进长度为1.2m,刀盘外径6.19m,理论计算的每环出土量为36.1m3,一般控制在理论出土量的98%[3]左右。2·3 土体改良 本工程采用在土体中添加膨润土和泡沫的方法进行土体改良。司机操作盾构机掘进时,随时观察刀盘螺旋输送机的扭矩及螺旋输送机排出土的状态(即塑流性),对泥浆、泡沫的加入量进行调节控制,始终让刀盘及螺旋输送机油压保持正常的数值;盾构施工中加泥浆和泡沫的数量与土质有着极大的关系,一般说来在粘土、粉质粘土中掘进加泥浆的数量不需要太多且加泥浆的浓度也不要太大,因为粘质土自身有比较强的造泥能力,故对加泥浆的数量和浓度要求不高,土的粘性不是太强时,基本上不需要加泡沫即可以使土体的流塑性得到较大的改善,保证掘进的正常进行;在砂层或卵石层中掘进时,由于土质的原因,地层的空隙率较大,地层的漏失较为严重,且土自身不具有造泥性,故对加泥浆和加泡沫的数量及质量要求较高,通常在掘进时应适当地加大泥浆的浓度,并根据出土的情况适量的加大泥浆的数量,另外在泥浆中适当的加入泡沫,可以较好的改善土体的流塑性,使得盾构前方土压保持稳定,较好的控制地面的隆陷。2·4 同步注浆 壁后注浆目的在于填充地层损失,主要填充掘削外径与管片外壁之间的空隙。壁后注浆采用单液浆同步注浆系统,此区域盾构施工采用四点注浆,来控制成型隧道的质量。注浆压力控制在0.35~0.4MPa,注浆时一定要确保注浆压力,且浆液饱满,直到地层注满为止。为缩短浆液凝结时间,将惰性浆液改为水泥砂浆,将原配合比中的粉煤灰更换为水泥。根据掌握的反馈信息及时调整浆液的配合比,使浆液的配合比更合理,容重接近于原状土。为保证浆液的质量,要对制备浆液的原材料进行严格控制,要定期测定浆液的坍落度、粘性、离析率、凝结时间、抗压强度等。2·5 补充注浆加固 根据现场沉降监测情况,及时调整注浆压力及注浆量。在盾构常规段以盾尾同步注浆即可满足沉降控制的要求,为保证沉降控制效果,在穿越三元桥段时,对已完成结构加强补浆,控制地面的后期沉降。 二次补注浆安排在当前拼装管片后第8环管片处开始,对每环管片的16号位预留注浆孔安装注浆塞进行注浆,注浆压力控制在0.3~0.4MPa,注浆浆液为水泥-水玻璃双液浆。 盾构施工进入桥区后,左线管片拼装尽量采用“16位—14位—16位—14位”,而右线采用“16位—2位—16位—2位”的拼装方式,如图2所示。这样二次补浆的时候即正对桥基的方向进行注浆,可以有效地控制沉降。若二次补浆不能满足要求,采取三次注浆处理,注浆位置为靠近桥桩的管片2位或14位。通过管片预留注浆孔用洛阳铲将管片壁后的土体掏挖10m长的孔洞,打入10m长的花管后用水泥浆封堵预留孔周围间隙,再进行补注浆,压力控制在0.5~06MPa。2·6 施工监测 在施工前,对三元桥进行系统调查,制定了专门的施工监测方案,建立完善的监测网络,确保监测结果的准确及高效。沿三元桥桥基纵向部分测点布置如图3所示。2·7 信息化管理 在施工过程中,注重信息化管理,监控测量及时反馈,指导施工参数的修正,从而优化各项施工控制参数,达到控制沉降的目的。对各个沉降观测点进行观测,获得了施工过程中地表的沉降量,得到了桥梁墩台基础沉降量随时间变化的实况,其沉降曲线如图4所示。 在掘进过程中,发现沉降量偏大时,及时分析原因,对施工参数进行调整,如增大土仓压力,立即进行二次补浆等措施,从而对沉降进行了合理的控制。根据设计要求,三元桥的不均匀沉降为5mm。根据监测结果可以看出,沉降控制是有效的。 从图4可以看出,在盾构机掘进至335环即距离桥基大约50m时,桥基发生隆起,在盾构机掘进至462环以后即穿越桥基50m时,沉降变化已经不大。可以确定,盾构对三元桥的影响范围约为桥基前后±50m。3 结语 1)土压力的控制是掘进的首要参数,在推进过程中为使掌子面能够保持极限平衡状态,土压力应控制在静止土压力的1.4~1.6倍,即p=(1.4~1.6)p0。 2)同步注浆是控制沉降的主要技术措施,其质量的好坏直接关系到后期的沉降量变化。同步注浆压力控制在3.5~4MPa,注浆时一定要确保注浆压力,且浆液饱满,直到地层注满为止。另外,为保证其初凝时间将粉煤灰水泥改为普通水泥。 3)盾构机推进至三元桥正下方时,左线管片拼装采用“16位—14位—16位—14位”,而右线采用“16位—2位—16位—2位”的拼装方式,利用C形管片的吊装孔可以进行有效的补充注浆,对于巩固地表沉降具有重要保证作用。 4)根据沉降监测结果显示,本段工程盾构法对桥体的影响范围为桥基前后±50m。 5)重视信息化管理的重要作用,根据监测结果,优化施工参数,包括土压力和同步注浆及补充注浆压力的控制、外加剂的种类及加入量、盾构机姿态的保持和管片的拼装形式等,对于优化施工技术具有重要意义。参考文献:[1]竺维彬.复合地层中的盾构施工技术[M].北京:中国科学技术出版社,2006.[2]张凤祥,朱合华,傅德明.盾构隧道[M].北京:人民交通出版社,2004.[3]张凤祥,傅德明,杨国祥,等.盾构隧道施工手册[M].北京:人民交通出版社,2005.[4]孙英伟.土压平衡盾构施工泡沫剂效用分析[J].材料与装备,2007,(4):60-62.[5]魏康林.土压平衡盾构施工中泡沫和膨润土改良土体的微观机理分析[J].现代隧道技术,2007,(1):74.
2 地表沉降控制技术措施2·1 盾构机的准备 在穿越桥区前,即在距桥体50m时停机检修,对盾构机械设备检查和保养,保证施工的连续性,避免因设备消耗而导致施工停顿,造成不必要的土体扰动。通过三元桥施工范围的确定,按照盾构机进站掘进对土体的影响范围(影响范围为桥基前后±50m[1])进行控制。2·2 主要施工参数控制 1)土压力 原则上根据理论计算值确定。施工中可根据桥基的沉降情况及时作出调整。在盾构机推进时,刀盘压向掌子面,切刀压入土体,此时土体受到压缩,其支撑力应大于水、土压力及各项阻力,其中土压力要考虑最不利工况及安全因素,取大于静止土压力,远小于被动土压力,即处于弹性平衡状态。支撑土压力的推力值建议取静止土压力的1.4~1.6倍,即p=(1.4~1.6)p0为宜[2]。 2)掘进速度 降低盾构机推力,采用中低速(15~20mm/min)掘进。可以使土体将盾构掘进所产生的应力充分释放,避免产生应力过大或过于集中[3]。 3)盾构机姿态控制 在盾构机穿越桥基前应调整好姿态,减少超挖。在进入桥区后尽量减少过大纠偏,以“小纠偏,勤纠偏”为原则,以减小土体扰动对桥梁基础产生的影响。 4)掘进出土量 严格控制出土量,盾构每环掘进长度为1.2m,刀盘外径6.19m,理论计算的每环出土量为36.1m3,一般控制在理论出土量的98%[3]左右。2·3 土体改良 本工程采用在土体中添加膨润土和泡沫的方法进行土体改良。司机操作盾构机掘进时,随时观察刀盘螺旋输送机的扭矩及螺旋输送机排出土的状态(即塑流性),对泥浆、泡沫的加入量进行调节控制,始终让刀盘及螺旋输送机油压保持正常的数值;盾构施工中加泥浆和泡沫的数量与土质有着极大的关系,一般说来在粘土、粉质粘土中掘进加泥浆的数量不需要太多且加泥浆的浓度也不要太大,因为粘质土自身有比较强的造泥能力,故对加泥浆的数量和浓度要求不高,土的粘性不是太强时,基本上不需要加泡沫即可以使土体的流塑性得到较大的改善,保证掘进的正常进行;在砂层或卵石层中掘进时,由于土质的原因,地层的空隙率较大,地层的漏失较为严重,且土自身不具有造泥性,故对加泥浆和加泡沫的数量及质量要求较高,通常在掘进时应适当地加大泥浆的浓度,并根据出土的情况适量的加大泥浆的数量,另外在泥浆中适当的加入泡沫,可以较好的改善土体的流塑性,使得盾构前方土压保持稳定,较好的控制地面的隆陷。2·4 同步注浆 壁后注浆目的在于填充地层损失,主要填充掘削外径与管片外壁之间的空隙。壁后注浆采用单液浆同步注浆系统,此区域盾构施工采用四点注浆,来控制成型隧道的质量。注浆压力控制在0.35~0.4MPa,注浆时一定要确保注浆压力,且浆液饱满,直到地层注满为止。为缩短浆液凝结时间,将惰性浆液改为水泥砂浆,将原配合比中的粉煤灰更换为水泥。根据掌握的反馈信息及时调整浆液的配合比,使浆液的配合比更合理,容重接近于原状土。为保证浆液的质量,要对制备浆液的原材料进行严格控制,要定期测定浆液的坍落度、粘性、离析率、凝结时间、抗压强度等。2·5 补充注浆加固 根据现场沉降监测情况,及时调整注浆压力及注浆量。在盾构常规段以盾尾同步注浆即可满足沉降控制的要求,为保证沉降控制效果,在穿越三元桥段时,对已完成结构加强补浆,控制地面的后期沉降。 二次补注浆安排在当前拼装管片后第8环管片处开始,对每环管片的16号位预留注浆孔安装注浆塞进行注浆,注浆压力控制在0.3~0.4MPa,注浆浆液为水泥-水玻璃双液浆。 盾构施工进入桥区后,左线管片拼装尽量采用“16位—14位—16位—14位”,而右线采用“16位—2位—16位—2位”的拼装方式,如图2所示。这样二次补浆的时候即正对桥基的方向进行注浆,可以有效地控制沉降。若二次补浆不能满足要求,采取三次注浆处理,注浆位置为靠近桥桩的管片2位或14位。通过管片预留注浆孔用洛阳铲将管片壁后的土体掏挖10m长的孔洞,打入10m长的花管后用水泥浆封堵预留孔周围间隙,再进行补注浆,压力控制在0.5~06MPa。2·6 施工监测 在施工前,对三元桥进行系统调查,制定了专门的施工监测方案,建立完善的监测网络,确保监测结果的准确及高效。沿三元桥桥基纵向部分测点布置如图3所示。2·7 信息化管理 在施工过程中,注重信息化管理,监控测量及时反馈,指导施工参数的修正,从而优化各项施工控制参数,达到控制沉降的目的。对各个沉降观测点进行观测,获得了施工过程中地表的沉降量,得到了桥梁墩台基础沉降量随时间变化的实况,其沉降曲线如图4所示。 在掘进过程中,发现沉降量偏大时,及时分析原因,对施工参数进行调整,如增大土仓压力,立即进行二次补浆等措施,从而对沉降进行了合理的控制。根据设计要求,三元桥的不均匀沉降为5mm。根据监测结果可以看出,沉降控制是有效的。 从图4可以看出,在盾构机掘进至335环即距离桥基大约50m时,桥基发生隆起,在盾构机掘进至462环以后即穿越桥基50m时,沉降变化已经不大。可以确定,盾构对三元桥的影响范围约为桥基前后±50m。3 结语 1)土压力的控制是掘进的首要参数,在推进过程中为使掌子面能够保持极限平衡状态,土压力应控制在静止土压力的1.4~1.6倍,即p=(1.4~1.6)p0。 2)同步注浆是控制沉降的主要技术措施,其质量的好坏直接关系到后期的沉降量变化。同步注浆压力控制在3.5~4MPa,注浆时一定要确保注浆压力,且浆液饱满,直到地层注满为止。另外,为保证其初凝时间将粉煤灰水泥改为普通水泥。 3)盾构机推进至三元桥正下方时,左线管片拼装采用“16位—14位—16位—14位”,而右线采用“16位—2位—16位—2位”的拼装方式,利用C形管片的吊装孔可以进行有效的补充注浆,对于巩固地表沉降具有重要保证作用。 4)根据沉降监测结果显示,本段工程盾构法对桥体的影响范围为桥基前后±50m。 5)重视信息化管理的重要作用,根据监测结果,优化施工参数,包括土压力和同步注浆及补充注浆压力的控制、外加剂的种类及加入量、盾构机姿态的保持和管片的拼装形式等,对于优化施工技术具有重要意义。参考文献:[1]竺维彬.复合地层中的盾构施工技术[M].北京:中国科学技术出版社,2006.[2]张凤祥,朱合华,傅德明.盾构隧道[M].北京:人民交通出版社,2004.[3]张凤祥,傅德明,杨国祥,等.盾构隧道施工手册[M].北京:人民交通出版社,2005.[4]孙英伟.土压平衡盾构施工泡沫剂效用分析[J].材料与装备,2007,(4):60-62.[5]魏康林.土压平衡盾构施工中泡沫和膨润土改良土体的微观机理分析[J].现代隧道技术,2007,(1):74.
