盾构穿越淤泥质软土地层、河道及桥区施工技术研究报告.doc

研究报告之二研究报告之二 盾构穿越淤泥质软土地层、河道及桥区盾构穿越淤泥质软土地层、河道及桥区 施工技术研究施工技术研究 目目 录录 盾构穿越淤泥质地层、河道及桥区施工技术研究 研究报告之二 1 3.2 盾构穿越淤泥质软土地层、河道及桥区施工技术研究1 3.2.1 工程概况.1 3.2.3.1 在淤泥质软土地层中盾构施工技术研究.3 3.2.3.2 对河道处理技术的研究.10 3.2.3.3 盾构过桥区处理技术研究.15 3.2.3.4 区间沉降监测技术研究.19 3.2.4 效果分析及研究结论30 盾构穿越淤泥质地层、河道及桥区施工技术研究 研究报告之二 2 3.3.2 2 盾构穿越淤泥质软土地层、河道及桥区施工技术研究盾构穿越淤泥质软土地层、河道及桥区施工技术研究 3.2.13.2.1 工程概况工程概况 根据区间地质勘察报告和现场调查，在区间盾构施工过程中，除了在 隧道施工地层中赋存有大量沼气外，还存在以下三个不利情况： 1、整个盾构区间隧道施工期间，全部在淤泥质软土地层1 中，该淤 泥质土具高含水量、大孔隙比、低强度、高灵敏度、弱透水等特性。在有 外力扰动的作用下，极易造成土体结构破坏，使土体强度降低。 2、根据现场调查，盾构机在 xx 站西端盾构始发井盾推进 12m 后就进 入后河河道，河水深度 1.1m，河底淤泥 0.5-0.8m，根据提供的勘察报告分 析，盾构隧道顶部距离河底仅有 4m。后河情况见下图。穿越后河及桥梁情 况见下图： 沿线有雨、污水管线，天然气管线，上水管线等，管线较多。 盾构穿越的善庆桥及后河 盾构始发 12m 后穿越的后河照片 xx 路站盾构始发位置 盾构穿越淤泥质地层、河道及桥区施工技术研究 研究报告之二 3 3、区间隧道在里程 K2+380 遇到善庆桥、在里程 K2+830860 范围内 遇到后河桥。由于 2 座桥的下部桩基础在平面上进入区间隧道范围内，在 剖面上，桩底标高超过隧道底约 5 米左右。根据设计要求，要拆除现有桥 梁，将位于隧道范围内的基础柱拔出后，再进行盾构施工。同时在原位进 行新建桥梁施工。善庆桥和后河桥桥桩位置具体情况见下图： 图 1 善庆桥桥桩与隧道平面位置图 盾构穿越的后河桥及高压上水管 盾构穿越淤泥质地层、河道及桥区施工技术研究 研究报告之二 4 图 2 后河桥桥桩与隧道平面位置图 3.2.3 关键技术的研究关键技术的研究 3.2.3.1 在淤泥质软土地层中盾构施工技术研究在淤泥质软土地层中盾构施工技术研究 一、盾构掘进参数的研究 1、土仓压力控制 根据土压平衡盾构机工作原理和上海地区类似工程施工经验，为维持 开挖面稳定，控制地层沉降，在盾构推进过程中，必须以土仓压力为控制 目标，通过采用适当的推进速度和排土量将土仓压力控制在一定范围内， 具体控制流程如图 3 土压控制流程 。 根据有关盾构施工参考资料，土仓压力控制范围应该在主动土压力和 被动土压力之间，超过这个范围就会可能出现地面沉降和隆起的现象。在 设定土仓压力时，主要考虑地层压力（主动土压力、被动土压力） 、地下水 压及预先考虑的预备压力。 需拔除桩基 新施工桩基 盾构穿越淤泥质地层、河道及桥区施工技术研究 研究报告之二 5 图 3 土压控制流程 1）主动土压力计算 当盾构推力偏小时土体处于向下滑的状态时，土压力将由静止土压力 逐渐变小，当土体达到主动极限平衡状态并出现滑动面时，土压力减至最 小即变成主动土压力。此时土体内竖向应力最大为 H，水平应力达到最小 为主动土压力。计算公式如下： Pa=Htan2(45-/2)-2ctan(45-/2) 其中： 为土容重；H 土层厚度； 为内摩擦角；c 为土的粘聚力 主动土压力计算结果见图 2-主动土压力计算简图 。 图 2-主动土压力计算简图 土压力 P0设定 盾构推进 实测土压值 Pi 提高螺旋机的转速或 降低推进速度 PiP 0 PiP0 Pi=P0 保持正常推进速度 降低螺旋机的转速或 提高推进速度 盾构穿越淤泥质地层、河道及桥区施工技术研究 研究报告之二 6 2）被动土压力计算 当土压力逐渐增大时，土体处于向上滑动状态时，土压力将有静止土 压力逐渐增大当土体达到主动极限平衡状态并出现滑动面时，土压力增至 最大即变成被动土压力，此时土体内的竖向应力为最小 H，水平应力达到 最大为被动土压力，Pa=Htan2(45+/2)+2ctan(45+/2)，计算 结果见图 3-被动土压力计算简图 。 图 3 被动土压力计算简图 3）地下水压力计算 地下水压力大小与地层渗透系数、水力梯度、管片背后砂浆的凝结时 间、渗透系数及渗透时间有关，计算水压力时，由于地下水流经土体受到 土体阻力，引起水头损失。作用在到盘上的水压力一般小于该位置处的理 论水头压力。刀盘前水压力计算公式： w1=qH 其中：q 为渗透系数，根据勘察报告确定的数值，取 0.30.5； 为水的容重； H 为地下水位距刀盘顶部的高度， 盾构穿越淤泥质地层、河道及桥区施工技术研究 研究报告之二 7 盾尾后的水压力计算公式： w2=q砂浆hw 其中：q砂浆为根据砂浆的渗透系数和注浆的饱和程度确定的经验数值， 一般取值为 0.81.0； 为水的容重； hw 补强注浆处和刀盘顶部的高差； 在计算水压力时，盾构后部的水压力与刀盘前方的水压力取最大值进 行考虑。 4)预备压力取值 由于施工中存在许多不可预见因素，致使施工土压力小于原状土重的 静止土压力，按照施工经验在对沉降量要求比较严格的，在计算土压力时 通常在理论计算的基础上在考虑 1020KPa 的压力作为预备压力。 5)土仓压力的选择： 根据计算，理论上土仓压力设定应该控制在 0.153MPa0.223MPa 之间。 但是，由于盾构掘进是对地层的扰动、注浆以及盾构通过后管片受力收缩 等作用过程，在盾构切土通过后，地层依然会有较大的沉降变形。根据施 工过程中沉降观测结果分析，只有当土仓压力适当增大，达到地面有适当 隆起（在 1cm 以内）时，在后期测得的总体沉降为最小。所以，在实际施 工当中，采取了适当的超推进措施，即取土仓压力适当大于被动土压力， 则盾构前方土体受到一定挤压，盾构前方到达时地层将有少量隆起。随着 盾构的推进，扰动的恢复、注浆以及管片收缩，会使该隆起下降，使地层 总沉降量减小。因此土仓压力应比计算值提高 15-20%，即控制在 0.183MPa0.277MPa 为宜，经过地面沉降监测分析，此种措施是有效和可 盾构穿越淤泥质地层、河道及桥区施工技术研究 研究报告之二 8 靠的。 2、推进速度控制 为减小对周围土层的扰动来说，推进速度的设定应综合考虑所选在保 证同步注浆质量所需的注浆时间等因素，做到匀速推进。结合现有类似工 程经验及本工程选用盾构机机型，确定盾构机在穿越后河河道施工过程中， 推进速度控制在 2030mm/min，同时根据监测资料进行调整，并保持匀速 安全通过。 3、设定科学合理的注浆参数 （1）同步注浆参数的确定 1）注浆压力确定 注浆压力的设定不能太小，太小就不能平衡土压而导致地层变形，过 大会产生劈裂现象，既造成注浆层切入地层的情况，特别是在软粘土地基 中，劈裂允许压力较低，这种现象比较容易出现。 根据以上分析，注浆压力应低于劈裂注浆压力。而劈裂注浆压力与注 浆材料的粘性、覆土压力、覆土厚度与盾构直径之比有关，结合国内类似 工程经验，以及盾构穿越河道地段地质和埋深情况，本工程在穿越后河河 道施工过程中的土压力应控制在 0.1MPa0.12MPa。同时根据施工测量成果 进行适当调整。 2）注浆量的确定 一个行程的注浆量计算公式： Q=/4（D12-D22） ma 式中： D1-理论掘削直径， 盾构穿越淤泥质地层、河道及桥区施工技术研究 研究报告之二 9 D2-管片直径； m-行程长度； a-注入率，主要和以下因素有关：注入压力决定的压密系数 a1，土质 系数 a2，施工损耗系数 a3 根据盾构法隧道施工与验收规范 ，注浆时壁后空隙应全部充填密实， 注浆量应控制在 130%-250%之间，如注入 150%的情况下计算如下： Q=1.2150%（6.342-6.22）/4=2.5m3 盾构推进至后河河道下方时，为了控制河道的沉降，应适当增加注浆 量，以保证间隙填充率，减小后期沉降，以及结合现有的工程经验，盾构 在穿越过程中的注浆填充率控制在 140%-160%,即 2.3-2.7 m3/环，施工中 根据沉降监测数据进行调整。 3）二次注浆 二次注浆在同步注浆后进行，它是控制沉降的有效辅助手段，同时也 有助于控制隧道上浮，在盾构穿越后立即对隧道二次补充双浆液。注浆量 为 0.5-1 m3/环,考虑到注浆管阻力，注浆压力需严格控制在 0.18MPa 内。 施工中根据沉降监测资料调整。 4、盾构姿态调整 盾构推进过程中将对周围土体产生剪切挤压扰动，为最大程度降低盾 构对土体的扰动，盾构推进中其轴线尽量与隧道设计轴线保持平行。在正 常情况下，若中心轴线水平偏差超过 20mm 时，将要进行纠偏。一次纠偏的 幅度要小。 5、出土量控制 盾构穿越淤泥质地层、河道及桥区施工技术研究 研究报告之二 10 掘进过程中每环的出土量理论值为 37.88 方（实土） 。为减少土体的扰 动，实际控制出土量的理论之为 98%，即 37.1 方/环。 二、盾构隧道防水技术研究 根据淤泥质软土含水量较大的特点，在盾构施工过程中，对隧道防水 施工技术从以下方面进行了研究： 1、根据设计要求，管片接缝采用企口方式，在企口凹槽内设置防水胶 条。这种接缝方式防水效果要比平口方式效果好，但对管片拼装要求比较 严，一旦接缝处错台较大时，就会造成因接缝处防水胶条失效而漏水。 因此，在进行管片拼装时，要保证管片拼装质量，注意防止千斤顶回 缩而使得盾构机后退。同时对管片的外观提前进行检查，注意止水条是否 粘贴牢固，对出现破损的管片及时进行修补，杜绝因管片拼装不当带来漏 水。做好管片连接螺栓的紧固，必须进行三次复拧。 2、盾构施工过程中，为保证盾尾密封效果，防止地下水从盾尾处渗漏 进来，采用国产的优质盾尾油脂,可耐负压 5kg/cm2，采用正确方法补充油 脂,并合理保养维护。在油脂桶外侧标出刻度，便于检查每环油脂注入量。 一般每环都要注一次,按每环注入油脂 5055Kg 控制。在发生漏浆后必须 在漏浆处局部打油脂进行处理,如背后同步注浆浆液泄漏,则要进行局部清 洗；当发生严重渗漏或窜浆现象时,采用盾尾全舱处理法,以确保油脂舱内 有足够的油脂量和压力,并清除盾尾舱内的杂物。 另外，要严格控制盾构推进的纠偏量,尽量使管片四周的盾尾间隙均匀 一致,减轻管片对盾尾刷的挤压程度；控制盾构姿态,严格控制管片组装时 的千斤顶伸缩量,避免盾构产生后退；在条件允许的情况下,可更换第 3 道 盾构穿越淤泥质地层、河道及桥区施工技术研究 研究报告之二 11 即最里面一道盾尾刷,以保证盾尾刷的密封性。 对部分管片有渗漏处，要通过管片吊装孔向管片外侧注入双浆液。在 注浆的过程中，如注入点距离盾尾较近，盾构机须保持推进状态，以防止 浆液将盾尾刷粘住。 3.2.3.2 对河道处理技术的研究对河道处理技术的研究 1、浅覆土地层影响程度分析 盾构机在穿越后河时，根据实际测量结果，盾构以上至河底覆土厚度 为 4 米。根据相关规范，此情况为浅覆土地层。 此种情况除了容易造成盾构上方土体出现隆沉情况，还可能会出现因 覆土重量不足，在管片拼装完成后，出现管片浮起的情况。因此，必须首 先对盾构穿越浅覆土地层时，管片抗浮起的情况进行定量分析和研究后， 才能制定相关措施。 一般认为,盾构隧道管片在受到的浮力(水浮力、泥浆浮力或者同步注 浆的浆液浮力) 大于上覆土与管片重量及其他效应产生力的总和时,管片就 会产生上浮,上浮管片主要为刚脱离盾尾的一环或数环。 根据隧道管片抗浮计算公式：K，算得安全系数 K，和设计 自重浮 土 PP P 要求得施工期抗浮安全系数（不小于 1.05）比较，得出隧道抗浮是否满足 要求。计算如下： 其中： 隧道上方水土压力,在水下时按土体浮容重计算； 土 P 11 2PRHr土 土 H1 覆土厚度，为保险起见，取 3.5m； 盾构穿越淤泥质地层、河道及桥区施工技术研究 研究报告之二 12 P浮隧道所承受的浮力： P浮=jR12 P自重管片单位长度的自重： P自重=砼（R12-R22） R1管片外径（3.1m） ； R2管片内径（2.75m） 砼混凝土容重（25KN/m3） ； j注浆浆液容重（15KN/m3） 按水下土体容重计算时： 土体浮容重（7.5KN/m3） r )/(75.162 1 . 35 . 35 . 72 2P 11 mKN RHr 土土 P浮=WR12 =153.143.12 =452.6（KN/m） P自重=砼（R12-R22） =253.14（3.12-2.752） =160.8 KN/m 自重浮 土 PP P =162.75/(452.6-160.8) =0.561.05， （不满足） 当按天然土体容重计算时： )/(75.379 1 . 35 . 3 5 . 172 2P 11 mKN RHr 土土 K= 自重浮 土 PP P 盾构穿越淤泥质地层、河道及桥区施工技术研究 研究报告之二 13 =379.75/(452.6-160.8) =1.301.05（满足） 经验算结果可知，后河段覆土位于水下时，按浮容重计算时不能满足 盾构管片抗浮要求，需要对后河进行适当处理，改变覆土部位水位状态后， 按天然容重作为抗浮条件，即可满足管片抗浮要求。因此必须对河道进行 处理，确保盾构施工顺利进行。 2、方案优化 根据河道现有情况和类似工程施工经验，盾构在通过宽度较窄的河道 时，一般采取以下通过方式： 方案一：盾构直接推进方案 由于盾构机在盾尾部份设有防水密封装置，在盾构刀盘和盾构前体之 间通过螺旋输送机可以隔绝水利联系，避免盾构在切削土体过程中，出现 少量透水进入盾构机内部的情况。但是由于盾构始发经过后河最大长度达 到 108 米，且隧道顶与河底间距较小，净距离仅 4m，盾构上方土体压重较 小，在盾构大推力下会发生隆起，过后还会下沉，由此容易产生裂隙漏水， 如果大量涌水进入螺旋机，则螺旋机继续旋转后，密封隔水作用将不起作 用，而造成透水事故。因此直接推进危险性比较大，可能在盾构掘进过程 中可能产生渗水、漏水现象，給盾构施工带来很大的安全隐患。 方案二：河水改道施工方案 该方案是考虑现有河道流量较小，在善庆桥北侧绿化林内开挖新河道， 将后河水改道至新河道内，以保证盾构过河期间施工安全。新开河道过水 断面有满足汛期高峰水位的通过能力。 方案三：河道截流后抽排 盾构穿越淤泥质地层、河道及桥区施工技术研究 研究报告之二 14 在盾构始发施工前，在西端头井西南拐角向南 17 米的位置及从善庆桥 西侧桥头向西 45 米位置分别围堰截流，围堰施工完毕后，采用多台水泵将 围堰内积水抽干至外侧河道内，之后在河的上游一侧围堰位置放置多台水 泵将河道内水流抽排至下游一侧围堰外河道内。 方案四：河底埋管导流方案 首先采用围堰从河道中间封闭河道（盾构始发经过后河最长长度达到 108 米） ，采用水泵将围堰内积水抽干至外侧河道内，将河内淤泥挖除（淤 泥深度约为 0.8 米）之后回填土，回填深度约 1 米左右埋设直径 2m 的混凝 土管，横向埋设 3 排，保证水流通过。 方案五：河道预留排水沟后部分区域预埋回填方案 在河道盾构穿越的部分预留 2.5m 宽排水沟，其他区域用粘土分层回填， 在排水沟底采用铺设 2 层塑料布隔水措施。 经过专项研究小组成员的仔细分析研究，认为以上方案各存在以下优 缺点： 方案一：由于没有采取相应的辅助措施，投资最小，但风险最大。一 旦出现透水事故，后果将会造成机械事故，甚至人员的伤亡，后果不堪设 想。 方案二：可以彻底排除盾构施工时透水的危险，但存在工程用地审批 问题，造成工期延长。 方案三：可以较为彻底排除盾构施工时透水的危险，但推进时是主汛 期，汛期雨量大，不能安全有效地控制河水通过。 方案四：可以彻底排除盾构施工时透水的危险，但相应后果是造成投 资加大，工期延长，在和甲方协商过程中有一定的难度，除非施工方自己 盾构穿越淤泥质地层、河道及桥区施工技术研究 研究报告之二 15 加大施工成本。 方案五：由于采用在原河道内回填处理和防渗处理，避免了盾构施工 时透水的危险，同时由于避免了二次征地和费用增加不多，应该是首选方 案。 该方案在进一步细化后，很快得到监理和甲方的同意，得以顺利实施。 3、方案实施 在实际施工中，具体方法是将盾构通过区域河道内预留 2.5 米宽的排 水沟，其他部位河道全部用素土进行分层回填，从而达到改善河道段地层 水位条件的作用。 回填时采用分侧围堰导流方法，先将围堰内积水排干，淤泥清净，用 素土分层回填夯实。预留排水沟宽度 2.5 米，深 1 米，底部铺设双层塑料 布，避免河水向下渗透软化土体。具体围堰回填范围及排水沟结构见图 4 河道预处理示意图和图 5 预留排水沟剖面图 。 图 4 河道预处理示意图 3 盾构穿越淤泥质地层、河道及桥区施工技术研究 研究报告之二 16 D1 D2 D3 D4 新建桥桩 承台位置 新建围护结构 盾构左线 盾构右线 盾构右线 盾构左线 2-2 E1 E2 E3 E4 E5 E6 E7 E8 E9 E10 E11 E12 D4 D5 D6 D8 C7 C8 D7 28槽钢钢板桩加固区 图 5 预留排水沟剖面图 填土范围从盾构始发开始到掘进 60 米止，此时盾构已完成摸索掘进段 施工，取得了比较合理的掘进参数指导盾构推进，进入正常的掘进施工。 3.2.3.3 盾构过桥区处理技术研究盾构过桥区处理技术研究 1、对拔桩后桩孔的处理方案 后河桥桥梁结构拆除后经过现场调查，发现桥梁下部有 1000mm 灌 注桩 25 根、预制 0.250.25m 方桩 58 根、800mm 灌注桩 10 根，均比原 设计单位提供的资料多出很多。后河桥需拔除的桩位如图 6 后河桥拔桩 平面图所示。 盾构穿越淤泥质地层、河道及桥区施工技术研究 研究报告之二 17 图 6 后河桥拔桩平面图 需拔除的基础桩在经业主、监理、施工单位共同现场确认后绘制成图， 并且以实测坐标平面图的形式确定。通过坐标换算发现预制方桩及大桩全 部在盾构区间内。经过专家论证，采用全套管拔桩设备将位于隧道外轮廓 线以内的基础桩全部拔出，以保证盾构机安全通过。 由于桥桩采用全套管施工法拔除，在施工完成后，仍有部分桩孔存在， 为了避免在护筒拔出后形成水力通道，对盾构施工安全造成威胁，经过分 析研究，需要对桩孔进行回填处理。回填材料采用水泥、土拌合，水泥掺 量为 7%，回填高度从孔底回填至孔口。水泥采用 P.C32.5 普通硅酸盐水泥。 回填前，要利用原有套筒用抓斗抓走套筒内淤泥，与此同时，要拌好 水泥土备用。在淤泥清完以后，及时用水泥土回填。回填时，套筒要随着 回填水泥土的上升而上拔。回填时要适当压实，保证回填的密实度。 2、对拔桩区域地层的处理方案 由于在淤泥质地层中拔桩时，部分拔桩后由钢护筒内涌上淤泥，地面 形成裂缝，将桥区内盾构区间土体全部扰动，如下面照片所示： 钢管内上 涌的淤泥 拔桩后在地表形成 的裂缝 盾构穿越淤泥质地层、河道及桥区施工技术研究 研究报告之二 18 由于在拔桩过程中，扰动面积过大，深度超过隧道底，而且又在河道 内，长年积水。即便拔桩孔回填也无法保证桩间土体的密实度。如不能保 证回填土体及周围土体密实，将为盾构推进造成极大的安全隐患。同时为 保证盾构施工对新建桥桩不会造成较大的影响，根据课题组成员的讨论和 专家意见，决定采取对桥区进行高压旋喷加固措施来确保土体的稳定性。 考虑到河道宽度为 13m，机械的大小和施工场地限制，同时又考虑到 既经济又实用，采用二重管高压旋喷对拔桩区域进行加固。为保证加固效 果，加固宽度为河道宽度，加固长度为两侧各超出拔桩位置 5 米，加固深 度至盾构底 2m 处。采用 800mm 直径二重管高压旋喷桩，桩与桩之间搭 接 250，水泥采用 Pc32.5 普通硅酸盐水泥，水泥掺入量 10-17%，施工时各 技术参数如下：水压力20MPa，浆液压力 2MPa，水灰比 0.60，提升速度 10cm/min；旋转速度 10r/min，流量 90L/min。水泥土强度达到 0.3MPa 以上。施工完成后，要进行加固强度检测，要求旋喷加固后土体强度要在 0.5MPa 以上，确保盾构通过时，安全穿过此地。 经过盾构通过后沉降监测数据分析，经过处理后，盾构通过桥区时监 测新建桥台最大沉降为-4.21mm（10 月 25 日-10 月 31 日周报） ；承台最大 沉降量为-3.61mm（10 月 25 日-10 月 31 日周报） ，均在规范允许的范围内， 说明对拔桩区域地基的处理方案是必要和适宜的。 3、盾构通过桥区时的推进方案 根据施工设计，区间隧道在 K2+380 遇到善庆桥、在里程 K2+830860 范围内遇到后河桥。虽然在通过这 2 座桥之前，将影响盾构 盾构穿越淤泥质地层、河道及桥区施工技术研究 研究报告之二 19 施工的现有桥桩拔除，但在盾构机返回施工右线隧道时，将临近新施工的 桥桩，为了避免盾构通过时，对新施工的桥桩造成沉降超限，经过研究， 除了采取在拔桩区域进行旋喷加固措施以外，在盾构施工过程中，还要优 选最佳施工参数，加强同步压浆与必要的补压浆措施，减少对桥桩的影响。 经过研究，采取具体措施如下： （1）在穿越桥区前，设定模拟施工段，检测拟定盾构推进主动技术保 护措施的实际效果； （2）前期设计通过建立模型，预测分析施工风险，并通过计算结果， 指导施工选择施工参数。 （3）在盾构穿越桥区之前，降低推进速度，严格控制盾构方向和一次 纠偏量2mm，根据监测到的数据及设计反分析的反馈信息，及时调整好盾 构推进速度、刀盘转速、正面土舱压力、出土量、同步注浆量等施工参数， 调整好盾构机姿态，确保盾构机的平稳穿越。 （4）盾构施工过程中，随时调整盾构施工参数，减少盾构的超挖和欠 挖，以改善盾构前方土体的坍落或挤密现象，降低地基土横向变形施加于 桩基上的横向力。 （5）加强同步注浆管理，减少盾尾通过后隧道外周围形成的建筑空隙， 减少隧道周围土体的水平位移及因此而产生的对桩基的负摩阻力。同步注 浆量应根据监测数据动态调整，一般宜控制在盾尾建筑空隙的200%，注 浆采用双液浆，并根据实际情况适当补浆。 （6）根据地面和桥梁监测数据，及时、适量地打开管片内预留注浆孔， 进行壁后补注浆。注浆时，应注意控制注浆压力和注浆量，确保注浆时不 对周围地层和桥桩基产生大的横向压力。 盾构穿越淤泥质地层、河道及桥区施工技术研究 研究报告之二 20 （7）加密设置桥墩、地表监测点，设置盾构施工模拟段，并将监测到 的数据立即提供给设计人员，设计人员通过反分析，检测拟定的盾构推进 主动技术保护措施的实际效果。 3.2.3.4 区间沉降监测技术研究区间沉降监测技术研究 1 1、盾构推进施工技术引起地面沉降主要因素分析、盾构推进施工技术引起地面沉降主要因素分析 （1）盾构推进过程中引起周边的土体损失，是引起地表沉降的主要因 素。 开挖工作面土体移动，当作用在正面土体的推应力大于原始侧向应 力时，则正面土体向上向前移动，引起盾构前方土体隆起，造成盾构机上 方的土层受到的扰动比较大。如果开挖面土体受到的水平支护应力小于原 始侧向应力，则开挖面土体向盾构内移动，引起盾构上方地面沉降，一般 在施工中是不可避免的，但若是采取信息化施工，施工操作十分精心的话， 这种情况的土层受扰动的影响长度可控制在一定限度。 盾构后退，在盾构暂停推进中，若推进千斤顶漏油回缩而引起盾构 后退，使开挖面土体坍落或松动，造成盾构机上方的土层受到扰动较大。 土体挤入管片与盾构之间的建筑空隙，这部分空隙在盾尾。出现空 隙的主要原因： a.盾尾材料与结构的密封性能差。 b.注入量少、质差的盾尾油脂，损坏了盾尾钢刷。 c.向盾尾后面隧道外周建筑空隙压浆不及时、或压浆量不足，或压浆 压力不适当，使盾尾后隧道周边土体失去原始三维平衡状态而向盾尾空隙 中移动漏浆，引起地面产生较大的沉降。 盾构施工中改变推进方向，盾构推进为控制轴线方向的纠偏较大， 盾构穿越淤泥质地层、河道及桥区施工技术研究 研究报告之二 21 或盾构在曲线推进、纠偏、抬头或磕头推进过程中，实际开挖面的断面不 是圆形而是椭圆。则对土体有扰动和超挖，因此引起一定的地面沉降。 管片的变形和隧道的沉降，在土压力作用下，隧道衬砌产生的变形 也会引起一些土扰动，隧道沉降较大时，也会引起较大的地面沉降。 （2）受扰动土的再固结。一是地层因土体中孔隙水压力变化产生排水 固结变形引起地面沉降。二是土体受扰动后，土体骨架还发生持续很长时 间的压缩变形，在此土体蠕变过程中产生的地面沉降。 在已知盾构穿越的土层性质、覆土深度、隧道直径及施工方法后，即 可事先估算盾构施工可能引起的地面沉降量，同时可及时地采取措施把影 响控制在允许范围内。 根据有关资料，横向地面沉降估算公式为： 2 )2/(exp)( max 22 max i V S ixSxS loss 具体计算内容见图 7 隧道上部沉降槽断面形状示意图 。 式中： -距隧道轴线横向水平距离； x - 位置处的地面沉降量； )(xSx -隧道轴线上方最大地面沉降量； max S -单位长度土体损失量，, 为土体损失率； loss V 2 RVloss -地面沉降槽宽度系数，, ihi 为地面沉降槽宽度参数， 为隧道轴线埋深。 h 有关土体损失是指盾构施工过程中，实际开挖土体体积和竣工隧道体 积之差，竣工隧道体积包括隧道外围包裹的压入浆体的体积。具体如图 8 盾构穿越淤泥质地层、河道及桥区施工技术研究 研究报告之二 22 土体损失计算示意图所示。 图 7 隧道上部沉降槽断面形状示意图 图 8 土体损失计算示意图 土体损失率为单位土体损失量与土体开挖面积之比。 根据有关资料，土体损失率与工程地质情况、水文地质情况、隧道施 工方法、施工技术水平以及工程管理经验等因素有关。一般情况下，新近 沉积的软土土体损失率在 2%-10%左右。 根据以上公式和现场条件，经过初步计算，地面沉降量约为 2cm 左右。 实际监测沉降槽情况如图 9 所示。 0.22 max 0.61 max 土体损失 收缩后断面 开挖断面 盾构穿越淤泥质地层、河道及桥区施工技术研究 研究报告之二 23 综上所述，施工中监测点的布置要充分考虑土体性质对施工的影响和 施工本身对周围环境可能产生的影响。施工过程中，要随时根据监测数据 进行土仓压力、推进速度和排土速度的调整，确保地面建筑、地下管线等 沉降值在规范允许范围内。 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 沉降变形量 mm 2 2、监测项目的设置、监测项目的设置 在盾构施工过程中由于对土体的扰动而导致不同程度的地面和隧道沉 降，从而会造成周围的地面建筑、地下管线等设施的变形。 监测范围为轴 线两侧各 15 米范围内。 针对该区间隧道沿线的建（构）筑物及地下管线设施分布情况，结合 盾构推进施工中引起的地面沉降的机理，有如下监测内容： （1）地表沉降监测；（2）地下管线沉降监测；（3）建（构）筑物沉 降（倾斜）监测； （4）穿越河段沉降监测；（5） 隧道内管片沉降、收敛监测。 3 3、监测点的布设、监测点的布设 （1）地表沉降点布设 布点原则：布设测点前用全站仪在现场按设计里程及坐标放样出隧道 盾构穿越淤泥质地层、河道及桥区施工技术研究 研究报告之二 24 轴线位置。在现场布置平行于隧道轴线的沉降监测点和垂直于隧道轴线的 沉降监测点，平行于隧道轴线的沉降监测点一般情况每 5 环即 6 米布设一 点，垂直于隧道轴线的沉降监测点每 60 米布设 1 组长 6 米的断面，每组均 为 3 点（加轴线点） ，距离隧道轴线为 3 米；每 100 环布设 1 组长 24 米的 断面，每组均为 7 点（加轴线点） ，距离隧道轴线分别为 3 米、7 米、12 米； 为了解地下深层变化情况。 在盾构出、进洞时要加密测点，在盾构出、进洞 5 环或 10 环处各增加 一监测横断面，此断面点为深层点；进出洞 50 米范围内位于轴线上的监测 点，现场条件允许的情况下布设深层监测点。 布设监测点： 沿隧道轴线（上、下行轴线）每 6 米布设 1 个监测点，每 50 环布设 1 个监测横断面。在各出、进洞口 50 环范围内，视周边环境需要加密布设监 测点，并在现场场地条件许可的情况下，尽量多布设深层沉降监测点，钻 透硬地面，埋设至原状土内。 对于出、进洞处布设的深层沉降监测点，宜采取一定的防护措施，防 止由于盾构推进施工之外的因素造成测点变形或外界因素破坏测点。一般 根据现场实际情况采取加设套管或设立浅埋防护等措施保护测点，如下图 所示： 深层监测点保护措施 1 深层监测点保护措施 2 （2）地下管线沉降点的布设 布点原则：布点原则：地下管线的沉降监测点要求尽量利用管线设施布设直接测 点，并优先考虑上水、煤气管道对测点的要求。此区间在穿越大口径刚性 管道时应加强监测，对管道的监测点应经过相关管线单位同意，满足管线 盾构穿越淤泥质地层、河道及桥区施工技术研究 研究报告之二 25 监护部门的监护要求。 布设监测点：布设监测点：施工前与各管线单位联系，对已有的管线资料进行核实， 如有差异应将管线落到具体的地形图上，按管线单位要求进行监测点的埋 设，尽量利用管线设施布设直接测点，并优先考虑上水、煤气管道监测要 求。 根据各路口环境的特殊情况及盾构施工对地下管线影响的监测需要， 本着既能全面掌握信息，又要经济安全地完成整个隧道工程的施工原则， 对常规管线的监测利用地表沉降监测网和地面沉降断面。但为了更直接地 了解盾构施工对该处管线的影响程度，对各路口各种管线的设备点（如阀 门井、抽气井、人孔、窨井等）进行直接监测。 同时应重点加强对大尺寸雨、污水管道监测。 信号电缆、电力电缆、电话等管线：由于该类管线埋深较小，且一般 位于道路边沿，并有套管或盖板保护，监测时尽量利用现有管线设备进行 直接监测，利用地面沉降监测点进行常规监测控制，并另布设间接沉降监 测点。 上水、煤气等刚性管线：该类管线埋深一般在 2m 左右，监测时尽量利 用现有管线设备（如阀门井、抽气井、人孔、窨井等）进行直接监测，利 用地面沉降监测点进行常规监测控制，对现场有条件布设深层直接监测点 的部位，宜布设直接监测点。 （3）建（构）筑物测点布设 布点原则：盾构施工沿线建筑物的沉降、倾斜等监测，沉降点在一侧 墙面至少布设 2 点。对重要的建筑增加测点、增加监测内容等。尤其加强 对离隧道中心线 2 倍埋深范围内建筑物的监测。 盾构穿越淤泥质地层、河道及桥区施工技术研究 研究报告之二 26 （4）穿越河段沉降点布设 布点原则：盾构穿越河段常规沉降监测点不具备布设条件，拟沿轴线 方向每 5 环即布设一监测点，10 环布设一组断面，断面左右范围内以轴线 中心向两侧间隔 3 米，各布设监测点 3 只，测点用钢筋插入河道淤泥下 1m 左右。钢筋顶部固定反射片，使用全站仪采用三角高程的方法观测，现场 桥墩具备测点布设条件的优先对桥墩进行沉降和变形观测。 （5）隧道管片沉降、收敛点布设 隧道成形后,需对隧道沉降进行监测。其每次监测范围为车架后 100 环。 隧道沉降监测：在进出洞 50 环范围每 5 环布置一个，其他部位每 10 环布设 1 个。 隧道收敛监测：左、右线按照每 30 环布设一组监测断面，每组监测断 面布设在隧道壁上，遂道收敛监测点示意图如下： 标准圆形隧道的每环隧道管片由 6 块管片拼装而成，管片通缝拼装。 按圆形隧道拼装理论计算，自腰部接缝沿隧道向下量弧长 0.803m 处，端点 即为圆形隧道水平向直径之端点。 为方便实施，采用有机玻璃材质加工了专用工字构件，实施过程中， 将构件上边沿与隧道腰部接缝对齐，构件紧贴隧道内壁，则下边沿即为隧 道直径所在直线。定线后，用油性红笔画出该直线，再在隧道左右两侧对 盾构穿越淤泥质地层、河道及桥区施工技术研究 研究报告之二 27 应中心位置画十字，确定隧道直径的两个端点。确定直径端点位置后，贴 上反射贴片，作为每次测量的照准点。 测量时采用全站仪，将仪器架设在道床固定对中点，测量仪器中心至 直径两端点的平距，左右平距之合即为实测直径值。将各次直径测量值进 行比较，可以知道隧道的直径收敛变形情况。 4 4、 监测内容的实施监测内容的实施 为确保监测工作的可靠性、稳定性及连续性，在整个监测区域设立完 整的沉降变形监测控制网，由控制网来控制日常的沉降监测。 （1）变形监测控制网的布设 1）变形监测控制网的起算点或终点要有稳定的点位，为了减少观测点 误差的累积，距观测区不能太远。 2)为便于迅速获得观测成果，变形监测控制网的图形结构应尽可能的 简单。 3)在确保变形监测控制网具有足够精度的条件下，控制网应尽量布设 一次全面网。 根据以上布网原则，在整个监测区域布设沉降变形监测控制网。主要 在各路口布设较稳定的控制网点，采用往返观测附和线路，算出各点高程， 作为测量时的起算点。在监测工期内应对控制网定期复核。 （2）测量技术及要求 1)基准点的复核 每月二次对水准控制网进行联测，修正其水准高程。为确保测量的精 度，整个沉降测量参照二等水准测量进行。 2）测量仪器的检校 盾构穿越淤泥质地层、河道及桥区施工技术研究 研究报告之二 28 水准仪送检，水准仪必须在法定计量部分出具的有效检验日期内使用。 每天工作开始前检查标尺水泡、仪器气泡，发现异常应停止工作检查 仪器，改正合格后方可施工。 水准仪 i 角不得大于 15。 3）测量要求 观测参照二等水准测量要求采用单路线往返测量，同一人观测；同一 仪器测量；同一标尺；同一道路进行。测站的设置视线长度不得大于 40m。 （3）沉降测量工作的实施 盾构推进地表跟踪测量： 测量时参照二等水准的要求测量，盾构施工的监测范围一般为盾构机 头前 20 环，后 30 环。测点布设范围为机头前 200 米，另外由于该处车辆 众多，安全工作应放在第一位，测量时穿戴反光背心，必要时采取有效的 防护措施。 5 5、投入的仪器设备、投入的仪器设备 主要投入以下仪器： 仪器名称仪器名称仪器型号仪器型号数量数量仪器精度仪器精度 全站仪拓普康 TKS-2021 台2；22ppm*D 水准仪DSZ2+FS11 套 0.5mm 计算机IBM1 台 2m 铟钢尺河北珠峰1 付 6 6、监测频率、监测频率 为确保施工安全，监测点的布设立足于随时可获得全面信息，监测频 率必须根据施工需要跟踪服务，每次测量要注意轻重缓急，在盾构进出洞 时要加密监测频率直至跟踪监测，监测频率表一般如下： 盾构穿越淤泥质地层、河道及桥区施工技术研究 研究报告之二 29 施工工况施工工况一般监测范围一般监测范围监测频率监测频率加密监测加密监测 进出洞进出洞 50m2 次/天视施工需要跟踪监测 正常推进前 20 环后 30 环2 次/天视施工需要跟踪监测 穿越河流段河床宽度1 次/环视施工需要跟踪监测 建筑物、管线30m1 次/天视施工需要跟踪监测 在区间隧道盾构出洞前布设监测点，取得稳定的测试数据，在盾构出 洞后即开始监测，50m 范围内监测频率保持每天 2 次，此后在施工参数基本 确定以后，监测频率基本保持在每天 2 次。在整个盾构推进施工过程中监 测频率可根据工程需要随时调整，以满足现场施工需要。监测测量的周期 应满足观测到测点变形达到相对稳定时为止。 在始发阶段和接收阶段，采取井下和地面同步监测措施，过后河桥加 固区时，对于监测也是如此。同步监测频率为推进一环或者推进半环，由 地面监测者向隧道内盾构机操作者报沉降或者隆起数据，操作手根据此数 据调整盾构机姿态和土压，确保隆起和沉降在控制标准范围内。 在盾构掘进过程中，施工方监测每天监测两次，第三方监测每天一次， 两家单位监测数据吻合，都达到良好效果。通过沉降数据看出，在软土地 层隧道施工我们取得控制地层沉降成功经验。 7 7、监测报警值监测报警值 报警值：盾构掘进期间日变量报警值为3mm。 盾构掘进引起的地层损失应小于 1，相应管片脱出盾尾 15 天以后不 同盾构覆土的厚度处的地面沉降槽最大沉降量 及盾构前方的最大隆起量 不得大于下表中的规