盾构在小半径曲线下穿越建筑物的施工技术

隧道/地下工程盾构在小半径曲线下穿越建筑物的施工技术万绍涛（中铁二十四局集团上海铁建工程有限公司 上海市 200070）照片尺寸为20mm*30mm；最好不用红色背景摘 要 随着盾构法施工在城市地铁隧道中的应用，使得在盾构法施工中面临到的环境也越来越复杂。以上海市12号线5标东兰路站虹梅路站区间隧道为工程实例，介绍了一些在盾构施工中面临小半径曲线下穿越建筑物的施工技术，对在施工过程中遇到的难点、重点进行了分析，提出了一些解决方法，对以后类似工程有一定的借鉴作用。关键词 地铁隧道 盾构 小半径曲线 穿越中图分类号 U455.43 文献标识码 A 文章编号 1009-4539Construction technology of shield tunneling in the small radius curveWan Shaotao (China Railway twenty-four bureau group，Shanghai Railway Construction Engineering Co. Ltd, Shanghai ,200070) Abstract With the application of shield tunneling method in city subway tunnel, makes to face in shield construction method in the environment becomes more and more complex. This paper takes Shanghai city line 12 5 mark of Donglan Road station to Hongmei Road station interval tunnel as an example, introduces some face small radius curve in the shield construction through building construction technology, the difficulties encountered in the construction process, are analyzed emphatically, and put forward some solutions, for later similar the project has a certain reference function.Keywords subway tunnel;shield;small radius curve; crossing5 / 6隧道/地下工程1 引言收稿日期：2013-xx-xx （年-月-日） 随着各个城市的发展，地面交通已经不能够满足交通量的需求，越来越多的城市开始将目光转向地下，大力发展地下交通。近年来我国地下交通发展迅速，很多二线城市已经开始修建地下轨道交通，而上海、北京等一些城市轨道交通线已多达十多条，因此，盾构法施工对环境影响要求越来越高。一般盾构隧道都是沿着道路下规划，但还是有一部分是需穿越上部建筑物，这时盾构掘进施工时对隧道周围土体产生的扰动和流失，引起地表沉降对上部建筑物影响比较大，容易造成地面建筑物损坏。盾构在推进时，地面上建筑物的安全完全取决于地下土体的扰动；而在小半径推进时土体扰动比较大，容易引起沉降，上部建筑物损坏的风险较大。土体扰动的影响程度取决于盾构机推进速度、出土量、注浆控制等等因素。以上海市轨道交通12号线5标东兰路站虹梅路站区间隧道为例，结合盾构在小半径曲线下穿越建筑物科研项目，对盾构掘进施工中出现的问题做出了总结。2 工程概况 上海市轨道交通12号线5标东兰路站虹梅路站区间起始于东兰路站北端头井XK5+258.562m，止于虹梅路站西端头井XK5+746.866m，总长488.304m（共425环管片，其中35环230环上方存在建筑物）,在里程XK5+547.058m处设旁通道及泵站一座。整个隧道轴线基本是一段R=350m的小半径曲线，线路纵断面最小坡度2%，最大坡度11.77%，隧道覆土最小为8.87m，最大为11.23m。（见图1）图1 东兰路站虹梅路站平面图2.1 地理位置及地质情况 区间隧道沿线经过万源路旁鑫品南北干货批发市场、华一村小区、漕宝路下，掘进土层主要为1灰色淤泥质粘土、2灰色粘质粉土夹粉质粘粉土、1a灰色粉质粘土层、2灰色砂质粉土层，隧道中心标高为-7.938 -9.957m。2.2 周边环境 区间隧道将穿越鑫品南北干货批发市场周边房屋及商铺，这段区域房屋较少，多为干货市场周边商铺，商铺及房屋都为砖砌结构，房屋基础为普通砖砌基础。隧道沿线进入鑫品南北干货批发市场，干货市场为框架结构，地基为长12m的500水泥搅拌桩。 隧道进入华一村小区下，华一村小区主要为旧房屋，基础皆为普通砖基础。由于这些旧房屋都比较集中，不方便对齐进行后期加固。 3 施工重难点 东兰路站虹梅路站区间整条隧道为一条半径350m的小半径曲线，施工过程中控制难度大。隧道上部有鑫品南北干货批发市场商铺以及华一村小区房屋，这些房子都为旧房屋，且基础较差，施工时沉降风险较大。 盾构在穿越建筑物过程中，对于建筑物的控制主要取决于在掘进过程中的各种施工控制。由于上部房屋比较老而且集中，不方便进行后期加固，因此，盾构在小半径曲线下穿越建筑物施工技术的控制，主要还是盾构在小半径曲线推进过程中沉降的控制，确保上部房屋安全。4 施工过程中技术控制4.1 掘进工法盾构施工时的进度、施工次序等参数的调整会对工程岩土体产生不同程度的扰动。通过检测数据的处理和分析，合理地调整施工工艺和参数，减少施工扰动已被工程实践所证明是必要的和可行的。 盾构穿越施工的重点是如何减小对地层的扰动，尽可能做到施工过程微扰动，施工终了无扰动（恢复原状）。 根据传统理论：导 致地层隆起的因素是盾构的正面压力；导致地层沉降的因素是盾构姿态的改变、盾尾建筑间隙等引起的地层损失以及盾构掘进施工对土体的扰动造成的后期沉降。因此在施工时，主要考虑盾构机正面土压力和盾尾注浆，这是迎土面和盾尾平面二维空间的考虑方法。 然而施工实践表明，盾构机偏转导致的挤压及空吸、盾壳摩阻剪切及土体粘附牵拉，以推力和速度等形式均对上部与周围土体的相互作用（包括盾构机壳与土体的摩阻力、盾构机曲线掘进时对周边土体的挤压力等）在地面沉降的变化中有明显的比重，盾构头部的影响、纠偏和侧摩擦力的影响与后续隆起的影响大约的比例是0.55:0.24:0.2。因此我们认为，盾构壳体、盾构机迎土面和壁厚注浆共同组成了影响沉降的多元系统，应采取与之相适应的考虑多元因素的“区域分控掘进法”进行施工。 4.2 严格控制盾构正面土压力土仓中心土压力值根据埋深及土层情况设定，压力波动控制在0.02Mpa，在盾构施工过程中，根据监测单位地表监测点的监测数据，结合以往盾构施工过程中的推进土压值来确定盾构穿越隧道顶部建筑物的合理土压力值。安装在土仓内的土压传感器可以适时将刀盘前部的土压值显示在控制室屏幕上，盾构机操作人员根据地面监测信息的反馈及时更改、设定土压力值。盾构施工中，土压力值是盾构推进过程中重要参数，它直接反应了推进过程中螺旋机出土情况，通过土压力变化、螺旋机出土量以及土的性质综合分析，总结出在某中地层中盾构推进时采用多大的土压才能对周围土层产生最小的扰动。土压平衡式盾构就是通过盾构机土仓压力与土仓外水土压力达到平衡后，螺旋机通过出土减少土仓压力，而盾构机向前推进增加土仓压力从而和外界水土压力一直保持平衡这一原理来工作的，其原理见图2所示。图2 土压平衡盾构原理图由土力学原理，正面水土压力的理论值： （1）其中，、分别为土、水压力；，为土的有效摩擦角；为开挖面中心处深度，、分别为土、水的容重；为地面超载1。盾构推进中的实际正面土压力可表示为：其中，a为考虑土体扰动后性质变化、盾构推进速度、超载状况等因素时，正面水土压力的调整系数。其值一般粘性土中取1.051.12，砂性土中取1.131.151。根据以上公式计算，穿越区域土压力设置如下表1，实际土压力设定值根据沉降数据值进行微调。根据隧道上部环境，将盾构穿越过程中分为2个区域，即18环34环为调整段（区），35环230环为穿越段（区）。推进压力设置值见表1。 表1 分区设置土压表 kPa区域区区设置土压力195196176200调整段区特点及控制措施：区段的特点是盾构掘进断面处1灰色淤泥质粘土。盾构机在区段推进时，速度为1020mm/min，并保持195196kpa压力。此段施工时重点注意控制同步注浆，根据监测反馈的情况实时调整注浆量和注浆压力。穿越段区特点及控制措施。区段的特点是盾构掘进断面处1灰色淤泥质粘土与1a灰色砂质粉土层。在推进至35环时进入穿越段区段，这个区段的特点是穿越盾构机鑫品南北干货批发市场以及华一村小区。此段施工时控制推进速度在20mm/min以内，推进60cm左右，停顿20分钟，进行应力释放，然后再继续推进。在盾构穿越上部建筑物影响范围时，土压值根据穿越的不同阶段分别设定：穿越前，当盾构机与鑫品南北干货批发市场之间逐渐接近时，土压值也应相应的减小；穿越中，此时土压力基本保持在最低位；并保持土压力由176200kpa左右。穿出阶段，盾构头部脱出后土压力逐步恢复至正常220kpa。4.3 推进速度控制 盾构机在推进过程中，土仓里土压传感器将实时的土压值传送给盾构司机，盾构司机再通过调节推进千斤顶来控制推进速度，推进速度控制在2040mm/min。推进过程中保持推进速度、刀盘转速、出土速度和注浆速度相匹配，保持稳定，每日推进6环左右。4.4 合理的开启铰接根据本工程的情况，公司在选择盾构机时特意增加了铰接功能。由于铰接部分在盾构机支撑环位置将盾构机分成了两个可以活动部分，提高了盾构在小半径曲线下推进过程中的灵敏度，大大的减小了推进时超欠挖对上部建筑的影响，使盾构机在推进时能够更好地对轴线进行控制，也提高了隧道成型后的质量。铰接角度 （2）其中，L1、L2 分别为铰接盾构的前体和后体长度, R 为曲线半径,为盾构机在小半径曲线上的铰接角度,此角度应小于盾构机自身的最大铰接角度2。盾构在开启铰接前由技术人员计算出合理地铰接角度以及铰接千斤顶形成差并交底给盾构司机，盾构司机通过控制铰接千斤顶形成差来控制开启铰接角度。由于转弯半径都相同，所以铰接角度一旦开启，未经过技术人员交底更改都必须保持同一角度。铰接千斤顶行程差(mm) =千斤顶最大行程差(左右铰接角度deg) /最大左右铰接角度deg2。4.5 出土量控制盾构在推进过程中对周围土体进行不断地扰动，在小半径曲线推进时很容易造成超挖现象，而超挖则造成土层损失，因此出土量的多少将对土层损失产生直接关系。假定基准出土率时地层损失为0，则实际出土率变化时将引起附加的地层损失。 （3） （4）式中，为一环长度内盾构的体积；为实际出土量；D为刀盘直径；为盾构每环管片长度；为出土率，与土层性质有关3。 若假定为基准出土率，为实际出土率，则由于出土率变化所引起的地层损失增量为： （5） 式中，为超挖所引起的地层损失系数1。 盾构机刀盘直径6.340m，管片每环长1.2m，因此盾构机的开挖断面为31.55，每环的理论出土量为31.551.21=37.86m，在盾构机穿建筑物时，将出土量控制在理论出值的98%，即37.8698%=37.1m左右，保证盾构切口上方土体能有微量的隆起（不超过1mm），以便抵消一部分土体的后期沉降量4。对每环的实际出土量和理论出土量进行比较，严格保持开挖面的土压平衡，减少对土体的扰动，防止超挖及欠挖。4.6 同步注浆 浆液配比 由于隧道处于微承压水层当中，为了能够让盾构推进过后对地面的沉降影响最小，因此我们选择厚浆作为同步注浆浆液，经过实际试验统计分析，厚浆浆液的具体配比如表2。表2 同步注浆浆液配比表注浆量粉煤灰钠基膨润土细砂水石灰添加剂1m300kg50kg1180kg285kg80kg3kg 注浆量在盾构施工中，由于盾构机的直径比管片圆环直径大，所以管片在脱离盾尾后会与周围土体之间留下一定的空隙。此空隙大小的理论值为： （6）其中，D为盾构外径；d为管片外径；为一环管片的长度5。在进行同步注浆时，浆液在填充此空隙时也会渗透入周围土体，因此所注浆量应还包括渗透入土体的，故注浆量可表达为： （7）其中：为注浆量调整系数，与土体性质、注浆压力、浆体材料及配比等有关5。每环压入量一般控制在“建筑空隙”的130180，即2.15 m环2.97 m环。而在本次穿越施工时，注浆量设定在2.5m3m之间。 注浆压力由于盾构机在地面以下十多米深处，隧道四周土压力比较大，为了能够让浆液渗透入隧道周围土体而又对其不产生扰动影响，注浆压力就必须控制在一个合理范围内，根据以往经验，注浆压力取为1.11.2倍的静止土压力5。 后期补浆盾构掘进时，在穿越区域中除常规同步注浆外，如果上部建筑或者地面出现连续沉降情况，则进行补偿注浆，一般情况在管片脱出盾尾56环后，采用水泥浆对管片后存在的空隙进行补偿注浆，对两隧道穿越影响区段的土体进行必要的加固处理。为此，利用每环管片预埋注浆管孔，在盾构穿越后对该区段周围土体进行水泥注浆加固，注浆根据地面监测情况随时调整，注浆施工时一般应遵循少量多次的原则，尽量减少对速到周围土体的扰动。 盾尾密封在盾构穿越建筑物时，盾尾密封比较关键。首先盾尾密封刷采用优质的进口盾尾刷，盾尾油脂也采用优质的进口油脂；在推进过程科学的压注盾尾油脂，保证每环的油脂压住量在30kg以上；控制好盾构姿态，保证盾构盾尾间隙均匀；合理进行同步注浆和二次注浆，防止压力过大击穿盾尾；准备好海绵、棉胎等应急物资，防止盾尾泄露。4.7 盾构姿态控制盾构曲线推进或纠偏推进时，盾构姿态的改变对周围的影响很大。本来地下工程就存在很多的不确定因素，因此盾构在推进过程中很容易产生轴线偏差。盾构在曲线推进时要纠偏，还要调节坡度，所以实际开挖断面是椭圆形。盾构轴线与隧道轴线偏角越大，对土体扰动也越大。盾构掘进时姿态的改变对周围土体的影响如图3所示。图3 盾构掘进姿态改变对周围土体的影响在区域分控制掘进法中，盾构的平面曲线控制是重要的环节。在盾构穿越过程中由于盾构姿态调整形成的外侧挤压区对盾构周围土体的隆起有明显影响。因此在急曲线穿越时应开启盾构铰接，预先调整盾构姿态等方法来抵消这种影响，以减少对建筑物的扰动。4.8 严格控制盾构纠偏量盾构在进行纠偏时，必然会对周围土体进行扰动，产生超挖现象。在盾构机进入鑫品南北干货批发市场建筑前，已经处于水平曲线条件下施工。这时，盾构机应将铰接提前开启且开到适宜角度，确保盾构在水平曲线下能够顺利转弯，减小纠偏量。在此时，盾构机应将盾构姿态调好，包括垂直坡度，在后面穿越过程中，保持这种姿态以不大于40mm/min速度匀速推进，推进过程中做好测量工作，发现出现偏差时应及时纠偏，但纠偏不可过急、过大，控制好每环的纠偏量不大于10mm（高程、平面），控制盾构变坡不大于1，以减少盾构施工对地层的扰动影响6。4.9 管片拼装由于项目部所有盾构机千斤顶在正常情况下已伸出600mm，而管片长度为1200mm，为了确保拼装质量，千斤顶行程必须在1800mm以上才能进行管片拼装。在管片拼装前，先对盾尾存在的杂物进行清除，然后进行盾尾间隙测量，根据测量的结果再分析决定出管片拼装是否需要加贴楔子进行纠偏，而在清理杂物以及测量盾尾间隙这段时间里，盾构机周围土体也基本稳定下来了，这时已满足拼装的基本要求。拼装前，应检查管片及黏贴的止水带是否无破损现象，如有应立即修复，不能修复的必须更换管片。拼装时，安排熟练的拼装手进行拼装，每拼装完一块管片，应在确定将固定此块管片的千斤顶顶上后才可去拼装下一块管片，整个拼装过程必须保持在快而不乱的情况下进行，管片拼装完应及时将螺栓拧紧，等此环管片脱出盾尾后需再次进行复紧。拼装手在拼装管片时，盾构司机必须全程监督，确保拼装人员的安全，也要监督拼装质量。4.10 改良土体 穿越建筑物的过程中土层性质差异较大（上硬下软）对掘进不利，可以利用加泥孔向前方土体加膨润土或泡沫剂来改良土体，增加土体的流塑性6。其一：使盾构机前方土压计反映的土压数值更加准确；其二：确保螺旋输送机出土顺畅，减少盾构对前方土体的挤压6；其三：及时充填刀盘旋转之后形成的空隙。4.11 加强监测盾构穿越前对所穿建筑物进行调查、评估和检测，为制定穿越方案提供依据，房屋穿越过程中，派驻专业检测单位人员实时检测房屋安全，以便制定应对措施，房屋穿越后沉降稳定后再进行一次房屋检测，作为工后评估和修复的依据（如果有）。盾构穿越前，对隧道穿越过程中将影响到的建筑物布置自动监控点，监控点都采用无线发射数据，施工现场值班中控室直接接收监测数据。在施工前，监测单位也在穿越影响范围建筑物布置了人工高程监测点，对人工监测的数据和自动监测的数据进行对比以及校核。 根据盾构与建筑物的接近程度，分段分时加密设置地表监测点，提高监测频率。穿越初期为2h一次，如遇变形量超过报警值，应进行跟踪监测。以下是隧道正上方一栋房屋四个监测点F275F278在穿越前后及过程中的沉降累计变化曲线图(见图4)。 图4 F275F278累计沉降累计变化曲线图5 穿越后施工措施由于压注同步注浆浆液时，可能由于浆液质量差或者注浆量不足而导致仍存在一定间隙，此时地面依旧会沉降。根据实际情况（监测结果）需要，在地面沉降比较严重的地方，可采取对管片后的