昆明地铁盾构施工锚索障碍物拔除技术研究.doc

.昆明地铁盾构施工锚索障碍物拔除技术研究昆明地铁盾构施工锚索障碍物拔除技术研究 摘要：在城市轨道交通的建设中，区间隧道采用盾构法施工越来越多。在盾构掘过程中，常会碰到地下障碍物，在盾构无法依靠自身刀盘上的刀具切碎障碍物通过该区域时，一般都采用预先处理的方法清除障碍物，保证盾构顺利通过。预应力锚索障碍物是其中一种，由于锚索本身为高强度钢绞线，使得盾构无法利用开挖刀盘上的刀具把其切断，所以预应力锚索一直是盾构通过的难题。本文是以昆明市轨道交通3号线西标段马街站眠山站地下区间中西山城投商务楼基坑锚索侵入盾构区间限界为工程实例，重点阐述锚索拔除过程及盾构通过该区域的掘进情况，为盾构施工在该类地下障碍物的推进提供一定的参考。 关键词：盾构施工;锚索;障碍物;拔除;技术研究 Abstract: In the construction of city rail transit, more and more construction by shield method tunnel. In the process of shield tunneling, often encounter the underground obstacle, cannot rely on the tool itself in the shield cutter head chopped barrier through the area, generally by the method of preconditioned to clear the obstacles, to ensure smooth through the shield. This paper is based on the Kunming Rail Transit Line No. 3 West sections Horse Street station to Mian Shan Station Underground interval between Chinese and western mountain city investment and business building foundation pit anchor intrusive shield interval bound as an engineering example, focuses on the extraction process of shield tunneling and the cable through the region, for shield construction in the underground obstacle to provide certain reference. Keywords: shield construction; cable; obstacle; extraction; technology research 中图分类号: C913.32 文献标识码A 文章编号 1 工程概况 1.1盾构区间工程概况 马街站眠山站地下区间右线起止里程为YDK6+943.150YDK8+606.750，长1649.471m（含14.129m短链），左线起止里程为ZDK6+943.150ZDK8+606.750，长1669.189m（含5.589m长链），区间内设两座联络通道。隧道区间的平面最小曲线半经R=350m，线间距13.460m。左、右线纵坡坡度不同，左线纵坡坡度为-10-4-1.86，右线纵坡坡度为-10-4-2，最大坡度10，最小坡度1.86，隧道埋深812.4m。区间采用盾构法施工，盾构机为德国海瑞克生产的6450复合式土压平衡盾构，该盾构机设计扭矩大、推力大，适用于各种土层或岩层的掘进工作并且能满足最小曲线半径为250m的工作任务。区间隧道管片采用预制钢筋混凝土管片，每环管片由6块组成，包括1块封顶块、2块相邻块和3个标准块，管片采用高强度螺栓连接，其内径为5500mm，外径为6200mm，长度为1200mm，厚度为350mm。 1.2盾构区间锚索侵入段地质水文情况 盾构区间右线线路上有一商务楼基坑（西山城投商务楼），基坑的围护结构为桩锚形式，其锚索侵入我区间右线隧道。锚索侵入隧道的里程范围为YDK7+548.8YDK7+639，该段隧道洞径上部范围的地层主要为地层、地层、地层、地层、地层、地层、地层、地层，隧道洞径范围内的主要地层为地层、地层、地层、地层和地层，隧道洞径以下主要是地层、地层和地层，该段范围的水位线在地面以下1.02.0m，隧道埋深约11.5m。其地层的主要物理力学性能如下表所示： 表1-1主要物理力学性能表 1.3西山城投商务楼基坑锚索侵入情况 西山城投商务楼基坑深度9.5m，基坑支护土层锚索钻孔直径15cm，采用15.24预应力钢绞线，土层锚索在东西两侧基坑水平按3m间距布置，侵入区间隧道限界范围内的一侧为西侧，西侧基坑长71.6m，布置27列锚索。根据城投商务楼基坑支护图与现场实际调查，商务楼基坑支护锚索侵入我区间隧道右线隧道里程段YDK7+548.8YDK7+639.0，影响盾构掘进长度90.2m。下表为商务楼基坑锚索的现状以及锚索侵入隧道的情况统计： 表1-2 锚索侵入隧道情况统计表 注：经过仔细测量确认，影响盾构机的掘进安全，需要拔除总数量为52根。 下图为西山城投商务楼基坑锚索的现场情况： 西山城投商务楼基坑锚索情况 西山城投商务楼基坑支护锚杆与右线隧道关系平面图 2 盾构区间范围内锚索处理方案对比 针对西山城投商务楼基坑的锚索侵入盾构隧道的情况，我们对其进行了认真的方案比选，具体比选情况如下： 方案一：马街眠山区间平面位置调线 优点：直接调整线路平面位置，盾构在平面线路上绕开锚索。 缺点：（1）锚索影响区域离马街眠山区间左线隧道距离太近，如单纯将右线向锚索影响区域的西边调线会造成左右线间距只有2m，影响盾构施工安全。如将左右线同时向西边调线，右线就会碰到原来的大沙沟桥，之前就是因为绕避大沙沟桥，线路才往外绕的，现在碰到大沙沟桥，由于时间较紧，无法实施，且处理费用更高。（2）如右线向锚索区域东边调线，地铁隧道会侵入大片房地产施工区域，且房地产基坑底已做压入桩处理，线路会进入群桩区。 方案二：马街眠山区间纵断面调线 优点：直接调整线路纵断面，盾构在纵向绕开锚索。 缺点：锚索区域处右线隧道中心标高为1889.4m，最底排锚索侵入隧道段最低标高为1888m，隧道要绕过锚索区域，隧道中线将下调至少5.2m。如果只将右线隧道下调，由于此区域离1号联络通道位置只有十多米，会造成联络通道两边标高相差太大；如果左、右线同时下调，线路下压后硬岩段会加长，会给施工带来很大的影响，且线路下压后隧道底板离原来已经探测出的的溶洞更近了，如由于线路下压，盾构碰到溶洞的话，那处理费用将更高。 方案三：拔除锚索 优点：能尽量减小时间上对盾构机掘进速度的影响，且国内也有成功案例，工艺要求高，技术含量大 缺点：拔锚索可能会出现锚索被拔断的情况，在这种情况只能采取盾构机内开仓割除钢绞线，为保证开仓的安全性，需要采取旋喷桩加固的技术措施，为开仓作业提高安全系数，减小施工风险。 经多次对比，方案一、二受外界因素影响为不可行方案。方案三为最优最可行方案，比方案一、二更经济，更安全，需要的时间最短，能将侵入隧道断面内的锚索拔除，盾构机安全通过此区域。 3 锚索拔除施工 3.1拔除锚索基坑安全性分析 在该项目地下室底板施工完成后，采取可靠措施封底，封底效果确认后拔除基坑最下一排锚索。为了全面分析基坑的受力及使用状态，保证拔除锚索后基坑的安全，需要对基坑从开挖、支护、封底板、拔除最后一道锚索整个过程进行模拟、计算。采用理正深基坑辅助设计软件模拟基坑开挖和回筑全过程，按增量法原理进行计算与验算。计算参数参照该项目基坑设计的详勘报告进行取值。基坑的支护结构的计算采用荷载结构模式，遵守建筑基坑支护技术规程（JGJ120-2012）并参照上海市工程建设规范基坑工程技术规范（DB/TJ08-61-2010、J11577-2010）相关规定及计算原理，采用荷载增量法进行内力计算。 对于计算荷载取值遵循以下原则：侧向水土压力：施工阶段按朗肯主动土压力进行计算，对粘性土地层采用水土合算，其余土地层采用水土分算。计算中计及地面荷载和邻近建筑物以及施工机械等引起的附加水平侧压力。计算水位：围护结构计算时地下水位按地面下1m。施工荷载：一般的施工荷载按5kPa计。水土压力取值原则为：地下水位以上土体采用天然容重，地下水位以下土体，对粘性土采用水土合算，对砂性土采用水土分算，地层内摩擦角及粘聚力采用三轴固结不排水剪总应力指标。 通过计算可以看出，基坑封底后拆除最下一排锚索后，基坑坡顶水平位移由11.30mm增加至11.35mm，桩内侧弯矩弯矩由221kN.m增加至246kN.m，拆除第二排锚索后基坑坡顶水平位移由11.35mm增加至11.43mm，桩内侧弯矩弯矩由246.5kN.m减少至221.2kN.m，拆除第一排锚索后基坑坡顶水平位移由11.43mm增加至17.94mm，桩外侧弯矩弯矩急剧增加，由220.6kN.m增加至914kN.m。基坑的整体稳定安全系数 Ks = 1.688，抗倾覆安全系数每一计算步均大于1.2，满足规范有关要求。计算中第一排锚索受力528.7 kN超过原设计（3F15.2）锚索极限抗拉力，且地面沉降及坡顶水平位移均较大，坡顶水平位移17.94mm超过基坑深度的2，锚索处于不安全状态。为确保基坑安全，在第二道锚索下方设一道斜撑，斜撑一端锚固到底板的预埋钢板上，另一端与钢腰梁连接。通过设置一道钢支撑，基坑的抗侧向的刚度增强了，拆除第一支撑后坡顶水平位移为13.85，桩最大弯矩标准值为351.9kN.m，基坑附近地面沉降为12mm。计算结果如下图所示： 基坑封闭后依次拆除第三排、第二排、第一排锚索计算结果包络图 基坑封闭后依次拆除第三排、增设斜撑、拆除第二排、第一排锚索计算结果包络图 3.2锚索应力计算（锚固力） 基坑挖到底各层锚索的锚固力设计值计算如下表： 锚索拔除后加一道撑后各层锚索的锚固力计算表 连续拔除3道锚索的工况各层锚索受力计算表 从表中可以看出，如果连续拔除两道锚索则第一道锚索的受力急剧增加，拔除第二道锚索时第一道锚索受力超出设计值。 3.3支撑加设 根据基坑稳定分析及锚索应力计算结果，在先拔除第三道支撑后，在第一道支撑及第二道支撑的中点位置加设一道支撑，以保证后续锚索拔除时基坑的安全。具体拔除顺序为：锚索总体拔除顺序：拔除第三道锚索安设支撑（第二道至第三道之间，即第二道支撑以下500mm）拔除第二道锚索拔除第一道锚索。支撑加设情况如下： 3.4锚索拔除方法 常见的锚索拔除方法是利用套管钻机套管跟进成孔，分离锚索与周边土体达到减少摩擦力的目的，然后拔除锚索。由于套管钻机钻进过程中角度稍微有点偏差，容易伤到钢绞线，使得拔除的时候钢绞线拔断，所以采用此种方法很难保证锚索完全拔除。如果盾构掘进范围内有钢绞线残留，以盾构本身的刀具是很难切断的，必将影响盾构正常施工。经组织专家多次会议研究，决定在常见的锚索拔除方法中加以改进，采用以下方法进行施工。 经过详细的方案比选及相关的技术论证后，决定对西山城投商务楼基坑侵入区间右线隧道的锚索采用直接拔除的方法，即采用MDL-120D1钻机配合，千斤顶对锚索进行拔除。拔除锚索的具体步骤如下：场地平整破除锚索位置腰梁（长度80cm）及四周的混凝土钻机进场，锚索周边钻4个孔，孔深超锚索设计长度1m腰梁位置安装反力装置I22b（长度1.2m）试拔后确定最佳的油压参数安装油压千斤顶并固定须拔除的锚索锚索拔除并记录拔出锚索的长度拔出一定锚索长度，卸力后剪断重新拔除，直至拔除锚索长度符合锚索设计长度移开千斤顶后对锚索周边4个孔洞注浆封堵，注满为止腰梁混凝土回填按以上步骤拔除所有锚索后机械材料清场。 3.4.1 混凝土腰梁及周边混凝土的破除 锚索预应力卸荷后采用人工用风镐对锚索周边的混凝土进行破除，破除的混凝土腰梁宽为0.75m，高度为0.6m。 3.4.2 钻孔 在待拔除锚索四周进行钻孔，钻孔数量4个且孔洞均匀布置在锚索四周。钻孔是拔锚索施工过程中的关键工序，目的是为了减小拔除锚索时与周边土体的锚固力及摩擦力，从而使锚索能更容易拔除，钻孔机械使用MDL-120D1履带型钻机进行钻孔。钻孔前要先调整钻机的入射角度与原锚索基本一致（大约25），钻孔深度要超出锚索设计长度1m左右。钻孔过程中通过钻机本身的气、水系统对锚索周边的土体进行旋喷切割，使锚索与周边土体分离，降低锚索与周边土体的锚固力与摩擦力。锚索拔除完成后及时地对钻孔采用水泥砂浆灌注封孔。下图为钻孔位置示意图： 钻孔位置示意图 3.4.3 安装反力装置 在要拔除的锚索上、下两侧安装长为1.2m型号为22b的工字钢，工字钢锚索锚索拔除过程中提供支撑反力的作用。 3.4.4 锚索拔除 根据锚索试拔过程的施工参数，开始进行锚索拔除施工，具体操作如下： 步骤一：检查各施工机械是否完好，各项指标是否符合标准。 步骤二：装上支架、将千斤顶固定在安装的工字钢上。用夹具将锚索端头与千斤顶连接牢固后，开始实施锚索拔除工序。 步骤三：锚索拔除过程中，拉拔力须缓慢、逐步地增加，循序渐进，当锚索有松动的现象时，注意保持拉拔力的平衡，避免发生锚索断裂的现象。 步骤四：当锚索拔出来时在拔除到一定距离后，切断一段，保证工作空间。然后再重复以上步骤。 3.4.5 注浆充填 每一根锚索拔除工作完成后，要及时用水泥砂浆对孔洞进行充填。充填时先用压缩空气吹干净孔洞里面的泥屑，如果孔洞里面有水，必须用水泥浆把水置换出来。注浆时必须把注浆管插入到孔底，直到水泥浆冒出孔口为止，然后在孔口进行封堵后注浆。 3.5锚索拔除数据分析 2012年8月10日在基坑边选取了1根锚索进行试拔，试拔一次成功，千斤顶使用的油压由30Mpa逐级递减（每次减小13Mpa），每次拔出的锚索长度为1518cm，直至锚索全部拔出，拔除最后一节锚索的终压约为2 Mpa。经过与西山城投商务楼业主协调，于2012年9月15日正式进场进行拔除，于2012年10月15日拔除完成，总共拔除52根锚索，拔除的锚索实际长度与设计长度基本吻合，千斤顶油压的控制严格按试拔的参数进行控制与微调。 4 锚索拔除后盾构通过该段掘进情况 4.1盾构通过该段掘进情况 西山城投商务楼侵入隧道的锚索拔除完成后，盾构机于2012年10月28日进入锚索区域，于2012年11月04日完成锚索区域的掘进工作，盾构机在锚索段掘进的期间从其出土（出土位置：螺旋机出口）的情况来看，未发现明显的残余钢绞线。盾构机掘进的主要参数为：推力，9000KN-11000KN；刀盘扭矩1300KNM -1500KNM；刀盘转速：1.3r/min-1.5 r/min；刀盘温度：35-