淺基建筑下的盾構施工技術

地鐵隧道穿越的技術難度隨著社會的快速發(fā)展和城市化進程的加快，地鐵建設已成為城市交通建設的大勢所趨。由于地鐵大都是建在繁華的市區(qū)中,地鐵隧道從地面建筑下穿越的情況就無法避免了,這就給地鐵隧道的施工帶來了一定程度的技術難度。福州地鐵某盾構區(qū)間出段線由新店車輛基地盾構始發(fā)井始發(fā),向東偏北方向穿過湯斜溪、湯斜村,沿線就經過村民住宅(淺基建筑),并且在穿越該民宅時遇到孤石。1段線工程特點福州地鐵某盾構區(qū)間出段線區(qū)間長649.1m,區(qū)間隧道覆土最大厚度23m,盾構段最小覆土厚度5.0m(距某溪流底部)?？v斷面為單向坡,出段線最大縱坡33.209‰,最小縱坡13‰。在里程CDK1+623~CDK1+576范圍內穿越村民住宅,民房結構為磚混結構和土房子,年代已久,且房屋基礎為條石基礎,結構穩(wěn)定性差(見圖1)。盾構在此民房區(qū)范圍內覆土深度為11.5m~12.8m,覆土深度淺。盾構穿越斷面地層以殘積土和全風化花崗巖為主,拱頂以上地層以雜填土、粉質黏性土、碎卵石為主,在穿越民房時突然遇到2處孤石,均位于隧道范圍內,且在隧道斷面的上部。3建造房屋走廊的設備連接3.1盾構掘進過程中的技術難題在盾構法隧道施工過程中,可能遇到隨機分布的孤石,且孤石形狀大小各異、強度不一,而基巖使隧道內巖土層軟硬不均。在這類地層中掘進效率低,刀盤刀具磨損嚴重,易產生卡刀、斜刀、掉刀、刀具偏磨、線路偏移等,處理起來速度比較慢,嚴重影響施工進度,有的甚至因施工無法進展而不得不變更設計,花費成本較高,經濟效益差;怎樣處理好盾構掘進過程中所遇到的球狀花崗巖和基巖突起,是盾構施工過程中的技術難題。同時在民房區(qū)穿越極易對上部的民房地基造成擾動,導致民房變形開裂等現(xiàn)象。3.2盾構機掘進方向因為各種原因,本區(qū)段盾構機只在刀盤邊緣裝配有8把滾刀,掘進時若碰到孤石,靠邊緣的8把滾刀較難將孤石破碎。若孤石不破碎,盾構機掘進時,孤石會在刀盤前方隨著盾構機掘進方向移動,對地層造成很大的擾動。此外,對盾構機刀盤的主軸承、刀盤的鋼結構產生傷害,對刀具產生破壞,盾構機的掘進姿態(tài)很難控制,因此對掘進過程的技術控制提出了很高的要求。3.3掘進過程中孤石的反應盾構機在里程CDK1+623處掘進過程中遇到孤石,民房振動厲害,民房窗戶及鐵門嗡嗡作響,盾構推力以1300t~1500t進行掘進,扭矩變化范圍大,最大達到2400knm,盾構掘進速度為1cm/min,地面上能聽到刀盤轉動碰到孤石時發(fā)生的間歇性的振動及聲響。在里程CDK1+571處掘進過程中遇到孤石,初步判斷孤石存在于隧道的上部,總推力在1500t左右,掘進速度和貫入度瞬間變?yōu)榱?刀盤扭矩瞬間增大,刀盤出現(xiàn)急停,而且在之后的空轉(正、反)刀盤時,從刀盤傳出較大的響動,盾構機也有明顯的抖動,一開始推進刀盤扭矩就瞬間增大且推進速度為零?，F(xiàn)場從螺旋機皮帶上取出孤石的巖樣為花崗巖,且強度可達到100~130MPa(見圖2)。4結構裝置用于穿過住宅區(qū)域的技術措施根據(jù)以上盾構機的工作參數(shù)、地表情況和出渣試樣等,準確地判斷了在該位置盾構機掘進遇到孤石,及時采取措施:4.1土壓平衡壓力值的設定由于刀盤對土體的推力不同,在土倉內產生的土壓力不同,土體中的側向土壓力的方向與大小也在不斷的發(fā)生著變化。被動土壓力和主動土壓力是側向土壓力的最大和最小的極限值。當盾構機刀盤前方的土壓力大于被動土壓力,土體被向盾構機移動,地面隆起。當盾構機刀盤前方的土壓力小于主動土壓力時,土體向下滑動,可能引起地層和地面的沉降。因此,正面平衡壓力值的設定是土壓平衡式盾構機施工的關鍵,掘進過程中應嚴格控制土倉壓力,盡量保持土壓平衡。土倉壓力理論計算應根據(jù)地下水情況、土層重度、埋深等常規(guī)參數(shù),計算盾構機正面平衡壓力為1.3Mpa,實地穿越過程中,結合以往的施工經驗,水文地質和監(jiān)測報表數(shù)據(jù),讓土倉壓力維持在1.8Bar以上,出少量的土同時注入膨潤土進行土倉保壓和潤滑,防止前方掌子面土體坍塌和盾構機下沉,注膨潤土保壓同時能有效減少刀盤和硬巖的摩擦從而降低刀盤扭矩并起到保護刀具的作用。4.2橫向地表及地面建筑物監(jiān)測盾構隧道區(qū)間地表沉降監(jiān)測點布設在盾構始發(fā)體段90m范圍內縱向沿盾構推進軸線間隔30m布設一個監(jiān)測斷面,其余60m設個監(jiān)測斷面,每個斷面的橫向監(jiān)測點布設在地鐵線路中線結兩側30m范圍內。每排橫向地表測點10個:每條盾構中心線上各布置1點,每條中心線左右3m各設一點,距出段線中心線左9m、15m各設1點,距入段線中心線右9m、15m各設1點。隧道軸線外側30m范圍內的地面建筑物為沉降監(jiān)測對象。在居民樓外墻基礎上30cm位置敏感部位或每隔5~8m布設一個沉降監(jiān)測點?？紤]建筑物建造年代久遠、基礎構造埋深淺、結構類型簡單和局部存在裂縫等現(xiàn)狀,為防止不均勻沉降產生不良后果,將軸線監(jiān)測點累計變形報警值設定為±30mm,建筑物監(jiān)測點單次變形報警值設定為±3mm。加強地面沉降監(jiān)測,及時跟蹤監(jiān)測,每天早晚各進行一次監(jiān)測,發(fā)現(xiàn)變形超限及時采取措施進行處理。4.3壓力值盾構掘進的速度主要受盾構設備進出土速度的限制,若進出土速度不協(xié)調,極易出現(xiàn)正面土體失穩(wěn)和地表沉降等不良現(xiàn)象;出土量的多少、快慢與設定的土壓力值密切相關。根據(jù)以往盾構掘進經驗和試驗段收集的施工參數(shù),設定盾構穿越建筑物期間的正常速度控制在10mm/min以內,嚴格控制出土量在45m3/環(huán)左右(管片內、外直徑分別為Φ5500mm和Φ6200mm,管片厚度350mm,寬度1200mm,盾構機外徑64400mm)。在盾構穿越建筑物過程中,嚴格控制出土量,做到進尺量與出土量平衡,在此速度下保證盾構機均衡、勻速、連續(xù)推進,嚴禁盾構機無故停滯。4.4通插裝式石渣置換法在穿越民房時遇到孤石時嚴格按照慢中求穩(wěn)進行,先低速空轉刀盤,在確定刀盤扭矩小且穩(wěn)定情況下逐步往上加,現(xiàn)場實際中當?shù)侗P轉速加至0.5轉時開始推進,推力也慢慢逐步往上加,當推力加至1370t時,推進速度在0mm/min和1mm/min,刀盤扭矩在500kN到1000kN之間來回波動,隨后調大刀盤轉速至0.7轉,推進速度最大能出現(xiàn)2mm/min,且刀盤扭矩沒有大幅度增大,之后慢慢調大推力至1400-1500t并把刀盤轉速調至1.0轉,在此期間內推進速度在0-5mm/min之間波動,保證刀盤正常運轉,盾構不停機。通過分析初步判斷是由于艙內填滿石渣,在1500t左右的推力下,整個艙內摩擦阻力太大,采取了拌制膨潤土對土艙內的石渣進行置換,通過40分鐘的置換,土艙內的石渣陸續(xù)得以置換,掘進速度在10~50mm/min內來回波動,速度明顯提高,最后穩(wěn)定在20~30mm/min,正常進行掘進。通過膨潤土置換,改善了土艙內刀盤的摩擦阻力,提高了掘進速度,取得了較好的效果。4.5同步注漿與掘進合尺度控制保持土壓平衡和嚴格控制同步注漿質量是確保地面、建筑物沉降的重要措施?？紤]盾構同步注漿后漿液失水固結、盾構推進開挖斷面大于管片外徑、部分漿液需劈裂到周圍地層的影響,采用理論計算值的150%~200%進行同步注漿,同步注漿應在確保漿液質量的前提下,嚴格控制注漿壓力和注漿量雙平衡,即注漿壓力與水土壓力平衡,注漿量與掘進進尺平衡。考慮以上因素,在穿越房屋期間,同步注漿量控制在4.0~5.5m3/環(huán),注漿壓力根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)動態(tài)調整在2.5~3bar。由于盾構推進時同步注漿的漿液在填補建筑空隙時可能會存在一定間隙,且漿液的收縮變形也存在地面沉降的隱患,因此在隧道掘進的同時,后面同步進行二次壁后注漿。在管片脫出盾尾5環(huán)后,對管片的建筑空隙進行二次注漿。漿液通過管片的注漿孔注入地層,并在施工時采取推進和注漿聯(lián)動方式。注漿未達到要求,盾構暫停推進,以防止土體變形。根據(jù)施工中的變形監(jiān)測情況,隨時調整注漿量及注漿參數(shù),壁后二次注漿根據(jù)地面監(jiān)測情況隨時調整,從而使地層變形量減至最小。注漿按“少量多次”的原則,特別是盾構穿越該民房區(qū)域,確保注漿的飽滿度,控制建筑物的沉降在允許范圍內。