08-盾构隧道穿越风貌建筑物施工技术

57盾构隧道穿越风貌建筑群施工技术摘要：以天津地铁2号线东南角至建国道盾构隧道穿百年越意式风情区建筑群为背景,分析和总结穿越过程中的盾构主要施工参数:土仓压力、推进速度和同步注浆量。通过实践证明:穿越段土仓压力的设置宜取为静止土压的1.16～1.24倍,推进速度应保持在25mm～30mm/min匀速通过,同步注浆率需达到275%左右、二次注浆的及时性。结合建筑物沉降监测数据表明,合理的施工参数,完全能够保证穿越建筑物的施工安全。关键词：盾构穿越百年风貌建筑物施工参数沉降控制1前言目前地铁隧道普遍采用盾构法修建,因为该方法不需要地面开挖施工,对周边交通、环境及建筑物影响较小,安全性高。但由于该施工方法在施工过程中会不可避免地扰动土体,必然会造成隧道周边围岩不同程度的变形。这种变形和沉降超过一定的值,就会造成建筑物的损毁,并可能发生事故。因此,做好盾构施工时有关参数的控制及有关的控制工作,避免建筑物过多沉降和变形,防止事故发生,就显得非常重要。2工程背景本工程位于天津地铁2号线东南角站至建国道站盾构区间，区间隧道外径6.2m，内径5.5m，管片拼装衬砌为单洞圆形隧道，采用错缝拼装，使用M30弯螺栓连接管片，环宽1.2m，管片混凝土为C50，S10。区间隧道在意式风情住宅区下方穿过，地面多为2～4层旧式住宅、办公用房。据调查，旧式房屋多为浅基础或地下一层地下室，18栋建筑物中有建行大厦、津门一串、河北人大、曹锟久居、老干部休养所等8所建筑处于曲线半径为400m范围内。意式风情区内比较重要的建筑物有河北区人大、曹锟旧居、胜利路399号、汤玉麟旧居、华世奎故居等，风貌建筑物的建设的年代在20世20年代左右。在穿越建筑群过程中隧道主要穿越⑦1粉质粘土，⑦2粉土⑦3粘土。58图2-1盾构穿越风貌建筑群平面图图2-2盾构穿越地质剖面图3盾构掘进参数的确定盾构作为目前地铁隧道施工比较成熟的施工工艺，其整个施工过程中，在充分利用盾构本身性能的前提下，施工的质量是通过盾构的相关参数来控制的,主要的控制参数包括土仓压力、盾构推进速度、同步注浆参数等。593.1土仓压力值的控制土仓压力是一个能综合反应地层情况、掘进速度、出土速度之间相互关系的关键参数，因此必须慎重选择，并在施工过程中依据监测结果及时调整。盾构在掘进过程中据此取得平衡压力的设定值，具体施工时根据盾构所在位置的埋深、土层状况及地表监测结果进行调整。土仓压力值的设定直接控制对地层变形,根据经验一般设定为理论值(静止土压+水压)的105%~115，但由于各土层性质差异,需对该系数进行适当的修正。表3-1地表隆陷与工作面稳定关系以及相应对策表地表沉降信息工作面状态P与PO关系措施与对策备注下沉超过基准值工作面坍塌与失水Pmax＜Po增大P值Pmax、Pmin分别表示P的最大峰值和最小峰值隆起超过基准值支撑土压力过大，土仓内水进入土层Pmin＞Po减小P值根据盾构施工经验,盾构土仓压力设定值满足以下要求：根据土体静压力公式P=K0×γ×z=0.6×18×23.5=0.25MPa（以穿越河北区人大为例）。P:平衡压力（包括地下水）γ：土体的平均重度（KN/m3）h：隧道埋深（m）k0：土的侧向静止平衡压力系数算出侧向压力系数K0，然后根据穿越区域盾构覆土深度和建筑物自重来计算此区域内的设定土压力P。同时考虑现场的实际情况，进入建筑群前通过监测找出最佳的土仓压力，保证掘进前方土体隆起1-2mm。根据目前已完的施工参数来看，穿越建筑物的土压值为0.29~0.31MPa之间，基本为计算理论土压0.25MPa的1.16~1.24倍。此时穿越盾构穿越民居时适当增大土仓压力,可减小开挖引起的地表沉降,相应可减小地面建筑物的变形。因此,在盾构穿越过程中土仓压力设置为静止土压的1.16~1.24倍。结合监测情况，以河北区人大房屋为例：60图3-1盾构穿越河北区人大办公楼地质剖面图图3-2河北区人大办公楼监测点布置图当盾构机刀盘位置距建筑物还有10环（每环1.2m）的时候开始监测，监测点基本处于开始隆起的状态，监测数据见下表：61表3-2刀盘距建筑物10环处沉降监测数据表当盾构机刀盘位置距建筑物还有2环（每环1.2m）的时候监测数据见下表：表3-3刀盘距建筑物2环处沉降监测数据表表3-4盾构完全穿越建筑物30环处沉降监测数据表从监测数据可以看出合理的选择土仓压力，在盾构机到达建筑物前，建筑物会有一定量的隆起，隆起值控制在1mm左右；等盾构机完全通过后，建筑物总的沉降控制效果比较理想。土仓压力控制采取以下两种操作模式：（1）通过螺旋输送机来控制排土量的模式：即通过土压传感器检测，改变螺旋输送机的转速控制排土量，以维持开挖面土压稳定的控制模式。此时盾构的推进速度人工事先给定。（2）通过推进速度来控制进土量的模式：即通过土压传感器检测来控制盾构千斤顶62的推进速度，以维持开挖面土压稳定的控制模式。此时螺旋输送机的转速人工事先给定。掘进过程中根据需要可以不断转化控制模式，以保证开挖面的稳定。小松盾构机有自动土压模式和手动土压模式，在穿越过程中选用自动土压模式进行掘进，可以把土压波动控制在设定值的0.02MPa，3.2推进速度的控制穿越区推进速度的选取,并不是单一因素的确定,而是与刀盘转速、盾构机推力、扭矩、螺旋输送机转速等多个控制参数有关,甚至与线路条件、地质条件等有关。穿越建筑物时,推进速度是快还是慢才对上部建筑物有利,尚无定论。但在穿越过程中保持推进速度的稳定,避免波动过大,就可降低施工风险。推进速度的确定,不能简单参照其他穿越工程的经验,必须根据本工程所处地层条件、线路条件及盾构机性能而定。为得到合理的推进速度,在盾构穿越建筑物前选取一定长度(近100环)作为试验段。该试验段内将推进速度保持在2.5~3.0cm/min。观测该试验段内盾构推进过后地表的沉降,如图3所示。图3-3试验段地表沉降通过试验段推进发现,当盾构推进速度保持在2.0~3.0cm/min掘进时,地表沉降较小,在可控范围内。因此,确定盾构隧道穿越建筑物过程中,推进速度应尽量保持在2.5cm/min,以匀速通过。3.3同步注浆量及施工质量的控制同步注浆量理论上为衬砌和周围地层之间的空隙体积。本工程中,刀盘外轮廓直径为6.36m,管片外径为6.20m,理论上每环空隙体积为1.89m3。考虑到施工中必然存在的超挖量以及浆液流失等因素,实际注浆量常采用理论计算值的1.4至2.0倍。但是，根据类似工程的施工经验1.4至2.0倍的注入量不够，并且考虑到本工程所处于百年风貌建筑群区域，其保护意义重大。经过对已完穿越意式风情区风貌建筑的200环注浆量的统计数据63图3-4某200环盾构同步注浆量通过上面的数据分析可以得出注入率基本（实际注入量/理论空隙）在275%左右时，建筑物的沉降控制在比较好的状态，在实际操作过程中，同步注浆量要及时和监测数据进行结合，参考摸索出来的注入率施工，但要防止注入量的过大对房屋隆起的影响。盾构施工中同步注浆的主要目的是为了防止地层变形，同步注浆效果的好坏取决于三个关键因素：浆液充填性；浆液早期固结强度；浆液流失率大小。为了保证满足三个关键因素的要求，必须控制合理的浆液材料和注浆参数。1、注浆材料及配比设计（1）注浆材料采用水泥砂浆作为同步注浆材料，该浆材具有结石率高、结石体强度高、耐久性好和能防止地下水浸析的特点。水泥采用42.5抗硫酸盐水泥，以提高注浆结石体的耐腐蚀性，使管片处在耐腐蚀注浆结石体的包裹内，减弱地下水对管片混凝土的腐蚀。（2）浆液配比及主要物理力学指标根据盾构施工经验，同步注浆拟采用表所示的配比。在施工中，根据地层条件、地下水情况及周边条件等，通过现场试验优化确定。同步注浆浆液的主要配比及物理学性能指标如下表：表3-5同步注浆浆液配合比注浆方式水泥细砂粉煤灰膨润土水玻璃性能指标稠度(cm)比重(g/cm3)1天抗压MPa28天抗压MPa同步注浆1.56.541/9～111.80.21.01）胶凝时间：一般为3h左右，根据地层条件和掘进速度，通过现场试验加入促凝剂64及变更配比来调整胶凝时间。对于强透水地层和需要注浆提供较高的早期强度的地段，可通过现场试验进一步调整配比和加入早强剂，进一步缩短胶凝时间。2）固结体强度：一天不小于0.2MPa，28天不小于1.0MPa。3）浆液结石率：95%，即固结收缩率5%。4）浆液稠度：9～11cm3.4二次注浆施工的控制因为同步注浆浆液在注入的过程中，地质的不同存在浆液渗透系数的差异，并在其凝固的过程中浆液发生收缩，就造成盾构施工通过建筑物后，出现建筑物的后期沉降现象。一定程度上为减小盾构通过后房屋的后期沉降,在下穿房屋段的隧道内进行了二次注浆,通过每环6个注浆孔进行压注,每两环进行一遍二次注浆。二次注浆在管片脱离盾尾5-8环后进行。盾构施工过程中要保持持续注浆，注浆设备要做到随车，能够随机注浆，二次注浆在过风貌建筑特殊部位时要遵循“及时、少量多次”的原则。表3-6双液浆配合比表（1m3浆液）A液（1000L）B液（100L）水泥膨润土缓凝剂水水玻璃水800Kg200Kg5.0Kg800L70L30L浆液胶凝时间为9～11秒，其强度1小时达0.06Mpa，3小时达0.10Mpa，28天达2.3Mpa。注入速率：注入速率控制在20～30L/min。注入压力：注入压力0.4～0.8Mpa，并以地面监测数据为指导。4盾构区间施工引起的建筑物沉降盾构推进阶段以及推进过后,应对地表隆沉、房屋沉降情况进行监测。测点布置如图7所示。对监测数据的整理,得到盾构到达时刀盘前方土体的隆沉情况以及盾构推进过后地表和建筑物的沉降情况。现选取建筑物的典型监测点,分析该点位在盾构施工过程中随时间的变化过程。65图4-1房屋监测点布设图4.1盾构刀盘前方的隆沉由监测数据可以发现,刀盘前方始终保持有0.8~2.3mm的隆起量(见图8)。这在一定程度上有利于保护建筑物。图4-2盾构刀盘前方隆起量4.2盾构推进过后的沉降盾构推进过后,地表发生沉降。整理得到盾构通过后1天、2天、3天、10天、15天的地表沉降单日变化量,如图9所示。对数据进行分析可以发现,盾构推进过后1-3天的沉降速率较大；当通过后10-15天，沉降仍让存在，但是沉降的熟虑已经很小，建筑物的沉降基66本稳定，后期的沉降不会太大。图4-3盾构通过后不同时长沉降速率5结束语通过经验和理论计算，并结合对施工实际数据的分析,研究了盾构隧道穿越成片风貌建筑物过程中盾构主要施工参数的取值和控制,并且结合监测数据分析盾构穿越施工的效果。主要得到以下结论:1)天津地区盾构隧道穿越既有建筑物施工时,需合理选取施工参数:土仓压力宜取为静止土压力的1.16～1.24倍；推进速度取2.5～3.0cm/min,且匀速通过；同步注浆率取275%左右。2)盾构穿越既有建筑物时,除选取合理施工参数外,还需采取相应辅助措施。即采用可硬性浆液作为同步注浆材料。对穿越段采用双液浆进行二次注浆,有助于减小建筑物沉降。3)盾构机通过建筑物下方后3天内,建筑物沉降变化速率较快,10～15天后趋于稳定。