穿越高速公路输水工程中盾构法的应用

王剑峰

(北京市自来水集团有限责任公司基建工程管理部,北京100011)

1 工程概况

团城湖至第九水厂输水工程是北京市南水北调配套工程的重要组成部分,其主要任务为实现向第九水厂输送南水北调及河北四座水库来水。工程自南水北调总干渠团城湖明渠左岸取水,通过引水管涵(或渠道)进入团城湖调节池,经团城湖调节池调节后分别为第九水厂、田村山水厂、城子水厂等用水户供水。

输水隧洞采用盾构法施工,圆形断面,盾构设备选用目前数量较多的DN6.14及DN6.28盾构机,输水隧洞建成后内径为4.7 m。盾构隧道在桩号7+212～7+288处穿越八达岭高速公路,穿越距离约为80 m。此处隧道埋深约为12.5 m左右。

八达岭高速(京昌路)是北京市向北的管线走廊之一,地下管线密集,覆土深浅不一,修建时间有早有晚,管线种类繁多,又接近桥台位置,重要程度不言而喻。盾构穿越高速一是保证路面下沉控制在一定的范围内,二是保证地下管线的安全。

2 工程地质及水文地质条件

输水管线穿越段在地面以下30 m深度范围内的地层主要为人工堆积层、第四纪沉积层。根据工程区勘察深度范围内的岩土特征,工程区地质结构为土砂砾多元结构,上部为粘性土(杂填土、砂质粉土),中部为砂层(中细砂)及圆砾层,下部为粘性土(粉质粘土、粘质粉土)、圆砾、粉质粘土层。三层分布较为均匀,在力学分析时简化处理,按均布取值,即每层为10 m。

根据各土体原位测试及室内土工试验的结果,按照有关规范规程及工程地质手册,结合工程类比法,提出各层岩土的主要物理力学指标建议值参见表1。

表1 各土层主要技术参数建议值表

根据《建筑抗震设计规范》(GB50011-2001),拟建场地抗震设防烈度为8度,设计基本地震加速度0.20g,设计地震分组为第一组。根据本次勘探孔地层资料估算,拟建场地地表以下20 m深度内地层等效剪切波速值Vse=210 m/s,建筑场地类别为Ⅲ类。根据勘探孔液化判别结果,拟建场地地基土在地震烈度为8度,地下水位埋深1.0 m情况下,场地地基土均不液化。

勘察期间,场地勘探深度内(最大深度30.0 m)揭露两层地下水,地下水类型分别为潜水和承压水。潜水埋深约5.70 m～6.30m,地下水位高程约34.71 m～34.09 m;承压水顶板高程23.41 m～23.59 m,承压水头7.30 m左右。

根据抽水试验成果可知,潜水含水层圆砾层的渗透系数K=50 m/d～60 m/d左右,承压水圆砾层的渗透系数K=60 m/d～80 m/d左右。根据历史水位及水环境演化趋势以及场地地下水位现状情况,结合本工程特点,建议抗浮水位标高按自然地面下3.0 m考虑,防渗设计水位按自然地表考虑[1]。

3 穿越八达岭高速路施工力学机理分析

地质条件如前所述。建立计算模型,确定计算范围为:上至地面,下至地面以下28 m处,横向取风道中线两侧各50 m,纵向考虑到70°斜交的高速公路(宽76 m),故取112 m。根据以上情况进行网格剖分,计算采用FLAC3D程序进行模拟。计算模型网格如图1所示,共划分单元10 360个,节点总数11 775个。

公路车辆荷载按20 kPa考虑[2],地层压力,初始应力场由自重产生。在计算过程中,模型侧面和底面为位移边界,侧面限制水平位移,底部限制垂直移动,模型顶面为地面,取为自由面。图2为地层竖向位移计算云图。

图2 地层竖向位移云图

沉降点沿公路中心线布置,横向范围100 m,每5 m(x坐标增量)设置一个取值点,隧道上方加密,2.5 m一个取值点。最大沉降在公路和隧道中心线交点。盾构隧道掘进在地表引起的沉降槽分布曲线见图3。

计算表明,盾构隧道掘进引起的地表最大沉降15.43 mm。

图3 地表沉降曲线图(沿公路中心线)

4 穿越八达岭高速路措施

为了保证施工安全和公路正常运营,必须采取有效的工程措施严格控制沉降,保证掌子面稳定,及时壁后注浆和及时、准确沉降预测才能使整个推进过程在可控的范围内进行。

4.1 盾构隧道内注浆加固措施

针对盾构穿越的工程特点,结合数值分析与理论解析的结果,在穿越八达岭采用盾构隧道内注浆加固措施[3-4]。

盾构施工不可避免的要扰动周围土体,引起地面的隆起或沉降可以采取在洞内预留注浆孔的方式,在盾构机头过一段后,及时对隧道上方土体进行深孔注浆,挤密、劈裂受扰动的土体,有效地控制地面的最终变形,使穿越物的最终沉降控制在设计允许的范围内。

盾构施工对地面沉降能够有效的控制,但是其对地面不可能没有影响,沉降量也不可能为零,为确保盾构施工过后沉降的控制,使其不影响使用功能,在盾构施工时有必要在洞内采取管片新增注浆孔的措施,新增注浆孔内径84 mm,每环2～3个,方向基本向上,其作用可以在盾构台车过后,通过钻孔,埋管,在洞内进行较高压力注浆,对基础土体进行微量顶升、加固。控制盾构过后的后期沉降,恢复基础的前期沉降。管片预留孔洞位置详见图4。

在盾构穿越段的洞内,预留注浆孔的尺寸范围应是穿越物的3倍大小。洞内注浆采用深孔双重管注浆法,以便确保注浆压力与效果[5]。浆液采用水泥水玻璃双液浆,比例1∶1,其中水泥浆水灰比1∶1,成孔深度6 m,注入率25%。在盾构机头过去约30 m开始深孔注浆。注浆时每次注入量以地面的变化为依据,采取多次补注的方式,每次注完对管路要进行清洗,防止堵塞,以备下次再用。

图4 管片注浆空孔位置示意图

4.2 提前进行地面雷达探测并严格保证施工的连续性

在穿越前提前进行地面雷达探测,主要探测地下管线位置、埋深和地下孔洞情况,发现问题及时处理 、解决 。

做好各种保障,其中物质保障包括:管片储备与供应、注浆材料的水泥、水玻璃、膨润土、发泡剂、道轨、枕木等;设备保障包括:盾构设备本身的良好状态,施工现场的龙门吊、电瓶车、充电机等设备的完好性与良好工作状态,电闸箱等供电设施的安全与稳定。

在此基础上,严格保证穿越过程匀速、连续性,确保在桥区附近不停机。

4.3 严格控制掘进土压力、掘进速度和出土量

根据本工程穿越地点盾构隧道覆土深度和地质情况,确定土压为0.1 MPa。施工过程中精确控制土压,土压升高或降低对地面建筑物都是不利的,容易造成地面的隆起和沉降,所以在掘进过程中要严格保持掘进面的土压稳定[5]。

控制掘进速度为25 mm/min～30 mm/min,确保盾构比较匀速地穿越过轨段,同时保证刀盘对土体进行充分切削;根据盾构招标设计图纸,盾构每环的掘进长度为1.2 m,掘进每环的原状土计算量为35 m3。根据我公司实际盾构施工经验和本段的土质情况,再考虑加入的泥浆泡沫及土的膨胀系数,即每环需运输土方量为45 m3。在盾构出土时严格控制出土量,在每个土斗标注刻度,使每环出土量均在控制范围内,严禁多出。

4.4 盾构机壳外注浆减阻措施

盾构推进过程中,在一般情况下正常推进即可,在穿越路段为减小盾构机壳和周围土体的摩擦力,减小盾构机壳对土体的扰动,减小后期土体的固结沉降,在本段采取向机壳外注高浓度膨润土浆,使盾构机壳和土体之间保持润滑。盾构机壳上共六个注浆孔,每个孔位每环注入泥浆100 L。

4.5 严格控制盾尾同步注浆

在盾构常规段施工,采用注入水泥+粉煤灰浆液,为加快浆液的凝固时间,在盾构穿越段同步注浆改为水泥+活性水玻璃双液浆,使浆液凝固时间缩短到15 s～25 s,尽最大程度减少由于浆液凝固时间造成的沉降和浆液损失[7]。

在盾构常规段同步注浆采用注浆量控制即可满足地面沉降要求,在穿越路段同步注浆时采用双控措施,以注浆压力控制为主,注浆量控制为辅,确保浆液的饱满。

在穿越段,为确保盾尾密封良好,保证同步注浆效果,盾尾密封油脂加入量增加2倍,保证不漏水,不漏浆。

在双液注浆时做好防堵措施:

(1)盾构机具有两套输送浆液的管路,平时只需要一套管路,另一套留做备用;

(2)开始注浆时,要先注A液,当注入量达到150 L时再开始注入B液;

(3)在停止注浆时,要先停B液,待A液继续注入150 L时再停止A液;

(4)每次注浆完毕,都要对管路进行冲洗,冲洗包括混合管、A液注入管、回水管。每个作业队交接班前要对管路进行一次彻底的冲洗。

4.6 严格控制二次补注浆和盾构掘进轴线

在盾构常规段以盾尾同步注浆即可满足沉降控制的要求,为保证沉降控制效果,在穿越路段对已完成结构外侧二次补注浆进行加强补浆,控制地面的后期沉降[8]。二次补注浆采用后方注浆方式,即在后几环注浆孔进行壁后注浆,注浆量一般控制在1.5 m3,注浆压力一般控制在0.3 MPa～0.35MPa。

盾构轴线的控制是盾构工法的重点,是保证盾构顺利施工的重要因素。掘进时必须注意以下几个方面:

(1)控制好掘进的技术参数,如土压、推速等。当土压过低时,不仅容易造成地层的沉降,而且对盾构轴线的控制也有影响,容易造成盾构下沉;另外注浆的位置及压力,注浆压力过大一方面对地层的扰动较大,另一方面也会使得盾构向注浆位置的反方向移动,不利于盾构的轴线控制;

(2)正确进行盾构千斤顶的编组及分区油压的控制,推进时对千斤顶选择的正确与否直接关系到盾构轴线的轨迹,在盾构轴线控制一节里,针对各种不同盾构轴线位置详细的列出了千斤顶编组及分区油压控制对盾构轴线控制的作用;

(3)合理使用盾构的铰接装置,当盾构偏离隧道设计轴线较多、盾构进行小半径曲线施工时或者盾构姿态极差时(见前面对盾构姿态的描述),通过调整千斤顶的编组与选择及分区油压控制都较难以达到目的时,可通过开启盾构铰接装置,具体的操作为:根据盾构的偏离程度计算盾构中折每一步的转折角度,先开启盾构的仿形刀进行超挖施工,超挖的长度一般为盾构的半个到一个盾构机身的长度,然后根据计算调整盾构的中折装置,再辅以千斤顶编组及分区油压控制,进行掘进施工,推进时根据盾构姿态的测量数据随时调整中折角度,直到盾构回到设计轴线上来。

5 结 论

通过对该工程的设计和施工,以及比较以往的理论研究和施工实践,可得到以下结论:

(1)在地下施工过程中,以往是对地层应力状态的一种破坏与重新稳定的过程,地层应力状态的改变将影响土体内的既有构筑物的变位,即导致结构产生位移和变形,同时也会对地表及周边环境造成一定影响。当这种变形和影响超出一定范围,必然对结构产生破坏,并影响到上方地表和临近建(构)筑物的安全使用。

(2)在文中,应对团城湖至第九水厂输水工程(一期)7+212～7+288段盾构穿越八达岭高速路施工对周边环境的影响进行有效的安全监测工作,通过对监控量测数据的分析处理,对可能发生的安全隐患或事故提供必要的预报,在施工中及时作出反应,从而进行有效控制,避免安全事故的发生。

(3)为确保工程顺利进行,对施工中可能遇到的风险点进行了深入排查,找出施工中需高度重视的问题,并制订相应处理措施,成立风险管理及应急事件处理机构,从组织落实、方案落实、人员落实、设备物资落实等全方位给以保证,确使其处于受控状态;此外还必须做到未雨绸缪,针对可能出现的事故,编制应急预案,以便在发生问题时各相关单位及人员能够及时有效地进行处理,将事故所造成的损失及不良影响降低到最低限度。

(4)在输水工程施工过程中,精心组织,严谨设计,才能确保施工的安全、有序进行,高质量的完成输水工程穿越八达岭高速公路的工程目标。

[1]李 围,何 川.盾构隧道近接下穿地下大型结构施工影响研究[J].岩土工程学报,2006,28(10):1277-1282.

[2]孙 钧,刘洪洲.交叠隧道盾构法施工土体变形的三维数值模拟[J].同济大学学报,2002,30(4):379-385.

[3]朱合华,丁文其,李晓军.盾构隧道施工力学性态模拟及工程应用[J].土木工程学报,2000,33(3):98-103.

[4]杨 超,黄茂松,刘明蕴.隧道施工对临近桩基影响的三维数值分析[J].岩石力学与工程学报,2007,26(A01):2601-2607.

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