浅议临近保护建筑物端头井盾构进出洞口土体加固方案和工法的选择

徐 钧

(上海电力通信有限公司, 上海 200336)

0 引 言

随着地铁工程如火如荼地在全国各地开展,盾构施工技术也被大力推广.盾构施工可以根据不同地质条件,采用相适应的方法构造复杂的盾构机,通过计算机精密控制,完成隧道建设工作.在盾构法隧道施工中,端头井盾构进出洞口土体加固是盾构机始发、到达工序的重要保障措施,是必须关注的危险源控制点之一.由于地下土体情况的复杂多变和打开端头井的未知性,质量欠佳的端头井盾构进出洞口土体加固会使得盾构进、出洞工作险象环生.因此选择端头井盾构进出洞口土体加固方案时除了加固效果、费用、工期外更应该关注方案与工程情况的匹配性.

1 工程概况

案例为轨道交通10号线陕西南路站-高安路站区间隧道,隧道工程采用装配式钢筋混凝土管片通缝拼装,内、外直径分别为5.5 m和6.2 m.使用的盾构机为直径6.34 m的两台土压平衡式小松盾构,盾构长8.6 m.盾构从陕西南路(南昌路)出发,往高安路方向推进,最终在高安路站东端头井盾构进洞程.端头井盾构进出洞口土体加固深度:17.666 m,进洞端加固宽度:25.4 m.

在拟加固的场地的东北侧为保护建筑林肯公寓,该公寓向北倾斜2.4%,向西倾斜0.8%,由于年代久远未能找到该建筑的建设单位、施工单位.在1941年11月曾对该建筑进行过改建,改建之后的林肯公寓为砖混结构,4层楼房,局部达到5层,面积为1 336 m2.在完成端头井盾构进出洞口土体加固工作之后,盾构隧道对其进行一次近距离下部穿越,所以为了保证盾构穿越时建筑的安全性,必须对严控本次端头井盾构进出洞口土体加固的质量,严格控制保护建筑的沉降.

在盾构加固之前,车站结构施工已经完成,端头井部分顶板已经封闭.同时因为端头井施工场地在道路中间,两侧道路车流量较大,且施工场地较小.道路主管部门要求施工时不得影响周边道路的正常使用.根据车站施工监测记录显示,在车站施工阶段,林肯公寓的沉降数据在控制范围内.

1.1 水文地质情况

根据表1及地质勘查报告看出,高安路端头井盾构进出洞口土体加固区域所处地质主要为①填土、②粉质粘土、③淤泥质粉质粘土、④淤泥质粘土、⑤1-1粘土.

表1 土层物理性质力学指标表

1.2 周边管线情况

在端头井南侧和东侧进洞加固区外2.5 m处有一根φ1 200的雨水管,临近加固区较近,施工时须注意沉降变化,控制变形量.其余管线相对加固距离较远.

2 端头井盾构进出洞口土体加固方案分析及选择

端头井盾构进出洞口土体加固工艺是利用水泥等其他材料改善盾构机进出洞的影响区域(通常为水平方向加固洞口边缘以外3 m,竖直方向加固洞口底部以下3 m至地面)内的土体止水性、土体强度、抗剪能力等性能的工艺方法.

本次端头井盾构进出洞口土体加固方案有如下选择范围:深层水泥土搅拌法(二轴搅拌桩机、三轴搅拌桩机)、高压旋喷桩(两重管、三重管)、SMW工法、冷冻法.各种加固方案在费用、加固效果、施工时间上都各有千秋,应根据工程实际情况选择最适合的方案.[1]

2.1 深层水泥土搅拌法

水泥土搅拌法是利用水泥等材料作为固化剂通过特制的搅拌机械,将地基软土和固化剂(浆液)强制搅拌,使软土硬结成具有整体性、水稳性和一定强度的水泥加固土.其施工工期较短,造价较为低廉.现有工程中,一般采用两轴搅拌桩机及三轴搅拌桩机.

2.1.1 两轴搅拌桩机

两轴搅拌桩机施工工期较短,经济效益较好.但其是加固深度较浅,上海地区一般加固最深为18～20 m.

2.1.2 三轴搅拌桩机

三轴搅拌桩机施工设备一般为进口钻机,对周边土体扰动小、施工工期短,加固范围深,但机械占地范围较大,进场费用较高.

2.2 旋转喷射注浆法

旋转喷射注浆法是利用钻机把带有特殊喷嘴的注浆管钻进至土层的预定位置后,用高压脉冲泵,将水泥浆液通过喷射装置,向四周以高速水平喷入土体,切削土体,使喷射范围内的土体遭受破坏,并徐徐搅拌提升,使土体与水泥浆液充分搅拌.其优点是设备简单,施工方便,所需施工场地较小.其工程造价较搅拌桩为高.

2.2.1 两重管旋转喷射注浆法

两重管旋转喷射注浆法施工时使用双通道二重注浆管,同时喷射出高压浆液和低压空气两种介质.缺点是:施工时会产生大量泥浆,对施工周边产生影响.并且土体扰动大,对周边建筑物变形影响较大.

2.2.2 三重管旋转喷射注浆法

三重管旋转喷射注浆法施工时使用分别输送水、气浆液3种不同介质的三重注浆管.与两重管法比较,其对土体扰动少,周边环境影响小.

2.3 SMW工法

SMW工法是在水泥土中插入型钢等钢等材料形成加筋水泥土墙.其中型钢承受弯矩和剪力,水泥作为止水防渗,对型钢还有围箍作用.其中H型钢可以回收,节约成本.但其所需要的施工场地较大,对硬土的加固效果有限.在型钢回收过程中如果拔断,会极大影响后续盾构进出洞工作.[2]

2.4 冷冻法施工

冷冻法施工时在洞口及加固区域内布设一定数量的冻结孔.用冷冻的手段将地层中的地下水冻结成冰,让下水不再流动,结冰后地层的强度大大提高.常用的冷冻液有液氮或者盐水两种.其施工安全可靠、对土体上部能够全面加固.其缺点也相对明显:费用高、周期长、对周边管线的影响较大,后续盾构推进容易因刀盘在加固区被冻结而处于危险状态.[3]

各类进洞方案比较见表2.

表2 端头井盾构进出洞口土体加固方案比较

2.5 端头井盾构进出洞口土体加固方案的选择

本工程场地位于淮海中路与高安路交界处,属于市中心地段.车流量大,管线较为复杂.从总平面图及现场查看情况来看,本次施工场地较为有限,周边临近建筑物较多,其中尤其是临近加固区东南方面的林肯公寓西侧的倾斜已经达到了2.4%,远远超过了0.7%的危房标准.在加固施工开始之前,已完成端头井结构部分、顶板封顶工作的施工,保护建筑的沉降数据在允许范围内.

综合工程技术要求、施工场地、周边环境及经济效益等因素对方案选择进行的分析如下:

首先,拟采用对周边建筑物影响较小的深层水泥土搅拌法施工,但因现场施工场地较小,无法满足搅拌法施工的工艺要求.同样,加固扰动较小的SMW工法的施工工艺对场地的要求也较大,现有场地无法满足,只能排除以上方案.

其次,两重管旋喷注浆法加固质量较好,但其在施工时产生大量泥浆且对周边土体产生大量扰动,会严重影响到周边道路的正常使用,对保护建筑的扰动也过大,无法满足施工要求.

再者,冷冻法施工,现场管线勘探显示加固区周边的管线过于靠近.冷冻法施工既会对该管线造成较大的影响.同时施工现场为闹市区,交通车流量较大,影响冷冻加固效果,不利于冷冻法加固施工的开展.再考虑到冷冻周期长、费用高,该方案也被排除.

最后,选用三重管旋转喷射注浆法施工.该方案对施工场地要求不高,泥浆外排要求可以满足,对周围土体的扰动也在可控范围内.同时该方案的施工重点是以控制周边建筑物沉降变形为主.为保障土体与端头井盾构进出洞口土体加固效果,在水泥搅拌桩与地下连续墙间500 mm的空隙采用φ1 100三重管旋喷桩的补加固,搭接300 mm.

3 三重管旋转喷射注浆法实施

3.1 三重管旋转喷射注浆法施工参数.

3.1.1 加固深度

高压旋喷桩加固标高范围:进洞加固段桩长为17.666 m,桩径φ1 100 mm搭接300 mm.加固深度及范围见图1.

3.1.2 水泥参量参数

图1 旋喷桩施工加固剖面

高压旋喷桩采用三重管法,水泥使用P.O 32.5级普硅水泥.加固区分为一、二两个区域,加固区一的高压旋喷桩水泥掺入量为450 kg/m3,加固区二的水泥掺入量为150 kg/m3.加固土体28 d单轴抗压强度不得小于0.8 MPa.夹心区为水泥搅拌桩与地下连续墙间500 mm的空隙采用φ1 100三重管旋喷桩的补加固,搭接300 mm.高压旋喷桩采用三重管法,水泥用P.O 32.5级普硅水泥,水泥使用前必须复检.高压旋喷桩水泥掺入量为450 kg/m3,加固土体28 d单轴抗压强度不得小于1.0 MPa,渗透系数≤1×10-8cm/s.

表2 三重管法高压喷射注浆施工技术参数

注：提升速度14～16 cm/min；旋转速度10 r/min；浆液配合比

水∶水泥=1∶1；水泥掺量450 kg/m3.

3.1.3 三重管旋喷桩施工顺序

旋喷桩打桩以控制保护建筑林肯公寓变形为前提进行.首先,对端头井靠近保护建筑的东、北侧外围旋喷桩进行施工.其次,完成其余外围旋喷桩,形成一个封闭的旋喷桩环.按与保护建筑由近至远的顺序施工,能够有效减少对保护建筑的扰动.最后,待到外侧封闭的围旋喷桩具备一定强度后,开始进行内部旋喷桩施工工作,利用外围旋喷桩的自身强度将旋喷桩施作时对周围土体的挤压应力有效减少.三重管旋喷桩施工全部完成且具备施工强度后,在盾构进洞前进行“夹心区”的水泥搅拌桩与地下连续墙间500 mm的空隙施工,以保证加固区与地下连续墙之间的充分加固.

4 结 语

本案例中选择的三重管高压旋喷方案在所有备选方案中对周边土体的挤压变形控制并非最小,加固质量也并非最优的,但受工程现场实际条件所限,应当采用最适合工程情况的方案.而通过施工过程中的参数控制及顺序调整有效保证了端头井盾构进出洞口土体加固的质量.在之后盾构机进洞时,端头井盾构进出洞口土体加固质量满足设计要求,无涌水涌沙现象.通过本次的案例讨论,简要探讨了各类端头井盾构进出洞口土体加固方式各自的优缺点及适用范围.希望通过选用匹配工程情况的端头井盾构进出洞口土体加固方案,提高施工质量,减少盾构进洞出洞的风险.

参考文献:

[1] 朱洪威.客大盾构区间端头井加固技术必选[J].隧道机械与施工技术，2007(8):50-55.

[2] 马洪建.SMW工法在天津地铁建设中的应用[J].铁道建筑，2004，44(6):24-26.

[3] 李宏安.何满潮.雷军，等.液氮冷冻法在盾构始发底层加固工程中的应用[J].市政技术，2008，11(26):539-541.