一建市政教材解讀：1K413035 盾構(gòu)法施工地層變形控制措施

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    1K413035 盾構(gòu)法施工地層變形控制措施

　　本條以密閉式盾構(gòu)為主簡要介紹盾構(gòu)施工地層變形其控制措施。

　　一、近接施工與近接施工管理

　　(1)新建盾構(gòu)隧道穿越或鄰近既有地下管線、交通設施、建(構(gòu))筑物(以下簡稱既

　　有結(jié)構(gòu)物)的施工被稱為近接施工。在城市中近接施工不可避免，且隨著地下空間的開發(fā)利用會日益增多。因此，盾構(gòu)施工必須考慮控制影響區(qū)域的地層變形，采取有效的既有結(jié)構(gòu)物保護措施。

　　(2)近接施工管理：

　　1)盾構(gòu)近接施工會引發(fā)地層變形，對既有結(jié)構(gòu)物會造成不同程度的有害影響;因此有必要采取系統(tǒng)性措施控制地層變形以保護既有結(jié)構(gòu)物。首先，應詳細調(diào)查工程條件、地質(zhì)條件、環(huán)境條件(即既有結(jié)構(gòu)物現(xiàn)況與安全要求)，在調(diào)查的基礎上進行分析與預測、制定防護措施;其次，制定專項施工方案;最后，施工過程中通過監(jiān)控量測反饋指導施工而確保既有結(jié)構(gòu)物安全。

　　2)近接施工管理流程如圖1K413035-1所示。

　　3)近接施工的管理措施：

　?、俣軜?gòu)掘進引起的周邊地層變形狀態(tài)及其原因，包括：變形程度與主要原因之間的關(guān)系、對既有結(jié)構(gòu)物承載能力的影響程度。

　?、陬A測盾構(gòu)掘進引起地層變形的解析方法，預測對既有結(jié)構(gòu)物影響的解析模型。

　?、蹨p小地層變形與防止對既有結(jié)構(gòu)物影響措施的選擇，及其與工程條件、地質(zhì)條件和環(huán)境條件相適應措施的確定方法。

　?、鼙O(jiān)控量測管理系統(tǒng)、監(jiān)測項目、監(jiān)測方法、監(jiān)測數(shù)據(jù)的反饋方法。

　　二、地層變形與既有結(jié)構(gòu)物變位及變形

　　(一)地層變形原因

　　地層變形的主要原因大致分為條件因素和直接原因兩類。

　　(1)條件因素主要有：覆土厚度、盾構(gòu)直徑、隧道線形、襯砌背后間隙、襯砌種類等。

　　(2)直接原因由盾構(gòu)掘進引發(fā)，主要有開挖面失穩(wěn)、地下水位降低、推力過大、頻繁糾偏、洞體土層失穩(wěn)、盾體與洞體的摩擦力、襯砌背后產(chǎn)生間隙、注漿壓力、襯砌變形、襯砌漏水等。雖然地層變形的直接原因有很多，但大體可分為以下4類：

　　1)地層應力釋放產(chǎn)生的彈塑性變形，導致地層反力降低;

　　2)土壓增大產(chǎn)生的壓縮變形，導致垂直土壓增大或地層反力降低;

　　3)附加土壓產(chǎn)生的彈塑性變形，導致作用土壓增大;

　　4)伴隨土的物理性能變化產(chǎn)生的彈塑性變形以及徐變變形，導致地層承載能力降低。

　　(二)地層變形機理

　　(1)盾構(gòu)掘進通過某一斷面的地層變形時間曲線與盾構(gòu)掘進過程中所處位置相關(guān)。如圖1K418085-2所示，某一斷面地層變形的變形一時間曲線劃分為5個階段，各階段變形原因不同，變形機理各異。

　　(2)某一斷面地層變形的第1階段：發(fā)生在盾構(gòu)到達該斷面之前，主要表現(xiàn)為地下水位降低產(chǎn)生固結(jié)沉降。第2階段：盾構(gòu)通過該斷面前，若盾構(gòu)控制土壓(泥水壓)不足或過大，則開挖面正前方土體彈塑性變形引起地層沉降或隆起。第3階段：發(fā)生在盾構(gòu)通過該斷面時，由于超挖、糾偏、盾構(gòu)外周與周圍土體的摩擦等原因而發(fā)生地層沉降或隆起。第4階段：盾構(gòu)通過該斷面后產(chǎn)生的彈塑性變形;若襯砌背后與洞體的空隙填充不及時造成地層應力釋放，則土體的彈塑性變形引起地層沉降;若襯砌背后的填充注漿壓力過高，則附加土壓引發(fā)地層隆起。第5階段：盾構(gòu)通過該斷面后長時間地發(fā)生后續(xù)沉降，主要由于盾構(gòu)掘進造成的地層擾動、松弛等引起，在軟弱黏性土地層中施工表現(xiàn)最為明顯，而在砂性土或密實的硬黏性土中施工基本不發(fā)生。

　　(三)既有結(jié)構(gòu)物變形與變位

　　(1)盾構(gòu)掘進產(chǎn)生地層變形的同時，既有結(jié)構(gòu)物的外力條件或承載能力發(fā)生變化。

　　(2)外力條件或承載能力的變化使得既有結(jié)構(gòu)物發(fā)生沉降、傾斜、斷面變形等變位與變形現(xiàn)象，其變位與變形的程度取決于工程條件、地質(zhì)條件與既有結(jié)構(gòu)物構(gòu)造特征。這里，工程條件主要是指隧道線形、近接施工區(qū)間的長度、是否采取隔離措施等;地質(zhì)條件是指既有結(jié)構(gòu)物與隧道之間地層的物理力學參數(shù);既有結(jié)構(gòu)物構(gòu)造特征主要包括斷面形狀、強度、變形特性。

　　三、盾構(gòu)掘進地層變形控制措施

　　由于盾構(gòu)掘進地層變形各階段的機理不同，因此必須有針對性地采取控制措施。

　　(一)前期沉降控制

　　(1)前期沉降控制的關(guān)鍵是保持地下水壓。

　　(2)保持地下水壓措施：

　　1)合理設定土壓(泥水壓)控制值并在掘進過程中保持穩(wěn)定，以平衡開挖面土壓與水壓。

　　2)保持開挖面土壓(泥水壓)穩(wěn)定的前提條件：對于土壓式盾構(gòu)是泥土的塑流化改良效果，應根據(jù)地層條件選擇適宜的改良材料與注人參數(shù);而對于泥水式盾構(gòu)則是泥漿性能，應根據(jù)地層條件選擇適宜的泥漿材料與配合比。

　　3)防止地下水從刀盤主軸密封、鉸接密封、盾尾以及拼裝好的襯砌結(jié)構(gòu)滲入。為此，應保持盾構(gòu)刀盤驅(qū)動、鉸接、盾尾等部位密封完好，保證盾尾密封油質(zhì)注入壓力與注入量，管片密封與拼裝質(zhì)量滿足規(guī)范要求。

　　4)土壓式盾構(gòu)在地下水位高且滲透性好的地層掘進時，采取有效的防噴涌措施，以防止地下水從螺旋輸送機涌人。

　　(二)開挖面前沉降(隆起)控制

　　(1)開挖面前沉降(隆起)控制的主要措施是土壓(泥水壓)管理，真正實現(xiàn)土壓(泥水壓)平衡。

　　(2)通常采取的措施有：

　　1)合理設定土壓(泥水壓)控制值并在掘進過程中保持穩(wěn)定，以平衡開挖面土壓與水壓。

　　2)保持開挖面土壓(泥水壓)穩(wěn)定的前提條件：同1K413035中三、(一)(2)2)

　　3)加強排土量控制。

　　4)對于土壓式盾構(gòu)，必要時還應對盾構(gòu)推力、推進速度、刀盤扭矩等盾構(gòu)參數(shù)進行控制。

　　(三)通過時沉降(隆起)控制

　　通過時沉降(隆起)控制措施主要有2種：

　　(1)控制好盾構(gòu)姿態(tài)，避免不必要的糾偏作業(yè)。出現(xiàn)偏差時，應本著“勤糾、少糾、適度”的原則操作。在較硬地層中掘進的場合，糾偏時或曲線掘進時需要超挖，應合理確定超挖半徑與超挖范圍，盡可能減少超挖。

　　(2)土壓式盾構(gòu)在軟弱或松散地層掘進時，盾構(gòu)外周與周圍土體的黏滯阻力或摩擦力較大時，應采取注漿減阻措施。

　　(四)尾部空隙沉降(隆起)控制

　　尾部空隙沉降(隆起)控制的關(guān)鍵是采用適宜的襯砌背后注漿措施，主要有：

　　(1)用同步注漿方式，及時填充尾部空隙。

　　(2)根據(jù)地質(zhì)條件、工程條件等因素，合理選擇單液注漿或雙液注漿，正確選用注漿材料與配合比，以便拼裝好的襯砌結(jié)構(gòu)及時穩(wěn)定。

　　(3)加強注漿量與注漿壓力控制。

　　(4)及時進行二次注漿。

　　(五)后續(xù)沉降控制

　　后續(xù)沉降主要在軟弱黏性土地層中施工時發(fā)生，主要控制措施是：

　　(1)盾構(gòu)掘進、糾偏、注漿等作業(yè)時，盡可能減小對地層的擾動。

　　(2)若后續(xù)沉降過大不滿足地層沉降要求，可采取向特定部位地層內(nèi)注漿的措施。

　　四、既有結(jié)構(gòu)物保護措施

　　(一)按實施對象劃分近接施工中既有結(jié)構(gòu)物保護措施

　　(1)盾構(gòu)施工措施;

　　(2)對既有結(jié)構(gòu)物采取措施;

　　(3)盾構(gòu)隧道與既有結(jié)構(gòu)物之間采取措施。

　　(二)盾構(gòu)施工措施

　　盾構(gòu)施工措施，主要是控制地層變形，同時減少對地層的擾動(詳見1K413035中三)。

　　(三)對既有結(jié)構(gòu)物采取的措施

　　對既有結(jié)構(gòu)物采取的措施通常有結(jié)構(gòu)物加固、下部基礎加固及基礎托換三類。結(jié)構(gòu)物加固包括墻體加固、增設閉合框架加固、增加支撐等方式，以增強結(jié)構(gòu)物本身抵抗變形的能力。下部基礎加固有加固樁、網(wǎng)狀樁和錨桿等方法，以提高結(jié)構(gòu)基礎的抗變形能力?；A托換是用新的基礎結(jié)構(gòu)替換受施工影響的結(jié)構(gòu)物下部基礎。

　　(四)新建隧道與既有結(jié)構(gòu)物之間采取的措施

　　新建隧道與既有結(jié)構(gòu)物之間采取的措施主要有三種：

　　(1)盾構(gòu)隧道周圍地層加固(如圖1K413035-3所示);

　　(2)既有結(jié)構(gòu)物基礎地層加固;

　　(3)隔斷盾構(gòu)掘進地層應力與變形。

　　1.盾構(gòu)隧道周圍地層加固

　　盾構(gòu)隧道周圍地層加固的其目是提高周圍土體強度，以減小盾構(gòu)掘進時對周圍地層的擾動，使加固區(qū)以外的地層不產(chǎn)生松弛，從而保護既有結(jié)構(gòu)物。通常采用的方法有：注漿加固、高壓噴射攪拌等。

　　2.既有結(jié)構(gòu)物基礎地層加固

　　既有結(jié)構(gòu)物基礎地層加固，是以提高結(jié)構(gòu)物地基承載力、減小結(jié)構(gòu)物地基變形為目的。通常采用的方法同樣是：注漿加固、高壓噴射攪拌等。

　　3.隔斷盾構(gòu)掘進地層應力與變形

　　隔斷盾構(gòu)掘進地層應力與變形，就是在盾構(gòu)隧道與既有結(jié)構(gòu)物之間構(gòu)筑剛性好的構(gòu)造體，以隔斷地層變形對既有結(jié)構(gòu)物的影響。通常的方法就是在盾構(gòu)隧道與結(jié)構(gòu)物之間施作隔斷樁，具體可選用高壓旋噴樁、鋼管樁、柱樁、連續(xù)墻等形式。

　　【案例1K413035】

　　1.背景

　　某地鐵隧道盾構(gòu)法施工，隧道穿越土層有黏土、粉土、細砂、小粒徑砂卵石、含有上層滯水，覆土厚度8～14m，采用土壓平衡盾構(gòu)施工。施工項目部依據(jù)施工組織設計在具備始發(fā)條件后開始隧道施工，掘進過程中始終按施工組織設計規(guī)定的各項施工參數(shù)執(zhí)行。

　　施工過程中發(fā)生以下事件：

　　事件一：拆除始發(fā)工作井洞口圍護結(jié)構(gòu)后發(fā)現(xiàn)洞口土體滲水，洞口土體加固段掘進時地表沉降超過允許值。

　　事件二：在細砂、砂卵石地層中掘進時，土壓計顯示開挖面土壓波動較大;從螺旋輸送機排出的土砂坍落度較低。

　　2.問題：

　　(1)施工項目部依據(jù)施工組織設計開始隧道施工是否正確?如不正確，寫出正確做法。

　　(2)掘進過程中始終按施工組織設計規(guī)定的各項施工參數(shù)執(zhí)行是否正確?如不正確，寫出正確做法。

　　(3)分析事件一發(fā)生的主要原因以及正確的做法。

　　(4)分析事件二發(fā)生的主要原因以及應采取的對策。

　　3.參考答案

　　(1)不正確。根據(jù)住房和城鄉(xiāng)建設部《危險性較大的分部分項工程安全管理辦法》(建質(zhì)[2009]87號)的規(guī)定，盾構(gòu)工程屬于危險性較大的分部分項工程，開工前施工單位必須編制專項施工方案，并應組織老師對專項方案進行論證。

　　(2)不正確。首先，在初始掘進過程中應根據(jù)收集的盾構(gòu)掘進數(shù)據(jù)(推力、刀盤扭矩等)及地層變形量測量數(shù)據(jù)，判斷土壓(泥水壓)、注漿量、注漿壓力等設定值是否適當，及時進行調(diào)整，并通過測量盾構(gòu)與襯砌的位置，及早把握盾構(gòu)掘進方向控制特性，為正常掘進控制提供依據(jù)。其次，由于掘進過程中地層條件、覆土厚度等差異很大，應根據(jù)實際情況適時調(diào)整施工參數(shù)。最后，根據(jù)反饋的監(jiān)控量測數(shù)據(jù)及時調(diào)整相關(guān)的施工參數(shù)。

　　(3)事件一發(fā)生的主要原因是洞口土體加固效果不滿足要求。正確做法是：

　　1)根據(jù)地質(zhì)條件、地下水位、盾構(gòu)種類與外形尺寸、覆土深度及施工環(huán)境條件等，明確加固目的后，合理確定加固方法與加固范圍;本案例的加固目的，既要加固又應止水。

　　2)拆除洞口圍護結(jié)構(gòu)前要確認洞口土體加固效果，必要時進行補注漿加固。

　　(4)事件二發(fā)生的主要原因是塑流化改良效果欠佳。應采取的對策主要有：

　　1)選擇適宜的改良材料，并適當提高添加比例。

　　2)開挖面土壓波動大的情況下，開挖面一般不穩(wěn)定，此時應加強出土量管理。