盾构法施工在天津地铁中的应用摘 要:通过介绍天津地铁一号线盾构施工中的重要参数和对环境保护,尤其重要构(建)筑物的保护方案、措施,说明在天津地铁区间施工引进盾构施工工法的合理性及实用性。关键词:天津地铁;盾构法;重要参数;环境保护 法施工属于地下工程中的“非开挖”技术,其选型和应用受到具体土体工程地质和水文地质条件等相关因素的影响。地质资料显示天津地区地处冲积平原,土层主要为第Ⅰ陆相层、第Ⅰ海相层、第Ⅱ陆相层、第四系上更新统第Ⅲ陆相层、第Ⅱ海相层及第Ⅳ陆相层,主要是粉土和粉质黏土软土地层,从地质条件上看,天津地铁较适合盾构法施工。因此,盾构法的引入解决了天津地铁区间施工对周围环境的影响,同时工程造价又低于矿山法。 结合天津地区实际情况,针对盾构法施工在天津地铁工程中的应用进行介绍。1概述 天津地铁一号线新建段盾构区间分别为小白楼站—下瓦房站、下瓦房站—南楼站、南楼站—土城站3个区间,全长为3440m。结构管片顶部埋深为6～12m,隧道洞身主要位于第Ⅰ海相层、第Ⅱ陆相层和第四系上更新统第Ⅲ陆相层。隧道内径为5500mm,管片厚度为350mm。3个区间均采用单向推进、不过站、不掉头的施工工艺。 根据天津的地质条件,3个区间均使用土压平衡盾构,本次施工采用了德国海瑞克和日本川崎两公司盾构机,通过工程实践,取得了一定的技术参数。具体应用情况为:小白楼站—下瓦房站、下瓦房站—南楼站2个区间使用德国海瑞克盾构机,南楼站—土城站区间使用日本川崎设备。 本文结合小白楼站—下瓦房站区间施工情况,从以下几个方面介绍盾构法在天津地铁的应用。2盾构机的选择 盾构机的选择主要根据工程所在区域的地层工程地质和水文地质情况、工程的线路情况(包括平面和竖向隧道线型、沿线的环境条件和地下障碍物情况等)、盾构机的机械性能等方面。结合天津地区土层饱和软弱地层较均匀的特性,采用适用地层范围广、技术先进合理,在其他地区运用较为成熟的土压平衡式盾构机。3 盾构推进施工参数设定 (1)平衡压力值的设定 据计算,在盾构穿越加固区时,取值约为0.17MPa;在正常段推进中取值约为0.20～0.24MPa。 (2)盾构机的推力设定 实际施工时,在盾构穿越加固区时,取值约为10000kN;在正常段推进中取值约为10000～13000kN。 (3)推进出土量设定 每环理论出土量=(π×D2×L)/4=32.05m3/环。 盾构推进实际出土量控制在98%～100%,穿越加固区时,出土量约为32m3/环;正常段推进时出土量约为31～32m3/环。 (4)推进速度设定 加固区推进速度宜控制在10mm/min左右;正常推进时在保证地面变形满足设计要求和规范的前提下,推进速度基本在30～50mm/min。一般情况下每天可推进8～10环,最快为20环/d,最慢为5环/d。 (5)刀盘油压设定 加固区土质较硬推进较慢,刀盘油压值相对较高,一般为16～18MPa;出加固区后,盾构正常推进,油压值基本在14～16MPa。4地面变形量控制 影响地面变形的因素主要有2个:盾构推进和同步注浆与壁后补压浆。(1)盾构推进引起的地面变形 本区间所用盾构机为土压平衡盾构。平衡压力P0设置范围为 (水压力+主动土压力)<P0<(水压力+被动土压力) 以平衡压力与正面的土压力相匹配为控制目标,通过实测土压力值P1与P0值相比较,依此压差进行相应的排土管理。其控制流程如下: 当P0<Pi时,盾构机平衡压力低于正面土压,造成超挖,地面将产生沉降; 当P0>Pi时,盾构机平衡压力高于正面土压,造成欠挖,地面将产生隆起; 当P0=Pi时,盾构机正常推进。 因此,盾构机的平衡压力控制直接导致盾构正面地面土体的变形量。(2)盾构推进 盾构直径为6.39m,管片直径为6.2m,盾构施工后的建筑空隙如果不填充,周围土体就会向此空隙移动,造成地面沉降。盾构推进中的同步注浆和衬砌壁后补压浆是充填土体与管片圆环间的建筑空隙、控制地层变形和减少后期变形的主要手段,也是盾构推进施工中的一道重要工序。①同步注浆 每环理论建筑空隙:1.0π(6.392-6.22)/4=1.87m3 盾构外径:φ6.39m;管片外径:φ6.2m 每环压浆量一般取建筑空隙的150%～250%,即每环同步注浆量为2.81～4.68m3。泵送出口处的压力应根据不同深度和土质来控制,一般为0.3MPa左右。浆液配比见表1。
②壁后注浆 当盾构推进至特殊地段时,地面上有需保护的建筑物(王仲山故居)或管线时,可根据实际情况和地层变形监测信息及时调整进行壁后补压浆。浆液可采用双液浆,注浆的压力值、压入量和具体压入位置根据实际情况而定,一般注浆压力在0.3～0.4MPa。浆液配比见表2。
5 主要施工技术措施 (1)严格控制盾构施工参数 为确保盾构沿设计轴线推进,必须采取以下措施控制切口土压力、推进速度、出土量,尽量减少平衡压力的波动,同时在曲线推进过程中,考虑到刀盘正面所受压力的差异,需同步调整控制左右区间油压值和左右推进千斤顶行程,使之沿设计轴线推进。具体措施为:①根据出土量和系统监测设备,及时观察、调整盾构机平衡压力;②根据出土的土质状况和地质报告中地层揭示情况,提前预测正面土体压力,适时升高或降低盾构机平衡压力;③严格控制土仓压力及出土量,防止超挖及欠挖;④根据土体的力学性能结合盾构机的机械性能,控制刀盘的前移距离;⑤加快每环的拼装速度,减少盾构机在软弱土层的停留时间;⑥正常推进时速度宜控制在2～4cm/min。过建筑物时推进速度宜控制在1cm/min左右。 (2)严格控制纠偏量 盾构的曲线推进实际上是处于曲线的切线上,因此,推进的关键是确保对盾构头部的控制。在曲线时,盾构推进施工环环都在纠偏,必须做到勤测勤纠,而每次的纠偏量应尽量小,确保楔形块的环面始终处于曲率半径的径向竖直面内。控制和掌握盾构单次纠偏的幅度,使纠偏尽量均匀稳定,以减少纠偏对周围土体造成的影响。同时,在确保盾构正面变形控制在良好的情况下,使盾构均衡匀速施工,以减少盾构施工对地面的影响。在曲线段施工管片拼装位置应严格控制。若管片位置不理想,且曲线管片无法满足纠偏时,应采用软木楔子进行调整,使管片处于较理想位置状态,确保盾构轴线。 (3)控制衬砌背后注浆 推进时应严格控制浆液的质量、注浆量、注浆位置和注浆压力,并根据施工中的变形监测情况,随时调整注浆参数,必要时采用壁后补压浆的方法进行控制。在施工过程中采用推进和注浆联动的方式,注浆未达到要求时盾构暂停推进,以防止土体变形。注浆工艺应注意以下几点,以确保注浆效果:①控制注浆时间,确保在最佳的时间采取注浆措施;②根据土质情况,确定采用同步注浆、半同步注浆或推进后注浆、后方注浆;③根据土层条件(土的种类、土压、承压、水压等)和掘削条件的不同确定同步注浆压力和注浆量;④采取措施防止背后注入浆液从盾尾、工作面管片接头等处泄露;⑤根据填充效果和目的(是否考虑抗渗等问题),适当采取二次注浆;⑥确保注浆材料质量和注浆工艺的恰当性。 虽然设计轴线为圆滑曲线,但在实际推进过程中,掘进轴线必然为一段段折线,且曲线外侧出土量又大。这样,必然造成曲线外侧土体的损失,并存在开挖施工建筑空隙增大。因此,在曲线段推进过程中在进行同步注浆的工程中必须加强对曲线段外侧的压浆量,以填补施工空隙,同时加固外侧土体,使外侧土体给予管片足够的支撑力,减小已成隧道的水平位移,确保盾构顺利沿设计轴线推进。(4)对于出现超沉建筑物的补救措施及加强地面跟踪注浆 盾构穿越重要地段时,加强对地面变形情况的监测分析,及时调整推进参数。若地面建筑物变形量超过警戒范围时,则需在隧道内通过管片注浆孔进行壁后双液注浆,并进行地面跟踪注浆来保护建筑物。6施工中的难点 (1)盾构穿越“王仲山旧居”施工 在浦口道和南京路之间,盾构轴线上方有百年历史的“王仲山旧居”(砖木结构),坐落于天然地基上,基础为1.0m的砖墙基础。为保护此建筑物,对盾构推进的轴线和地面变形控制要求严格,为控制重点,在施工中采取了前述几点技术措施加以控制,同时还采取以下措施。 ①加强地面跟踪注浆 由于“王仲山旧居”对变形非常敏感,盾构穿越建筑物前200m时,沿建筑物周边提前埋设可以反复注浆的注浆花管,并布置一定数量的监测控制点。盾构穿越建筑物时,若地面建筑物变形量超过警戒范围时,除需在隧道内通过管片注浆孔进行壁后双液注浆,更要及时进行地面跟踪注浆来调整和控制建筑物的沉降量,只有地面的注浆措施对于保护建筑物更为有效、直接。 根据建筑物与线路的关系,沿周边按照1.5m间距布置可以反复注浆花管,埋入地下8～10m。浆液主要材料配比见表3。
② 采用静力水准方法监测 针对建筑物的平面布局和基础形式,结合结构与线路的平面关系,在结构的每个角部和每条边的中部埋设监测连通管。 由于采取了得当的施工措施和施工信息化的反馈工作到位,最终沉降量为-10.4mm,完全控制在其允许沉降范围内(据推断分析,“王仲山旧居”最大沉降量约为25mm),确保了名人故居的安全。(2)穿越砖砌污水方涵 砖砌方涵断面尺寸为2.35m×2.35m,位于天津市河西区大沽南路、围堤道和尖山路交会的五岔路口,总体走向为围堤道方向,与大沽南路斜交。据调查,方涵建于1958年,目前仍在使用。方涵与南楼站—土城站区间的左右线隧道相交处隧道埋深分别为13.224m和13.596m。方涵位于地下3m以下,距隧道净距约为8.246m。 根据理论计算和分析,方涵沉降量应控制在20mm以内。施工时通过该地下结构时,通过采取以下措施,盾构推进引起的地面沉降变形基本控制在5～20mm: ①根据盾构推进自动监测设备和地面监测的数据,及时调整盾构正面压力,合理控制推进速度; ②严格控制土舱压力及出土量,防止超挖、欠挖; ③控制盾构推进姿态的变化,保持均衡匀速的施工,减少对地层的扰动,方涵处盾构隧道洞体位于300m半径曲线上,控制好盾构姿态和单次纠偏幅度,使纠偏量均匀、稳定,以减少因纠偏对周围土体造成的影响; ④控制同步注浆的浆液质量和注浆压力、注浆量,减少盾构推进过后土体的变形。7 结论 (1)盾构选型考虑了小半径的施工,因此,选择了具有纠偏千斤顶装置的铰接盾构。调整盾尾的位置,使盾尾与管片的相关位置得到改善,从而便于管片的拼装,更好地控制隧道的推进轴线。 (2)调整好刀盘的开孔率和压力对控制地面沉降极为重要,再加以辅助措施,实践证明沉降还是可以很好地控制在设计范围内的。 (3)对于施工中的重点部位,加强监测和确保实现信息化施工,是达到预期目标的重要手段。参考文献:［1］林宗元主编.岩土工程治理手册［K］.沈阳：辽宁科学技术出版社，1996.［2］GBJ—89，建筑地基基础设计规范［S］.［3］叶书麟，等.地基处理与托换技术［M］.北京：中国建筑工业出版社，1994.［4］张庭华.土压平衡盾构土舱压力控制技术研究［J］.铁道标准设计，2005（8）.［5］刘建航，侯学渊.盾构法隧道［M］.北京：中国铁道出版社，1991.［6］张凤祥，朱合华，傅德明.盾构隧道［M］.北京：人民交通出版社，2004.
