摘 要:本文利用了ＳＭＷ工法中水泥土攪拌樁的止水功能與Ｈ型鋼的抗變形能力,在施工場地比較狹小和地下管線復雜的情況下,將其應用于加固某盾構(gòu)隧道出洞時的周圍軟土地層,取得了良好的效果和經(jīng)濟效益,對類似工程有一定的指導意義。
1 概述
軟土地層盾構(gòu)進出洞加固通常采用深層攪拌樁,并在攪拌樁與連續(xù)墻之間進行旋噴或注漿,但是在施工場地窄小或地下有建筑管線時,這種方法有時將變得無法進行。本文以上海地鐵Ｍ8線ＶＢ標區(qū)間隧道為例,介紹軟土地層中采取ＳＭＷ工法出洞施工技術(shù)。
盾構(gòu)出洞是指盾構(gòu)機安裝調(diào)試完成后,對準設計中心點、按照中心線路,自始發(fā)井出發(fā),穿過井壁,推過整個加固區(qū)的施工過程。它涉及到盾構(gòu)機的安裝、布置、調(diào)試及其所需的配套設施的準備、井壁混凝土的處理、井外地基處理、洞門防流水涌砂處理、盾構(gòu)機推進控制、管片拼裝和環(huán)境保護等工作。
2 出洞地面準備
2.1 盾構(gòu)機的進場
由于盾構(gòu)機自身的體積和重量比較大,在城市繁忙的交通條件下,盡量選擇夜深、人少、車少的時間進場,進場前擬定合理的行駛路線,征得交警部門的同意,并邀請交警協(xié)助運送。
2.2 臨時設施
在盾構(gòu)推進施工前,接常規(guī)進行施工用電、用水、通風、排水、照明等設施的安裝工作;施工必需材料、設備、機具備齊,管片、連接件的儲量需滿足三天推進用量;井上、井下建立測量控制網(wǎng)并經(jīng)復核、認可;車架安置到位,電纜、管路等接至井下;對隧道沿線的建筑物以及盾構(gòu)將要穿越的需要保護的管線布置沉降監(jiān)測點。沿線盾構(gòu)障礙物在盾構(gòu)推進前開始拔除。
吊運盾構(gòu)機的大型吊車到位,主吊車采用200ｔ,輔助吊車選擇100ｔ,完成盾構(gòu)機的吊運。
3 井下準備
3.1 盾構(gòu)承臺設備(亦稱發(fā)射架)
作為盾構(gòu)機在井內(nèi)的支承臺座,在焊接制作時,主要考慮其能夠充分承受盾構(gòu)機自重,可以進行安全的移動操作,并用鋼軌、工字鋼或其它材料設置一條可靠的盾構(gòu)推進軌道,保證起步工作準確進行。
3.2 盾構(gòu)機下井安裝
由于盾構(gòu)機進場和吊運時被分為幾個部分,并在下井時焊接安裝了吊鉤等連接件。盾構(gòu)機井下組裝時,要將這些連接件割除,并將各組件焊接組裝。其安裝位置以設計上的中心位置和高度為基礎確定。
3.3 反力支撐設備(后盾反力系統(tǒng))
3.3.1 后盾反力裝置及發(fā)射架安裝
后盾反力裝置由鋼反力架、146°鋼弧形環(huán)、鋼支撐、鋼門及臨時襯砌組成。后盾臨時襯砌由寬度為1ｍ的管片組成,采用通縫連接。
3.3.2 反力架安裝
根據(jù)首環(huán)管片的里程,決定反力架的平面位置。反力架安裝時,用經(jīng)緯儀雙向校正兩根立柱的垂直度,使其形成的平面與推進軸線垂直。在反力架固定牢靠后,用素砼找平其與車站結(jié)構(gòu)間的空隙。
3.3.3 負環(huán)安裝
負環(huán)管片安裝前,先在反力架上測出最后一環(huán)后盾管片的投影位置和縱向螺栓位置,彈好控制線,并預先把縱向螺栓焊接在反力架上,以便于今后施工。
最后三環(huán)(即-12、-11、-10環(huán))管片需待盾構(gòu)機下井后,用吊車吊至井下安裝。由于-9環(huán)管片已伸入盾構(gòu)機中,因此,從-9環(huán)開始,所有負環(huán)都在盾構(gòu)機中安裝。
在安裝-10環(huán)管片之前,必須先涂好盾尾油脂。同時,控制好-11環(huán)管片的法面,必要時需粘貼糾偏材料。
當-9環(huán)管片安裝完畢后,盾構(gòu)機準備前進,同時,開始打開洞門。此時橡膠簾布板已安裝完畢,起重工應在洞門完全打開以前把-8環(huán)管片全部準備到位。洞門打開,迅速清理洞門垃圾,盾構(gòu)機向前推進約30ｃｍ,拼裝-8環(huán)管片。盾構(gòu)機繼續(xù)推進,管片緊隨拼裝。
-6環(huán)拼裝結(jié)束后,盾構(gòu)機頭部進入橡膠簾布板,開始前倉回土,再推進100ｃｍ后拼裝-5環(huán)管片。-5環(huán)管片拼裝結(jié)束后,再推進約30ｃｍ,安裝146°鋼弧形環(huán)及鋼支撐。鋼弧形環(huán)及鋼支撐安裝完畢,再推進約15ｃｍ,盾構(gòu)機應已開始出土,大刀盤突尖已出洞,推進時應控制前倉壓力及盾構(gòu)千斤頂油泵壓力,防止因切削速度過快,引起塌方。
4 井外土體加固工作
軟土地層盾構(gòu)出洞施工前的井外土體加固通常可以采用深層攪拌樁、ＳＭＷ樁或凍結(jié)法進行施工。本工程的兩個始發(fā)井分別位于虹口足球場站和曲陽路站,虹口足球場站地下2.0ｍ以下分別為粉土層和粘土層,曲陽路站在地下16ｍ范圍基本為砂質(zhì)粉土層,這樣的土層自身缺少自立性和防水性,一旦有較大的臨空面時,土體就可能產(chǎn)生大量滑坡、坍塌、涌水和涌沙現(xiàn)象。綜合考慮地質(zhì)情況、施工場地條件、施工工期和工程造價,決定在虹口足球場站始發(fā)井外采取深層攪拌樁結(jié)合注漿加固;在曲陽路站始發(fā)井外采�。樱停讟督Y(jié)合旋噴加固(在距端頭井4ｍ位置有二根上水管,深層攪拌樁加固范圍不夠)。注漿和旋噴加固的主要作用是使攪拌樁或ＳＭＷ樁與井壁外側(cè)形成的加固盲區(qū)得已補充,使得加固區(qū)形成一個整體,避免開洞門時漏漿。本文主要介紹ＳＭＷ工法出洞加固施工。
4.1ＳＭＷ樁加固區(qū)的選定
型鋼采用500×200×10×16窄翼緣型鋼,攪拌樁采用700直徑。型鋼每孔插入一根。插入深度18ｍ。其平面布置見圖2。
4.2 加固體中型鋼的強度和變形檢算
型鋼Ｗ=1927ｃｍ3,Ａ=115.5ｃｍ2
加固后土體按:γ=1.9ｋＮ ｍ3,=22°
上述是按照每米土體兩根型鋼來承受,其強滿足要求。同時其變形經(jīng)計算滿足ＳＭＷ樁型鋼的拔除要求。
4.3 ＳＭＷ樁施工參數(shù)的確定
該地基加固工程采用φ650ｍｍ水泥土攪拌,攪拌體長18.6ｍ。貼近墻體邊的加勁部分為Ｈ500×200×10×16型鋼,以密插方式插入;共計四排水泥土攪拌樁,采用32.5級普通硅酸鹽水泥,水泥摻合比15%,水灰比1.5左右,墻體抗?jié)B系數(shù)小于10-7ｃｍ ｓ。28天無側(cè)限抗壓強度大于0.8ＭＰａ;漿液配比根據(jù)現(xiàn)場試驗,參考配比水泥:水=1∶1.5;樁體垂直偏差不大于1 200,樁位偏差不大于20ｍｍ。
5 盾構(gòu)出洞
5.1 加固效果檢測
經(jīng)過改良的土體,要求其有一定的自立性和穩(wěn)定性,同時不能漏水、流沙,根據(jù)設計指標和規(guī)范規(guī)定,對于該類型的土體改良要檢查其土體強度和抗?jié)B性能指標。土體強度通過鉆芯取樣測定其抗壓強度,如果條件允許也可通過靜力觸探或貫入法測定其強度和攪拌的均勻性;抗?jié)B指標一般進行探孔取樣,通過對樣品的目測,征求監(jiān)理、業(yè)主和質(zhì)檢站的意見,確定其抗?jié)B是否能夠達到開洞門的要求。
5.2 洞口井壁砼鑿除
通過對檢測結(jié)果分析,改良土體如果達到設計要求的各項指標,即可開始鑿除井壁混凝土。在出發(fā)井施工時,井壁上已經(jīng)按照設計要求預埋好洞門鋼圈,洞門鑿除的部分也就是鋼圈所包圍的范圍。
洞口井壁混凝土鑿除前,必須復核洞門中心坐標及高程,保證滿足盾構(gòu)機出洞的要求;洞口井壁砼采用高壓風鎬鑿除,鑿除工作須分二層漸進,根據(jù)井壁厚度,先鑿除其外層3 4,(約600ｍｍ),并割除鋼筋預埋件。外層鑿除工作先上部后下部。鋼筋及預埋件割除須徹底。以保證預埋門洞的直徑。
里層井壁鑿除方法是將剩余的1/4厚度分割成九大塊,具體做法是在洞門中心位置上鑿二條水平槽,沿洞門周圍鑿一條環(huán)槽,然后開二條豎槽,其中一條鑿在地坪接縫處。開槽鑿除砼,露出井壁鋼筋,同時在每一塊砼塊上鑿出栓鋼絲繩的位置。
拆除洞口腳手架改搭臨時易拆操作平臺,鋼筋割斷與混凝土塊吊離應先下部后上部,先中間后二側(cè),割一塊吊一塊。合理安排割斷順序,使用長割具,防止砼塊傾倒。盡可能縮短砼塊吊離工作的時間,防止土體塌方,吊離完畢后盾構(gòu)機須迅速進入洞門。
5.3 洞口止水簾布安裝
由于洞口與盾構(gòu)(或襯砌)存在建筑空隙,易造成泥水流失,從而引起地表沉降,因此,須在洞口安裝出洞裝置,出洞裝置包括簾布橡膠板、圓環(huán)板、扇形板及相應的連接螺栓和墊圈。安裝前須對簾布橡膠板上所開螺孔位置、尺寸進行復核,確保其與洞圈上預留螺孔位置一致,并用螺絲攻清理螺孔內(nèi)螺紋。安裝順序為簾布橡膠板→圓形板→扇形板,自上而下進行。安裝時圓形板的壓板螺栓應可靠擰緊,使簾布橡膠板緊貼洞門,防止盾構(gòu)出洞后同步注漿漿液泄漏。
5.4 盾構(gòu)機出洞掘進
盾構(gòu)機出洞前,切口進入簾布前,須先在密封倉內(nèi)填充粘土(如磚胚)或人工漿液約30ｍ3,防止出洞后端頭井外側(cè)地表坍陷。同時為避免刀盤上的刀頭損壞洞口密封裝置,在刀頭和密封裝置上涂抹黃油以減少摩擦力。盾尾鋼絲刷需用專門的裝置安裝牢固,盾尾鋼絲刷中必需充滿盾尾油脂。
當盾尾脫出工作井壁后,調(diào)整洞圈止水裝置中的弧形板,并與洞門特殊環(huán)管片連接成一體,以防止土體從間隙中流失而造成地面的塌落。
出洞時盾構(gòu)應迅速上靠,在油壓顯示約等于靜止土壓力時,用刀盤切削水泥攪拌樁,并穿越下面加固區(qū)。在這段區(qū)域施工時,土壓力設定值應略低于理論值,推進速度不宜過快,盾構(gòu)坡度可略大于設計坡度,待盾構(gòu)出加固區(qū)時,為防止由于正面土壓變化而造成盾構(gòu)突然“磕頭”,必需將土壓力的值設定成略高于理論值,并在推進時按工況條件在盾構(gòu)正面加入發(fā)泡劑或泥,以改良正面的土體,施工過程中根據(jù)地層變形量等信息反饋,對土壓力設定值、推進速度等施工參數(shù)作及時調(diào)整。
6 出洞的安全和應急措施
地下工程的施工風險隨時都存在,即使準備很充分,也可能有意想不到的情況發(fā)生。進出洞施工尤其突出,這種風險主要表現(xiàn)在洞門鑿開后土體的穩(wěn)定性和止水性,為了降低開洞門后土體坍塌或流砂帶來的風險,在土體改良達到規(guī)范要求的時間后,對改良效果進行檢測,主要檢測其強度和止水性,目前新采用的檢測方法為鉆芯取樣和正面捋孔取樣。施工中常見的是洞門鑿除以后的流砂現(xiàn)象,這樣勢必造成井壁外地面周圍建筑物和管線沉降。
在出洞施工中,洞門砼必須鑿除、吊離后,盾構(gòu)機才能推進,其風險要比進洞大得多,所以洞門鑿除前要進行每個探孔取樣,觀察分析樣品,確保洞門打開后土體的安全。同時,在開洞門時,要先剝落內(nèi)側(cè)約50ｃｍ厚,剩余30ｃｍ厚的砼要分塊鑿除。分塊鑿除要從上而下,鋼筋割斷后,鑿幾個較大的孔,觀察內(nèi)部土體的情況,一旦土體不穩(wěn)定,且有流砂情況,立即封堵,并在井外采取注漿或旋噴,必要時,可在洞門范圍內(nèi)正面打孔注漿。漿液使用快凝型水泥———水玻動漿液,水泥漿液和水玻動之比,按照小樣的初凝時間確定,一般在0.5～1ｈ范圍內(nèi)。
注漿完成24ｈ后可以重新開孔觀察,直至確定加固土體的穩(wěn)定性和上水性,方可分塊拆除吊離洞門砼,砼吊離后,迅速將盾構(gòu)機推進,及時靠到臨空土體上,此時扇形板和簾布板牢牢地靠在盾構(gòu)機上,即盾構(gòu)安全出洞。
出洞施工中,只要有土體坍塌或者流砂現(xiàn)象,就必然有地面、周邊建筑物和管線沉降,所以要在出洞階段加強監(jiān)測,視監(jiān)測到的變形情況采取注漿、懸吊等措施。
7 ＳＭＷ工法盾構(gòu)出洞施工技術(shù)要點
7.1 出洞口前土體加固
盾構(gòu)出洞前土體加固需根據(jù)地質(zhì)、型鋼規(guī)格、環(huán)境條件等加以確定。加固質(zhì)量一定要保證,防止流砂出現(xiàn)。型鋼焊接一定要牢靠,每根型鋼要進行探傷試驗,確保每根型鋼都能拔出。
7.2 基座定位
盾構(gòu)中心的坡度與隧道設計軸線坡度保持一致,考慮到盾構(gòu)后期沉降因素,盾構(gòu)中心可比設計軸線略高30～50ｍｍ,然后對基座加支撐,防止盾構(gòu)基座移動。
7.3 鑿除洞門混凝土
可以盾構(gòu)為后座,用枕木垛支撐洞口墻體,自上而下鑿除,當洞口加固范圍因條件限制達不到要求時,經(jīng)驗算后可在盾構(gòu)底以上一定高度范圍堆放ｑｕ=0.1～0.2Ｍｐａ的夯實回填土,以減少加固土體承受的正面土壓力而保安全。
7.4 出洞門裝置及導軌安裝
洞門碎混凝土清理完畢后,安裝出洞裝置(即“襪套”)、圓環(huán)板等,須保證“襪套”完整及導向軌道在洞口“襪套”處斷開,洞圈內(nèi)要重新燒焊支點,防止盾構(gòu)叩頭。
7.5 防止盾構(gòu)旋轉(zhuǎn)、上飄
盾構(gòu)出洞時,正面加固土體強度較高。由于盾構(gòu)與地層間無摩擦力,盾構(gòu)易旋轉(zhuǎn),應加強盾構(gòu)姿態(tài)的測量,如發(fā)現(xiàn)盾構(gòu)有較大轉(zhuǎn)角,可以采用大刀盤正反轉(zhuǎn)的措施進行調(diào)整。盾構(gòu)剛出洞時,推進速度緩慢,大刀盤切削土體中可加水降低盾構(gòu)正面壓力,防止盾構(gòu)上飄,加強后盾支撐觀測,盡快完善后盾鋼支撐。
7.6 洞圈封堵
盾構(gòu)全部進入洞門,立即封堵洞圈,焊接扇形鋼板,以防洞門漏漿,當盾尾離開洞門約3ｍ時,應對洞口注聚胺酯或雙液漿封堵,并同時開啟同步注漿及盾尾油酯系統(tǒng),以免注漿液倒灌,堵死漿管。
7.7 后盾結(jié)構(gòu)
盾構(gòu)出洞的頂力要通過后盾結(jié)構(gòu)傳到后座井壁上去,后座結(jié)構(gòu)設計時應注意下列要求:預留運輸管片、材料等需要的空間;后盾結(jié)構(gòu)、后座管片環(huán)和鋼支撐,在盾構(gòu)后座頂力作用下應滿足強度和剛度的要求,特別要防止后座結(jié)構(gòu)出現(xiàn)過大的位移;盾構(gòu)基座導軌必須順直,嚴格控制標高、間矩及中心軸線。
8 結(jié)論
通過采用ＳＭＷ工法對某盾構(gòu)隧道進出洞周圍土體進行加固的實踐證明,在場地比較狹小和地下管線復雜的情況下,該方法具有一定的優(yōu)勢以及廣闊的應用前景。
