盾构隧道穿越既有建筑物施工应对技术.docx

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盾构隧道穿越既有建筑物施工应对技术

盾构隧道穿越既有建筑物施工应对技术

摘要：

随着近几年地下工程建设的不断发展,盾构施工技术已越来越成熟,特别是在城市轨道交通建设中更显示出其优越性。

但是,对于盾构施工过程中穿越障碍物或近距离通过既有建（构）筑物的施工还缺少相应的工程实例,经验相对也较少。

近年来,我国城市轨道交通建设发展迅速,但是面临着越来越复杂的周边环境和施工条件,因此研究和制定相应的施工技术和应对措施十分必要。

文章针对盾构施工穿越城市内河、下穿既有隧道以及湖底施工、下穿古城墙等工程实例进行分析研究,提出了针对类似情况的应对技术措施。

关键词：

地铁隧道　城市隧道盾构施工风险分析工程实例

1引　言

随着国民经济的发展和城镇化建设的加速,国内城市轨道交通建设发展也越来越迅速。

在轨道交通建设中,盾构工法由于其优越性在国内的应用越来越多。

为了使轨道交通尽快形成网络达到预期的规模效应,轨道交通的建设也在加速。

随着初期单条线的建成,后续线路建设的难度会越来越大。

同时,伴随城市规划建设,特别是通常伴随地铁建设的沿线开发的增多,工程建设所面临的是越来越复杂的周边环境,穿越障碍物或近距离通过既有建（构）筑物的情况也越来越多。

工程施工时既需要对既有建（构）筑物进行保护,又要确保工程本身的安全性和进展顺利,因此对不同的情况采用相应的应对技术十分必要。

本文以南京地铁施工中已成功完成的盾构施工穿越障碍物的几个实例为基础,研究分析相应的应对技术。

2下穿既有河流

2.1工程实例

金川河宽10.4m,河堤深4m,水深1.3m,为污水河。

盾构隧道与该河近正交下穿通过,盾构机与河床底净间距6.2m。

该段地质情况自上而下分别是:

②-1d3-4粉细砂（3.5m）、②-2c2-3粉土（约6.0m）、②-2b4淤泥质粉质粘土（约3m）、③-2-1b2粉质粘土（4m）、③-3-1（a+b）1-2粉质粘土（约4.7m）。

隧道主要在②-2c2-3粉土、②-2b4淤泥质粉质粘土（上部）和③-2-1b2粉质粘土（下部）地层中穿过（图1）。

该工程盾构机于2002年5月9日~2002年5月10日和2002年12月28日~2002年12月29日分别在下行线和上行线顺利通过金川河,沉降监测结果良好,没有采用应急预案。

但是在下行线掘进过程中,由于刚拆除负环,掘进过程中泡沫剂添加量较大,从玄武湖河床底冒出气泡,在减少泡沫添加剂和刀盘内气体压力后该现象消失。

2.2主要风险

该段覆土主要为透水性好的粉细砂层和具有流塑特性的淤泥质粉质粘土,施工中可能引起涌砂、突水现象,严重时可能引起“冒顶”事故;另一方面,由于该段覆土较薄,地下水丰富,盾构通过的地层上软下硬,施工中易引起盾构机抬头。

2.3应对技术

（1）盾构推进通过时合理组织施工,争取连续、快速地通过金川河。

（2）严格碴土管理,做好理论碴土量与实际碴土量的记录,保证出碴量与掘进速度的一致,避免“冒顶”突发事故的发生。

（3）严格控制盾构机操作,调整好盾构千斤顶的压力差,避免盾构机上飘。

（4）在土仓中和刀盘前注入泡沫或膨润土,改善碴土性能,防止涌砂、突水现象发生。

（5）作好盾尾、铰接油缸的密封,防止地层泥水和壁后注浆液进入盾壳内。

2.4应急预案

当发生“冒顶”事故时,为保证盾构施工安全,需采取如下措施:

（1）停止盾构机的掘进施工,做好螺旋输送机、铰接油缸和盾尾密封处的防水。

（2）利用盾构机配备的洞内超前注浆设备对隧道通过段周边地段进行加固,以保证加固后的土体质量满足盾构安全通过的要求。

（3）在进行加固施工的同时对发生事故地段进行土方回填,以增加覆土厚度,从而防止盾构掘进时上漂。

由于金川河河床底至盾构隧道顶的距离基本上为一倍洞径,根据计算及设计情况,施工过程中没有在其上部采取加载的方式。

3下穿既有隧道

3.1工程实例

南京地铁1号线与玄武湖公路隧道在新模范马路与中央路的丁字路口立体交叉。

先期建成的玄武湖隧道在该段采用明挖顺做法施工,围护结构为SMW桩,主体结构在与地铁隧道相交段为钢筋混凝土框架结构,主体结构底板为900mm厚钢筋混凝土,垫层为200mm厚素混凝土。

地铁盾构隧道与玄武湖隧道基本上正交（两条线路的交角为94°24′54″）,两条隧道间的相互关系如图2、图3、图4所示。

玄武湖隧道底下覆土依次为:

②-2b4淤泥质粉质粘土（约4.4m）、③-2-1b2粉质粘土（3.5~4.0m）、③-3-1（a+b）1-2粉质粘土（约4.0~4.5m）。

地铁盾构隧道主要从淤泥质粉质粘土（上部）和粉质粘土（下部）穿过。

盾构机下、上行线分别于2002年5月14日~5月19日和2002年12月20日~12月24日顺利通过玄武湖隧道,最终玄武湖隧道的最大沉降为1.7mm,保证了施工期间两条隧道的安全。

3.2风险分析

盾构隧道与玄武湖隧道间的最小净距为1.0m,玄武湖隧道对盾构隧道的影响长度近28m,这种情况在国内盾构施工中还是首次;其次,玄武湖隧道施工结束时间与地铁隧道穿越时间相隔不到一个月,玄武湖隧道还未进入稳定期;施工过程中可能对玄武湖隧道造成破坏,带来运营隐患,甚至可能引起结构安全问题。

3.3应对技术

（1）将玄武湖隧道抗拔桩的间距调大,并避开盾构隧道;另外,为了保证玄武湖隧道的抗浮要求及盾构隧道的受力要求,将抗拔桩在盾构隧道方向加密。

（2）由于盾构施工不可避免地会引起地面的沉降,为了保证玄武湖隧道的安全,将该段的底板加厚100mm。

（3）玄武湖隧道底的地质条件为流塑性的淤泥质粉质粘土和粉质粘土,盾构隧道上半部为淤泥质粉质粘土,下半部为粉质粘土,为了减少地层损失,将通过段盾构隧道进行全断面加固处理。

（4）盾构机通过玄武湖隧道前将玄武湖隧道回填至地面标高。

（5）为了盾构机通过时玄武湖隧道不造成太大的沉降与隆起,盾构土压设定略大于盾构正面土压。

在玄武湖隧道底埋设土压力盒（图5）,在盾构掘进时对压力盒进行实时监测,用以指导盾构掘进控制。

（6）玄武湖隧道的抗拔桩与主体结构形成门架式结构;在盾构机通过玄武湖隧道时掘进速度不宜太快,一般控制在30~40mm/min,使盾构机平稳地穿过玄武湖隧道。

（7）因为盾构隧道断面经过加固处理后,土体强度明显加大,掘进时加大泡沫剂的使用量,以改良碴土的性能和减少刀具的磨损。

（8）严格控制盾构机操作,避免盾构机抬头。

（9）加强盾构机及其配套设备的维护和保养,尽量避免非正常停机,力求做到连续安全地通过玄武湖隧道。

（10）掘进时采用同步注浆方式,及时填充管片与开挖面的间隙,通过对注浆量和注浆压力“双控”控制注浆效果,以减少地层损失,从而降低地表沉降,避免玄武湖隧道开裂。

（11）盾构机通过后根据量测数据对地层进行二次补强注浆,补强注浆压力（出口压力）控制在0.03~0.05MPa。

（12）施工过程中加强监控量测和信息反馈,当盾构通过后对玄武湖隧道进行跟踪测量,直到玄武湖隧道的沉降稳定为止。

4穿越废弃桩基群

4.1工程实例

该桩基群是南京市公交总公司在1986年拟建的十四层调度大楼时所施作的桩基基础,由于当时管理以及模范马路拓宽规划等原因,在施作部分桩基后就被终止。

盾构隧道与该桩基群相交位置如图6、图7所示。

总计有7根桩,该桩直径为80cm,仅在上部配有钢筋,但有约1m左右的钢筋长度在盾构掘进轮廓以内。

2002年5月19日~2002年5月21日,盾构机掘进通过该段。

掘进总体进展较顺利,其中出现两次螺旋输送机卡死现象,第一次较为严重,脱困用了40min。

碴土中混凝土碎块明显,其中较大块混凝土有4块,最大的碎块约为490mm×380mm×30mm（长×宽×高）。

另外,从螺旋输送机中输出了两截被拧断的钢管状杂物及少量扭曲短钢筋（Ф2mm）。

4.2风险分析

由于施工中采用的是Ф6400mm的土压平衡盾构机,刀具除中心扩挖刀外全部为刮刀。

施工中如果处理不当可能会引起盾构机掘进无法继续,需采用其它处理办法。

4.3应对技术

实际上通过该废弃桩基群是被动的过程,但在通过该废弃桩基群过程中,没有蛮干,最终基本顺利通过,也最大程度上保护了盾构机。

采用的应对措施:

（1）首先在思想上高度重视、认真对待,从保护盾构机的角度出发制定施工措施,在掘进过程中通过观察、倾听、仪表数据显示等方式判断盾构机所处的状态及切削障碍物的情况。

（2）盾构机遇到障碍物后掘进速度放慢,尽量以较低速度转动刀盘。

（3）在刀盘扭矩较大时,尽可能多地加入泡沫剂,但添加时要减少泡沫掺入量,即注入量较大,其中水含量较多,泡沫相对正常掘进时加入的比例要小。

（4）出现刀盘被卡住的情况时,通过正反转的方式慢慢解决;刀盘正、反转的启动过程中转动调速按钮的速度应慢,使刀盘尽量“软启动”;正、反转的过程中应有耐心,不得急燥。

（5）在判断障碍物切削完成后,不能转动螺旋输送机以防止螺旋输送机卡住,而是在停止推进的情况下转动刀盘,以使切削下来的障碍物在刀盘土仓内被“搅拌臂”破碎。

（6）如果螺旋输送机被卡住,由于螺旋输送机的转动及脱困能力有限,可通过直接在螺旋输送机中添加泡沫剂的方式进行润滑,通过正、反转的方式脱困,原则是尽量采用反转的方式将障碍物转回刀盘土仓内,必要时也可采用螺旋输送机伸缩的方式。

（7）如果刀盘转动困难,正反转时间很长仍无法脱困,可以将推进油缸松掉一半再进行正、反试转;如果松掉推进油缸一半仍无法解决,可以将管片底部用方木条垫好后,将推进油缸全部松掉后再反复正、反转,这时由于盾构机没有推进力且有后退的空间,刀盘是可以转起来的。

总结的应对技术在上海轨道交通2号线西延伸工程Ⅱ标施工过程中发挥了作用,在该工程中这台盾构机下穿江南春农贸公司废弃桩基群,成功地通过了117根的桩群（桩的断面尺寸为20cm×20cm,钢筋为Ф22mm,侵入隧道轮廓范围最长为3.3m）。

5下穿古城墙

5.1工程实例

古城墙为重点保护文物,城墙高7.8m,宽36~38m,在该段隧道埋深16m左右（不包括城墙高）,古城墙基础为木排桩。

该段覆土自上而下为:

①-2b2-3素填土、②-1b2-3粉质粘土、②-1c2-3粉土、②-1d3-4粉砂夹细砂、②-2d2-3粉砂夹细砂、②-3d2-3粉细砂,盾构隧道从②-2d2-3粉砂夹细砂、②-3d2-3粉细砂层中通过。

如图8、图9所示。

盾构隧道上、下行线分别于2003年1月和3月顺利通过古城墙段。

此段最大沉降为6.7mm,对城墙未造成裂缝或其它破坏。

5.2应对技术

（1）在施工中分段计算隧道开挖处的土体压力,把古城墙看作作用在地面上的条形荷载。

在进入古城墙影响范围时（盾构机到达前15m）逐渐加大土仓压力,出古城墙影响范围时,逐渐降低土仓压力;避免由于盾构推力的不均衡而引起大的地表隆起和沉降。

（2）掘进时要稳、缓,尽量减少刀盘切削木桩基时对墙体的扰动。

（3）施工过程中加强监控量测,利用同步注浆和二次补压浆充填盾尾与管片间的空隙,减少地层损失。

（4）在盾构通过后的一段时间内继续监测,并二次补充注浆,注浆按“量少次多”的原则,持续至监测显示城墙稳定为止。

6湖底施工

6.1工程实例

南京地铁1号线许府巷—南京站区间有近400m在玄武湖底段施工。

玄武湖区段各土层分布情况自上而下依次为:

①-3a4淤泥及淤泥质填土、②-1c2-3粉土、②-1d4粉砂夹细砂、②-2c3粉土、②-2b4淤泥质粉质粘土~粉质粘土、②-3b3-4粉质粘土、③-2-2b2-3粉质粘土。

隧道通过的地层主要为②-2c3稍密粉土、②-2b4淤泥质粉质粘土~粉质粘土、②-3b3-4软~流塑粉质粘土、②-2d2-3中~稍密粉砂夹细砂、③-2-2b2-3软~塑粉质粘土。

其中稍密粉土和中—稍密粉砂夹细砂地层稳定性差,易坍塌,且为可液化土层,孔隙水非常丰富,透水性好。

隧道上覆土层厚8.8~12.8m。

如图10所示。

两台盾构机先后于2003年4月和7月顺利通过玄武湖下穿段。

6.2应对技术

（1）提高盾构掘进控制水平,及时调整土仓压力,确保土压平衡,保证开挖面土体稳定。

（2）在发生涌砂、突水情况时及时关闭螺旋机,将水堵在盾构外;同时向土仓中加入泡沫剂或膨润土,使碴土具有良好的流塑性,一方面起到堵水的作用,另一方面有利于碴土的排放。

（3）由于岩土分界线起伏较大,地层不均匀,掘进过程中要控制掘进速度,严格操作各分区的推进油缸,防止盾构掘进方向出现大的偏离。

（4）拼装管片时,严防盾构机后退,确保正面土体稳定。

（5）利用同步注浆充填环形间隙,使管片衬砌尽早支承地层,控制地层沉陷。

（6）在盾构掘进过程中不断地对盾尾密封钢丝刷注入油脂,避免盾尾密封被破坏。

当盾尾发生渗漏现象时采取的措施为:

用初凝时间较短（30s以内）的水泥-水玻璃浆液进行注浆,压浆范围在盾尾5~10m;针对渗漏部位集中进行压注盾尾油脂;利用双快水泥、木楔、棉纱等堵塞材料进行封堵。

（7）掘进过程中做好出碴量的记录,保证出碴量与掘进速度的一致,避免出碴量远大于掘进量而引起“冒顶”事故。

7结束语

盾构施工穿越既有建（构）筑物等障碍物时,施工前首先要对既有建筑物进行调查,充分了解具体边界条件后,才能做好较为准确的风险性分析;其次,监控量测作为工程施工的“眼睛”是必须加强的重要环节,由于沉降及变形监测相对有一定的滞后性,所以对于一些特别重要的建（构）筑物（如保护要求高、距离特别近等）,采用预埋土压力盒、钢筋应力计等实时监测手段非常重要;再就是作好设备准备和预案准备,在穿越障碍物前作一次盾构机的强制检查保养,确保盾构机通过过程中设备正常运转和连续性;同时针对穿越障碍物的风险,制定相应的预案,以保证在出现意外情况时仍然可以按预案进行处理而不致手足无措。