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盾構(gòu)法施工在天津地鐵中的應(yīng)用論文
摘 要：通過(guò)介紹天津地鐵一號(hào)線盾構(gòu)施工中的重要參數(shù)和對(duì)環(huán)境保護(hù)，尤其重要構(gòu)(建)筑物的保護(hù)方案、措施，說(shuō)明在天津地鐵區(qū)間施工引進(jìn)盾構(gòu)施工工法的合理性及實(shí)用性。
關(guān)鍵詞：天津地鐵；盾構(gòu)法；重要參數(shù)；環(huán)境保護(hù)
法施工屬于地下工程中的“非開挖”技術(shù)，其選型和應(yīng)用受到具體土體工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件等相關(guān)因素的影響。地質(zhì)資料顯示天津地區(qū)地處沖積平原，土層主要為第Ⅰ陸相層、第Ⅰ海相層、第Ⅱ陸相層、第四系上更新統(tǒng)第Ⅲ陸相層、第Ⅱ海相層及第Ⅳ陸相層，主要是粉土和粉質(zhì)黏土軟土地層，從地質(zhì)條件上看，天津地鐵較適合盾構(gòu)法施工。因此，盾構(gòu)法的引入解決了天津地鐵區(qū)間施工對(duì)周圍環(huán)境的影響，同時(shí)工程造價(jià)又低于礦山法。
結(jié)合天津地區(qū)實(shí)際情況，針對(duì)盾構(gòu)法施工在天津地鐵工程中的應(yīng)用進(jìn)行介紹。
1概述
天津地鐵一號(hào)線新建段盾構(gòu)區(qū)間分別為小白樓站—下瓦房站、下瓦房站—南樓站、南樓站—土城站3個(gè)區(qū)間，全長(zhǎng)為3440m。結(jié)構(gòu)管片頂部埋深為6～12m，隧道洞身主要位于第Ⅰ海相層、第Ⅱ陸相層和第四系上更新統(tǒng)第Ⅲ陸相層。隧道內(nèi)徑為5500mm，管片厚度為350mm。3個(gè)區(qū)間均采用單向推進(jìn)、不過(guò)站、不掉頭的施工工藝。
根據(jù)天津的地質(zhì)條件，3個(gè)區(qū)間均使用土壓平衡盾構(gòu)，本次施工采用了德國(guó)海瑞克和日本川崎兩公司盾構(gòu)機(jī)，通過(guò)工程實(shí)踐，取得了一定的技術(shù)參數(shù)。具體應(yīng)用情況為：小白樓站—下瓦房站、下瓦房站—南樓站2個(gè)區(qū)間使用德國(guó)海瑞克盾構(gòu)機(jī)，南樓站—土城站區(qū)間使用日本川崎設(shè)備。
本文結(jié)合小白樓站—下瓦房站區(qū)間施工情況，從以下幾個(gè)方面介紹盾構(gòu)法在天津地鐵的應(yīng)用。
2 盾構(gòu)機(jī)的選擇
盾構(gòu)機(jī)的選擇主要根據(jù)工程所在區(qū)域的地層工程地質(zhì)和水文地質(zhì)情況、工程的線路情況(包括平面和豎向隧道線型、沿線的環(huán)境條件和地下障礙物情況等)、盾構(gòu)機(jī)的機(jī)械性能等方面。結(jié)合天津地區(qū)土層飽和軟弱地層較均勻的特性，采用適用地層范圍廣、技術(shù)先進(jìn)合理，在其他地區(qū)運(yùn)用較為成熟的土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)。
3 盾構(gòu)推進(jìn)施工參數(shù)設(shè)定
(1)平衡壓力值的設(shè)定
據(jù)計(jì)算，在盾構(gòu)穿越加固區(qū)時(shí)，取值約為0.17MPa；在正常段推進(jìn)中取值約為0.20～0.24MPa。
(2)盾構(gòu)機(jī)的推力設(shè)定
實(shí)際施工時(shí)，在盾構(gòu)穿越加固區(qū)時(shí)，取值約為10000kN；在正常段推進(jìn)中取值約為10000～13000kN。
(3)推進(jìn)出土量設(shè)定
每環(huán)理論出土量=(π×D2×L)/4=32.05m3/環(huán)。
盾構(gòu)推進(jìn)實(shí)際出土量控制在98%～100%，穿越加固區(qū)時(shí)，出土量約為32m3/環(huán)；正常段推進(jìn)時(shí)出土量約為31～32m3/環(huán)。
(4)推進(jìn)速度設(shè)定
加固區(qū)推進(jìn)速度宜控制在10mm/min左右；正常推進(jìn)時(shí)在保證地面變形滿足設(shè)計(jì)要求和規(guī)范的前提下，推進(jìn)速度基本在30～50mm/min。一般情況下每天可推進(jìn)8～10環(huán)，最快為20環(huán)/d，最慢為5環(huán)/d。
(5)刀盤油壓設(shè)定
加固區(qū)土質(zhì)較硬推進(jìn)較慢，刀盤油壓值相對(duì)較高，一般為16～18MPa；出加固區(qū)后，盾構(gòu)正常推進(jìn)，油壓值基本在14～16MPa。
4地面變形量控制
影響地面變形的因素主要有2個(gè)：盾構(gòu)推進(jìn)和同步注漿與壁后補(bǔ)壓漿。
(1)盾構(gòu)推進(jìn)引起的地面變形
本區(qū)間所用盾構(gòu)機(jī)為土壓平衡盾構(gòu)。平衡壓力P0設(shè)置范圍為
(水壓力+主動(dòng)土壓力)<；P0<；(水壓力+被動(dòng)土壓力)
以平衡壓力與正面的土壓力相匹配為控制目標(biāo)，通過(guò)實(shí)測(cè)土壓力值P1與P0值相比較，依此壓差進(jìn)行相應(yīng)的排土管理。其控制流程如下：
當(dāng)P0<；Pi時(shí)，盾構(gòu)機(jī)平衡壓力低于正面土壓，造成超挖，地面將產(chǎn)生沉降；
當(dāng)P0>；Pi時(shí)，盾構(gòu)機(jī)平衡壓力高于正面土壓，造成欠挖，地面將產(chǎn)生隆起；
當(dāng)P0=Pi時(shí)，盾構(gòu)機(jī)正常推進(jìn)。
因此，盾構(gòu)機(jī)的平衡壓力控制直接導(dǎo)致盾構(gòu)正面地面土體的變形量。
(2)盾構(gòu)推進(jìn)
盾構(gòu)直徑為6.39m，管片直徑為6.2m，盾構(gòu)施工后的建筑空隙如果不填充，周圍土體就會(huì)向此空隙移動(dòng)，造成地面沉降。盾構(gòu)推進(jìn)中的同步注漿和襯砌壁后補(bǔ)壓漿是充填土體與管片圓環(huán)間的建筑空隙、控制地層變形和減少后期變形的主要手段，也是盾構(gòu)推進(jìn)施工中的一道重要工序。
�、偻阶{
每環(huán)理論建筑空隙：1.0π(6.392-6.22)/4=1.87m3
盾構(gòu)外徑：φ6.39m；管片外徑：φ6.2m
每環(huán)壓漿量一般取建筑空隙的150%～250%，即每環(huán)同步注漿量為2.81～4.68m3。泵送出口處的壓力應(yīng)根據(jù)不同深度和土質(zhì)來(lái)控制，一般為0.3MPa左右。
漿液配比見(jiàn)表1。
② 壁后注漿
當(dāng)盾構(gòu)推進(jìn)至特殊地段時(shí)，地面上有需保護(hù)的建筑物(王仲山故居)或管線時(shí)，可根據(jù)實(shí)際情況和地層變形監(jiān)測(cè)信息及時(shí)調(diào)整進(jìn)行壁后補(bǔ)壓漿。漿液可采用雙液漿，注漿的壓力值、壓入量和具體壓入位置根據(jù)實(shí)際情況而定，一般注漿壓力在0.3～0.4MPa。
漿液配比見(jiàn)表2。
5 主要施工技術(shù)措施
(1)嚴(yán)格控制盾構(gòu)施工參數(shù)
為確保盾構(gòu)沿設(shè)計(jì)軸線推進(jìn)，必須采取以下措施控制切口土壓力、推進(jìn)速度、出土量，盡量減少平衡壓力的波動(dòng)，同時(shí)在曲線推進(jìn)過(guò)程中，考慮到刀盤正面所受壓力的差異，需同步調(diào)整控制左右區(qū)間油壓值和左右推進(jìn)千斤頂行程，使之沿設(shè)計(jì)軸線推進(jìn)。具體措施為：①根據(jù)出土量和系統(tǒng)監(jiān)測(cè)設(shè)備，及時(shí)觀察、調(diào)整盾構(gòu)機(jī)平衡壓力；②根據(jù)出土的土質(zhì)狀況和地質(zhì)報(bào)告中地層揭示情況，提前預(yù)測(cè)正面土體壓力，適時(shí)升高或降低盾構(gòu)機(jī)平衡壓力；③嚴(yán)格控制土倉(cāng)壓力及出土量，防止超挖及欠挖；④根據(jù)土體的力學(xué)性能結(jié)合盾構(gòu)機(jī)的機(jī)械性能，控制刀盤的前移距離；⑤加快每環(huán)的拼裝速度，減少盾構(gòu)機(jī)在軟弱土層的停留時(shí)間；⑥正常推進(jìn)時(shí)速度宜控制在2～4cm/min。過(guò)建筑物時(shí)推進(jìn)速度宜控制在1cm/min左右。
(2)嚴(yán)格控制糾偏量
盾構(gòu)的曲線推進(jìn)實(shí)際上是處于曲線的切線上，因此，推進(jìn)的關(guān)鍵是確保對(duì)盾構(gòu)頭部的控制。在曲線時(shí)，盾構(gòu)推進(jìn)施工環(huán)環(huán)都在糾偏，必須做到勤測(cè)勤糾，而每次的糾偏量應(yīng)盡量小，確保楔形塊的環(huán)面始終處于曲率半徑的徑向豎直面內(nèi)。控制和掌握盾構(gòu)單次糾偏的幅度，使糾偏盡量均勻穩(wěn)定，以減少糾偏對(duì)周圍土體造成的影響。同時(shí)，在確保盾構(gòu)正面變形控制在良好的情況下，使盾構(gòu)均衡勻速施工，以減少盾構(gòu)施工對(duì)地面的影響。
在曲線段施工管片拼裝位置應(yīng)嚴(yán)格控制。若管片位置不理想，且曲線管片無(wú)法滿足糾偏時(shí)，應(yīng)采用軟木楔子進(jìn)行調(diào)整，使管片處于較理想位置狀態(tài)，確保盾構(gòu)軸線。
(3)控制襯砌背后注漿
推進(jìn)時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制漿液的質(zhì)量、注漿量、注漿位置和注漿壓力，并根據(jù)施工中的變形監(jiān)測(cè)情況，隨時(shí)調(diào)整注漿參數(shù)，必要時(shí)采用壁后補(bǔ)壓漿的方法進(jìn)行控制。在施工過(guò)程中采用推進(jìn)和注漿聯(lián)動(dòng)的方式，注漿未達(dá)到要求時(shí)盾構(gòu)暫停推進(jìn)，以防止土體變形。注漿工藝應(yīng)注意以下幾點(diǎn)，以確保注漿效果：
①控制注漿時(shí)間，確保在最佳的時(shí)間采取注漿措施；
�、诟鶕�(jù)土質(zhì)情況，確定采用同步注漿、半同步注漿或推進(jìn)后注漿、后方注漿；
�、鄹鶕�(jù)土層條件(土的種類、土壓、承壓、水壓等)和掘削條件的不同確定同步注漿壓力和注漿量；
�、懿扇〈胧┓乐贡澈笞⑷霛{液從盾尾、工作面管片接頭等處泄露；
�、莞鶕�(jù)填充效果和目的(是否考慮抗?jié)B等問(wèn)題)，適當(dāng)采取二次注漿；
�、薮_保注漿材料質(zhì)量和注漿工藝的恰當(dāng)性。
雖然設(shè)計(jì)軸線為圓滑曲線，但在實(shí)際推進(jìn)過(guò)程中，掘進(jìn)軸線必然為一段段折線，且曲線外側(cè)出土量又大。這樣，必然造成曲線外側(cè)土體的損失，并存在開挖施工建筑空隙增大。因此，在曲線段推進(jìn)過(guò)程中在進(jìn)行同步注漿的工程中必須加強(qiáng)對(duì)曲線段外側(cè)的壓漿量，以填補(bǔ)施工空隙，同時(shí)加固外側(cè)土體，使外側(cè)土體給予管片足夠的支撐力，減小已成隧道的水平位移，確保盾構(gòu)順利沿設(shè)計(jì)軸線推進(jìn)。
(4)對(duì)于出現(xiàn)超沉建筑物的補(bǔ)救措施及加強(qiáng)地面跟蹤注漿
盾構(gòu)穿越重要地段時(shí)，加強(qiáng)對(duì)地面變形情況的監(jiān)測(cè)分析，及時(shí)調(diào)整推進(jìn)參數(shù)。若地面建筑物變形量超過(guò)警戒范圍時(shí)，則需在隧道內(nèi)通過(guò)管片注漿孔進(jìn)行壁后雙液注漿，并進(jìn)行地面跟蹤注漿來(lái)保護(hù)建筑物。
6施工中的難點(diǎn)
(1)盾構(gòu)穿越“王仲山舊居”施工
在浦口道和南京路之間，盾構(gòu)軸線上方有百年歷史的“王仲山舊居”(磚木結(jié)構(gòu))，坐落于天然地基上，基礎(chǔ)為1.0m的磚墻基礎(chǔ)。為保護(hù)此建筑物，對(duì)盾構(gòu)推進(jìn)的軸線和地面變形控制要求嚴(yán)格，為控制重點(diǎn)，在施工中采取了前述幾點(diǎn)技術(shù)措施加以控制，同時(shí)還采取以下措施。
�、偌訌�(qiáng)地面跟蹤注漿
由于“王仲山舊居”對(duì)變形非常敏感，盾構(gòu)穿越建筑物前200m時(shí)，沿建筑物周邊提前埋設(shè)可以反復(fù)注漿的注漿花管，并布置一定數(shù)量的監(jiān)測(cè)控制點(diǎn)。盾構(gòu)穿越建筑物時(shí)，若地面建筑物變形量超過(guò)警戒范圍時(shí)，除需在隧道內(nèi)通過(guò)管片注漿孔進(jìn)行壁后雙液注漿，更要及時(shí)進(jìn)行地面跟蹤注漿來(lái)調(diào)整和控制建筑物的沉降量，只有地面的注漿措施對(duì)于保護(hù)建筑物更為有效、直接。
根據(jù)建筑物與線路的關(guān)系，沿周邊按照1.5m間距布置可以反復(fù)注漿花管，埋入地下8～10m。漿液主要材料配比見(jiàn)表3。
② 采用靜力水準(zhǔn)方法監(jiān)測(cè)
針對(duì)建筑物的平面布局和基礎(chǔ)形式，結(jié)合結(jié)構(gòu)與線路的平面關(guān)系，在結(jié)構(gòu)的每個(gè)角部和每條邊的中部埋設(shè)監(jiān)測(cè)連通管。
由于采取了得當(dāng)?shù)氖┕ご胧┖褪┕ば畔⒒姆答伖ぷ鞯轿�，最終沉降量為-10.4mm，完全控制在其允許沉降范圍內(nèi)(據(jù)推斷分析，“王仲山舊居”最大沉降量約為25mm)，確保了名人故居的安全。
(2)穿越磚砌污水方涵
磚砌方涵斷面尺寸為2.35m×2.35m，位于天津市河西區(qū)大沽南路、圍堤道和尖山路交會(huì)的五岔路口，總體走向?yàn)閲痰婪较�，與大沽南路斜交。據(jù)調(diào)查，方涵建于1958年，目前仍在使用。方涵與南樓站—土城站區(qū)間的左右線隧道相交處隧道埋深分別為13.224m和13.596m。方涵位于地下3m以下，距隧道凈距約為8.246m。
根據(jù)理論計(jì)算和分析，方涵沉降量應(yīng)控制在20mm以內(nèi)。施工時(shí)通過(guò)該地下結(jié)構(gòu)時(shí)，通過(guò)采取以下措施，盾構(gòu)推進(jìn)引起的地面沉降變形基本控制在5～20mm：
①根據(jù)盾構(gòu)推進(jìn)自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備和地面監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)，及時(shí)調(diào)整盾構(gòu)正面壓力，合理控制推進(jìn)速度；
�、趪�(yán)格控制土艙壓力及出土量，防止超挖、欠挖；
�、劭刂贫軜�(gòu)推進(jìn)姿態(tài)的變化，保持均衡勻速的施工，減少對(duì)地層的擾動(dòng)，方涵處盾構(gòu)隧道洞體位于300m半徑曲線上，控制好盾構(gòu)姿態(tài)和單次糾偏幅度，使糾偏量均勻、穩(wěn)定，以減少因糾偏對(duì)周圍土體造成的影響；
�、芸刂仆阶{的漿液質(zhì)量和注漿壓力、注漿量，減少盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)后土體的變形。
7 結(jié)論
(1)盾構(gòu)選型考慮了小半徑的施工，因此，選擇了具有糾偏千斤頂裝置的鉸接盾構(gòu)。調(diào)整盾尾的位置，使盾尾與管片的相關(guān)位置得到改善，從而便于管片的拼裝，更好地控制隧道的推進(jìn)軸線。
(2)調(diào)整好刀盤的開孔率和壓力對(duì)控制地面沉降極為重要，再加以輔助措施，實(shí)踐證明沉降還是可以很好地控制在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)的。
(3)對(duì)于施工中的重點(diǎn)部位，加強(qiáng)監(jiān)測(cè)和確保實(shí)現(xiàn)信息化施工，是達(dá)到預(yù)期目標(biāo)的重要手段。
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