隧道工程软土地层盾构进出洞加固

本文利用了ＳＭＷ工法中水泥土搅拌桩的止水功能与Ｈ型钢的抗变形能力,在施工场地比较狭小和地下管线复杂的情况下,将其应用于加固某盾构隧道出洞时的周围软土地层,取得了良好的效果和经济效益,对类似工程有一定的指导意义。

1 概述

软土地层盾构进出洞加固通常采用深层搅拌桩,并在搅拌桩与连续墙之间进行旋喷或注浆,但是在施工场地窄小或地下有建筑管线时,这种方法有时将变得无法进行。本文以上海地铁Ｍ8线ＶＢ标区间隧道为例,介绍软土地层中采取ＳＭＷ工法出洞施工技术。

盾构出洞是指盾构机安装调试完成后,对准设计中心点、按照中心线路,自始发井出发,穿过井壁,推过整个加固区的施工过程。它涉及到盾构机的安装、布置、调试及其所需的配套设施的准备、井壁混凝土的处理、井外地基处理、洞门防流水涌砂处理、盾构机推进控制、管片拼装和环境保护等工作。

2 出洞地面准备

2.1 盾构机的进场

由于盾构机自身的体积和重量比较大,在城市繁忙的交通条件下,尽量选择夜深、人少、车少的时间进场,进场前拟定合理的行驶路线,征得交警部门的同意,并邀请交警协助运送。

2.2 临时设施

在盾构推进施工前,接常规进行施工用电、用水、通风、排水、照明等设施的安装工作;施工必需材料、设备、机具备齐,管片、连接件的储量需满足三天推进用量;井上、井下建立测量控制网并经复核、认可;车架安置到位,电缆、管路等接至井下;对隧道沿线的建筑物以及盾构将要穿越的需要保护的管线布置沉降监测点。沿线盾构障碍物在盾构推进前开始拔除。

吊运盾构机的大型吊车到位,主吊车采用200ｔ,辅助吊车选择100ｔ,完成盾构机的吊运。

3 井下准备

3.1 盾构承台设备(亦称发射架)

作为盾构机在井内的支承台座,在焊接制作时,主要考虑其能够充分承受盾构机自重,可以进行安全的移动操作,并用钢轨、工字钢或其它材料设置一条可靠的盾构推进轨道,保证起步工作准确进行。

3.2 盾构机下井安装

由于盾构机进场和吊运时被分为几个部分,并在下井时焊接安装了吊钩等连接件。盾构机井下组装时,要将这些连接件割除,并将各组件焊接组装。其安装位置以设计上的中心位置和高度为基础确定。

3.3 反力支撑设备(后盾反力系统)

3.3.1 后盾反力装置及发射架安装

后盾反力装置由钢反力架、146°钢弧形环、钢支撑、钢门及临时衬砌组成。后盾临时衬砌由宽度为1ｍ的管片组成,采用通缝连接。

3.3.2 反力架安装

根据首环管片的里程,决定反力架的平面位置。反力架安装时,用经纬仪双向校正两根立柱的垂直度,使其形成的平面与推进轴线垂直。在反力架固定牢靠后,用素砼找平其与车站结构间的空隙。

3.3.3 负环安装

负环管片安装前,先在反力架上测出最后一环后盾管片的投影位置和纵向螺栓位置,弹好控制线,并预先把纵向螺栓焊接在反力架上,以便于今后施工。

最后三环(即-12、-11、-10环)管片需待盾构机下井后,用吊车吊至井下安装。由于-9环管片已伸入盾构机中,因此,从-9环开始,所有负环都在盾构机中安装。

在安装-10环管片之前,必须先涂好盾尾油脂。同时,控制好-11环管片的法面,必要时需粘贴纠偏材料。

当-9环管片安装完毕后,盾构机准备前进,同时,开始打开洞门。此时橡胶帘布板已安装完毕,起重工应在洞门完全打开以前把-8环管片全部准备到位。洞门打开,迅速清理洞门垃圾,盾构机向前推进约30ｃｍ,拼装-8环管片。盾构机继续推进,管片紧随拼装。

-6环拼装结束后,盾构机头部进入橡胶帘布板,开始前仓回土,再推进100ｃｍ后拼装-5环管片。-5环管片拼装结束后,再推进约30ｃｍ,安装146°钢弧形环及钢支撑。钢弧形环及钢支撑安装完毕,再推进约15ｃｍ,盾构机应已开始出土,大刀盘突尖已出洞,推进时应控制前仓压力及盾构千斤顶油泵压力,防止因切削速度过快,引起塌方。

4 井外土体加固工作

软土地层盾构出洞施工前的井外土体加固通常可以采用深层搅拌桩、ＳＭＷ桩或冻结法进行施工。本工程的两个始发井分别位于虹口足球场站和曲阳路站,虹口足球场站地下2.0ｍ以下分别为粉土层和粘土层,曲阳路站在地下16ｍ范围基本为砂质粉土层,这样的土层自身缺少自立性和防水性,一旦有较大的临空面时,土体就可能产生大量滑坡、坍塌、涌水和涌沙现象。综合考虑地质情况、施工场地条件、施工工期和工程造价,决定在虹口足球场站始发井外采取深层搅拌桩结合注浆加固;在曲阳路站始发井外采取ＳＭＷ桩结合旋喷加固(在距端头井4ｍ位置有二根上水管,深层搅拌桩加固范围不够)。注浆和旋喷加固的主要作用是使搅拌桩或ＳＭＷ桩与井壁外侧形成的加固盲区得已补充,使得加固区形成一个整体,避免开洞门时漏浆。本文主要介绍ＳＭＷ工法出洞加固施工。

4.1ＳＭＷ桩加固区的选定

型钢采用500×200×10×16窄翼缘型钢,搅拌桩采用700直径。型钢每孔插入一根。插入深度18ｍ。其平面布置见图2。

4.2 加固体中型钢的强度和变形检算

型钢Ｗ=1927ｃｍ3,Ａ=115.5ｃｍ2

加固后土体按:γ=1.9ｋＮ ｍ3,=22°

上述是按照每米土体两根型钢来承受,其强满足要求。同时其变形经计算满足ＳＭＷ桩型钢的拔除要求。

4.3 ＳＭＷ桩施工参数的确定

该地基加固工程采用φ650ｍｍ水泥土搅拌,搅拌体长18.6ｍ。贴近墙体边的加劲部分为Ｈ500×200×10×16型钢,以密插方式插入;共计四排水泥土搅拌桩,采用32.5级普通硅酸盐水泥,水泥掺合比15%,水灰比1.5左右,墙体抗渗系数小于10-7ｃｍ ｓ。28天无侧限抗压强度大于0.8ＭＰａ;浆液配比根据现场试验,参考配比水泥:水=1∶1.5;桩体垂直偏差不大于1 200,桩位偏差不大于20ｍｍ。

5 盾构出洞

5.1 加固效果检测

经过改良的土体,要求其有一定的自立性和稳定性,同时不能漏水、流沙,根据设计指标和规范规定,对于该类型的土体改良要检查其土体强度和抗渗性能指标。土体强度通过钻芯取样测定其抗压强度,如果条件允许也可通过静力触探或贯入法测定其强度和搅拌的均匀性;抗渗指标一般进行探孔取样,通过对样品的目测,征求监理、业主和质检站的意见,确定其抗渗是否能够达到开洞门的要求。

5.2 洞口井壁砼凿除

通过对检测结果分析,改良土体如果达到设计要求的各项指标,即可开始凿除井壁混凝土。在出发井施工时,井壁上已经按照设计要求预埋好洞门钢圈,洞门凿除的部分也就是钢圈所包围的范围。

洞口井壁混凝土凿除前,必须复核洞门中心坐标及高程,保证满足盾构机出洞的要求;洞口井壁砼采用高压风镐凿除,凿除工作须分二层渐进,根据井壁厚度,先凿除其外层3 4,(约600ｍｍ),并割除钢筋预埋件。外层凿除工作先上部后下部。钢筋及预埋件割除须彻底。以保证预埋门洞的直径。

里层井壁凿除方法是将剩余的1/4厚度分割成九大块,具体做法是在洞门中心位置上凿二条水平槽,沿洞门周围凿一条环槽,然后开二条竖槽,其中一条凿在地坪接缝处。开槽凿除砼,露出井壁钢筋,同时在每一块砼块上凿出栓钢丝绳的位置。

拆除洞口脚手架改搭临时易拆操作平台,钢筋割断与混凝土块吊离应先下部后上部,先中间后二侧,割一块吊一块。合理安排割断顺序,使用长割具,防止砼块倾倒。尽可能缩短砼块吊离工作的时间,防止土体塌方,吊离完毕后盾构机须迅速进入洞门。

5.3 洞口止水帘布安装

由于洞口与盾构(或衬砌)存在建筑空隙,易造成泥水流失,从而引起地表沉降,因此,须在洞口安装出洞装置,出洞装置包括帘布橡胶板、圆环板、扇形板及相应的连接螺栓和垫圈。安装前须对帘布橡胶板上所开螺孔位置、尺寸进行复核,确保其与洞圈上预留螺孔位置一致,并用螺丝攻清理螺孔内螺纹。安装顺序为帘布橡胶板→圆形板→扇形板,自上而下进行。安装时圆形板的压板螺栓应可靠拧紧,使帘布橡胶板紧贴洞门,防止盾构出洞后同步注浆浆液泄漏。