盾構穿越古建筑群施工技術

杭州地鐵1號線12、13號盾構定安路站~龍翔橋站區間大量房屋、古建筑和臨街商鋪,古建筑群主要在清末和民國時期修建,天然基礎,一至兩層磚木結構,全部為杭州市歷史文物保護建筑。在分析同類型工程經驗的基礎上,盾構穿越古建筑群前,通過建立試驗段對盾構施工參數進行優化、管片注漿孔進行設計優化等,同時配合信息化施工,調整施工參數,保證了安全順利穿越古建筑群,為后續項目提供了經驗。

  隨著社會、經濟的高速發展,城市化進程的不斷加快,為有效緩解地面交通壓力,越來越多的城市進行地鐵規劃和建設。由于地面資源的利用逐漸趨于飽和和城市歷史形成的原因,地鐵設計及建設的周邊環境控制因素越來越多,地鐵穿越居民小區甚至歷史文物保護建筑大量出現。因此,本文依據杭州地鐵1號線定安路站~龍翔橋站盾構區間工程較為系統地總結穿越古建筑群施工經驗,為后續工程提供經驗指導。
  一、工程概況
  杭州地鐵1號線12、13號盾構定安路站~龍翔橋站區間工程盾構自定安路站始發后沿西湖大道向西掘進,隧道右轉下穿古建筑群后至延安路下掘進,直至到達龍翔橋站。本區間隧道頂埋深9.3~22.3m,隧道主要穿越⑦1粉質粘土層、⑦2粘質粉土層、④3淤泥質粉質粘土夾粉土層和④2淤泥質粉質粘土。
  本區間穿越的古建筑群主要在清末和民國時期修建,天然基礎和條石基礎,一至三層磚木(混)結構,抗變形能力差.
  
  二、盾構穿越古建筑群施工技術
  2.1建立試驗段
  試驗段在盾構穿越古建筑群前50m范圍內較為合適(地質情況和埋深比較接近),通過試驗段試掘進,摸索出在不同的推進參數下地面和周邊建構筑物變形情況,并根據監測數據對掘進參數進行優化調整,最終實現的目標是:盾構機通過后地表預隆起量1~3mm,工后沉降量≤10mm。
  
  2.2 初步確定推進參數
  1、土壓力計算值
  在盾構掘進前,根據隧道埋深、土層性質和地面超載計算出盾構正面土壓力,土壓力設定值約為計算值的1.05~1.1倍。
  P=KP0
  P:土倉設定壓力
  P0:靜水壓力和地層土壓力之和
  K:土壓力系數
  試驗段范圍隧道埋深為18.8~18.9m,試驗段內各斷面的計算土壓力為0.20~0.21Mpa。
  2、出土量控制值
  盾構機外徑6.34m,管片環寬1.2m,每環的理論出土量為37.88m3,為降低地層損失,使地表微隆起,因此將出土量控制在理論出值的98%,即37.12m3/環。
  3、推進速度
  試驗段施工時,推進速度不宜過快,盡量做到均衡施工,減少對周圍土體的擾動,避免在途中有較長時間耽擱。如果推得過快則刀盤開口斷面對地層的擠壓作用相對明顯,地層應力來不及釋放,所以正常推進時速度應控制在2~3cm/min。
  4、同步注漿
  ① 注漿壓力
  漿液要充分充填盾構施工產生的地層空隙,避免由此引起的地表沉陷,影響地表建筑物與地下管線的安全。同時防止過大的注漿壓力引起地表隆起或破壞管片襯砌。同步注漿注漿壓力應大于開挖面的土壓力,控制在1.1~1.2倍的靜止土壓力范圍內。
  ② 注漿量
  Q=V·λ
  λ—指注漿率
  V—盾構施工引起的建筑空隙(m3)
  V=π(D2-d2)L/4
  D—指盾構切削外徑(m)(削切外徑6.34m)
  d—指管片外徑(m)(管片外徑6.2m)
  L—管片每環寬度(管片環寬1.2m)
  根據公式計算得
  Q=(6.342 -6.22)×3.14×1.2×λ/4=1.654λm3
  根據杭州軟土地層特性和以往軟土地層施工經驗,試驗段的注漿率為200~300%,試驗段注漿率暫定為為250%,即注漿量初步確定為4.14m3/環。
  5、二次注漿
  為控制盾構通過后的工后沉降,在管片脫出盾尾后進行二次注漿,二次注漿堅持“少量多次”的原則,注漿量為0.3m3/環·次。
  2.3 監測點設置
  為了能及時反映盾構推進過程中隆沉情況,在試驗段范圍內每10m設置一個監測斷面,每個監測斷面共計9個點,軸線上布設1點,軸線左右兩側各布4點,間距分別為2.5m、3.5 m、5 m、4 m,根據每個斷面的監測結果,繪制出沉降槽正態分布曲線。
  2.4 調整優化施工參數
  在盾構試掘進期間,每天將監測數據進行整理分析,根據各監測斷面的監測數據所反映的地面變形情況對掘進參數進行調整。由于同一監測斷面在盾構機通過的不同時段所引起的地表隆沉原因不同,因此將各個監測斷面按盾構到達前、盾構刀盤、脫離盾尾、盾構通過后(1天、3天、7天、14天)各時間點的監測數據進行分析,并采取相應的措施調整盾構掘進和注漿參數。
  1、盾構到達前
  在盾構機到達前100m時布設監測點并讀取初始時。
  2、盾構刀盤到達
  (1)地表沉降
  當監測數據顯示盾構機刀盤前方土體沉降較大時,說明正面土壓力設置偏小,將土壓力系數適當調高,每次調整量控制在0.01~0.02范圍內。同時應調整盾構總推力,扭矩、推進速度和土壓力相匹配。
  (2)地表隆起
  當監測數據顯示盾構機刀盤前方土體隆起量較大時,說明正面土壓力設置偏大,將土壓力系數適當調低,每次調整量控制在0.01~0.02范圍內。同時調整盾構總推力、降低扭矩、放慢推進速度。
  3、盾尾到達
  (1)地表沉降
  當盾構機尾部已通過監測斷面時,若監測數據顯示,盾尾土體沉降較大時,說明同步注漿量偏小,可適當增大同步注漿量,每次調整量控制在0.3~0.5m3范圍內。
  (2)地表隆起
  當監測數據顯示,盾尾土體隆起量較大時,說明同步注漿量偏大,可適當減少同步注漿量,每次調整量控制在0.2~0.3m3范圍內。
  4、盾構機完全通過
  當盾構機尾部已通過監測斷面3天后,同步注漿漿液已凝固并產生一定的收縮,此時的地表沉量會較脫離盾尾前增大,開始進行二次注漿。根據盾構機通過1天、3天、7天、14天時監測斷面的變形量和變形速率調整注漿量和注漿參數。
  (1)沉降變形繼續增長
  當地表沉降變形繼續增長,變形速率衰減時,說明二次注漿量偏少,需要繼續進行二次注漿。
  (2)沉降變形趨于穩定
  當地表沉降變形速率逐漸減小趨于零,或由沉降開始變為隆起時,說明二次注漿量已達到控制地表變形要求,可以減少注漿量或是停止注漿。
  (3)地表突然隆起
  在二次注漿初期,單日變形為突然隆起且變形速率較大時,說明注漿量較多、注漿壓力偏大,需減少二次注漿量、降低注漿壓力。二次注漿應遵循“多點、少量、多次、均勻” 的循環往復注漿原則。
  2.5 掘進參數的確定
  1、按照理論設計參數推進
  土壓力為0.205~0.21Mpa,同步注漿量約4.14m3/環,地面沉降監測數據如下表。
  2、調整土壓力為0.195~0.205Mpa,同步注漿量約4.14m3/環,地面沉降監測數據如下表。
  3、土壓力為0.19Mpa,同步注漿量約4.7m3/環,地面沉降監測數據如下表。
  4、經過試推進,根據以上三個表格中參數的設置和結果比較分析,最后確定推進參數。土壓力為0.19Mpa,同步注漿量約4.7m3/環,推進時速度應控制在2~3cm/min時,地表隆沉較為合理。
  2.6 盾構穿越古建筑群施工
  根據盾構穿越古建筑群前建立的試驗段所摸索出的盾構施工參數進行掘進。盾構施工是一個動態施工過程,穿越過程中,根據監測數據不斷的對施工參數進行修正,以試驗段中確定的參數為基準,不斷的進行微調和優化,真正做到信息化施工,進而確保安全順利的穿越古建筑群。
  三、優化管片注漿孔
  對于建(構)筑物而言,尤其是盾構單側穿越或是左右雙線兩次穿越的建(構)筑物,易造成建筑物產生差異沉降,而差異沉降將嚴重影響建(構)筑物的安全。加之盾構穿越的地層主要是軟土地層,故盾構穿越后的工后沉降控制時間較長,工后沉降控制需反復多次跟蹤注漿。
  普通管片中注漿孔在3個標準塊+2個鄰接塊+ 1個封頂塊的管片中心各設計一個注漿孔,共6處注漿孔。為能夠反復多次注漿,除封頂環為1個注漿孔外,其余各塊管片均設計為3個注漿孔,每環管片共計16個注漿孔。優化后的管片能夠實現多點、多次、均勻的二次注漿,從而保證注漿效果,更能有效控制古建筑群的后期沉降。
  
  四、盾構穿越古建筑群施工效果
  盾構穿越古建筑群期間沒有發生過大的隆起和沉降,沒有發生地面和室內外房屋墻面開裂。通過連續100天對古建筑群工后沉降監測,數據已穩定,古建筑物累計最大沉降量為-5.75mm,97%的監測點累計沉降量在-5mm以內。
  五、結束語
  地鐵隧道穿越古建筑群施工是地鐵施工中重大的風險源,尤其是在軟土地層中穿越。只要我們注重理論與實踐相結合,采取有效的措施,就能杜絕事故的發生,確保穿越古建筑群施工安全。實踐證明,本工程在軟土地層中盾構穿越古建筑群施工措施效果顯著,是非常成功的一次穿越,尤其是試驗段模型的建立功不可沒,可供類似工程參考。

來源:南方古建筑設計院

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