摘 要: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188金宝博平台有一定的指导意义。
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188金宝博平台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188金宝博平台造价,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188金宝博平台采用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。
5.4 盾构机出洞掘进
盾构机出洞前,切口进入帘布前,须先在密封仓内填充粘土(如砖胚)或人工浆液约30ｍ3,防止出洞后端头井外侧地表坍陷。同时为避免刀盘上的刀头损坏洞口密封装置,在刀头和密封装置上涂抹黄油以减少摩擦力。盾尾钢丝刷需用专门的装置安装牢固,盾尾钢丝刷中必需充满盾尾油脂。
当盾尾脱出工作井壁后,调整洞圈止水装置中的弧形板,并与洞门特殊环管片连接成一体,以防止土体从间隙中流失而造成地面的塌落。
出洞时盾构应迅速上靠,在油压显示约等于静止土压力时,用刀盘切削水泥搅拌桩,并穿越下面加固区。在这段区域施工时,土压力设定值应略低于理论值,推进速度不宜过快,盾构坡度可略大于设计坡度,待盾构出加固区时,为防止由于正面土压变化而造成盾构突然“磕头”,必需将土压力的值设定成略高于理论值,并在推进时按工况条件在盾构正面加入发泡剂或泥,以改良正面的土体,施工过程中根据地层变形量等信息反馈,对土压力设定值、推进速度等施工参数作及时调整。
6 出洞的安全和应急措施
地下188金宝博平台的施工风险随时都存在,即使准备很充分,也可能有意想不到的情况发生。进出洞施工尤其突出,这种风险主要表现在洞门凿开后土体的稳定性和止水性,为了降低开洞门后土体坍塌或流砂带来的风险,在土体改良达到规范要求的时间后,对改良效果进行检测,主要检测其强度和止水性,目前新采用的检测方法为钻芯取样和正面捋孔取样。施工中常见的是洞门凿除以后的流砂现象,这样势必造成井壁外地面周围建筑物和管线沉降。
在出洞施工中,洞门砼必须凿除、吊离后,盾构机才能推进,其风险要比进洞大得多,所以洞门凿除前要进行每个探孔取样,观察分析样品,确保洞门打开后土体的安全。同时,在开洞门时,要先剥落内侧约50ｃｍ厚,剩余30ｃｍ厚的砼要分块凿除。分块凿除要从上而下,钢筋割断后,凿几个较大的孔,观察内部土体的情况,一旦土体不稳定,且有流砂情况,立即封堵,并在井外采取注浆或旋喷,必要时,可在洞门范围内正面打孔注浆。浆液使用快凝型水泥———水玻动浆液,水泥浆液和水玻动之比,按照小样的初凝时间确定,一般在0.5～1ｈ范围内。
注浆完成24ｈ后可以重新开孔观察,直至确定加固土体的稳定性和上水性,方可分块拆除吊离洞门砼,砼吊离后,迅速将盾构机推进,及时靠到临空土体上,此时扇形板和帘布板牢牢地靠在盾构机上,即盾构安全出洞。
出洞施工中,只要有土体坍塌或者流砂现象,就必然有地面、周边建筑物和管线沉降,所以要在出洞阶段加强监测,视监测到的变形情况采取注浆、悬吊等措施。
7 ＳＭＷ工法盾构出洞施工技术要点
7.1 出洞口前土体加固
盾构出洞前土体加固需根据地质、型钢规格、环境条件等加以确定。加固质量一定要保证,防止流砂出现。型钢焊接一定要牢靠,每根型钢要进行探伤试验,确保每根型钢都能拔出。
7.2 基座定位
盾构中心的坡度与隧道设计轴线坡度保持一致,考虑到盾构后期沉降因素,盾构中心可比设计轴线略高30～50ｍｍ,然后对基座加支撑,防止盾构基座移动。
7.3 凿除洞门混凝土
可以盾构为后座,用枕木垛支撑洞口墙体,自上而下凿除,当洞口加固范围因条件限制达不到要求时,经验算后可在盾构底以上一定高度范围堆放ｑｕ=0.1～0.2Ｍｐａ的夯实回填土,以减少加固土体承受的正面土压力而保安全。
7.4 出洞门装置及导轨安装
洞门碎混凝土清理完毕后,安装出洞装置(即“袜套”)、圆环板等,须保证“袜套”完整及导向轨道在洞口“袜套”处断开,洞圈内要重新烧焊支点,防止盾构叩头。
7.5 防止盾构旋转、上飘
盾构出洞时,正面加固土体强度较高。由于盾构与地层间无摩擦力,盾构易旋转,应加强盾构姿态的测量,如发现盾构有较大转角,可以采用大刀盘正反转的措施进行调整。盾构刚出洞时,推进速度缓慢,大刀盘切削土体中可加水降低盾构正面压力,防止盾构上飘,加强后盾支撑观测,尽快完善后盾钢支撑。
7.6 洞圈封堵
盾构全部进入洞门,立即封堵洞圈,焊接扇形钢板,以防洞门漏浆,当盾尾离开洞门约3ｍ时,应对洞口注聚胺酯或双液浆封堵,并同时开启同步注浆及盾尾油酯系统,以免注浆液倒灌,堵死浆管。
7.7 后盾结构
盾构出洞的顶力要通过后盾结构传到后座井壁上去,后座结构设计时应注意下列要求:预留运输管片、材料等需要的空间;后盾结构、后座管片环和钢支撑,在盾构后座顶力作用下应满足强度和刚度的要求,特别要防止后座结构出现过大的位移;盾构基座导轨必须顺直,严格控制标高、间矩及中心轴线。
8 结论
通过采用ＳＭＷ工法对某盾构隧道进出洞周围土体进行加固的实践证明,在场地比较狭小和地下管线复杂的情况下,该方法具有一定的优势以及广阔的应用前景。
