穿越高速公路輸水工程中盾構(gòu)法的應(yīng)用

王劍峰

(北京市自來水集團(tuán)有限責(zé)任公司基建工程管理部,北京100011)

1 工程概況

團(tuán)城湖至第九水廠輸水工程是北京市南水北調(diào)配套工程的重要組成部分,其主要任務(wù)為實(shí)現(xiàn)向第九水廠輸送南水北調(diào)及河北四座水庫來水。工程自南水北調(diào)總干渠團(tuán)城湖明渠左岸取水,通過引水管涵(或渠道)進(jìn)入團(tuán)城湖調(diào)節(jié)池,經(jīng)團(tuán)城湖調(diào)節(jié)池調(diào)節(jié)后分別為第九水廠、田村山水廠、城子水廠等用水戶供水。

輸水隧洞采用盾構(gòu)法施工,圓形斷面,盾構(gòu)設(shè)備選用目前數(shù)量較多的DN6.14及DN6.28盾構(gòu)機(jī),輸水隧洞建成后內(nèi)徑為4.7 m。盾構(gòu)隧道在樁號(hào)7+212～7+288處穿越八達(dá)嶺高速公路,穿越距離約為80 m。此處隧道埋深約為12.5 m左右。

八達(dá)嶺高速(京昌路)是北京市向北的管線走廊之一,地下管線密集,覆土深淺不一,修建時(shí)間有早有晚,管線種類繁多,又接近橋臺(tái)位置,重要程度不言而喻。盾構(gòu)穿越高速一是保證路面下沉控制在一定的范圍內(nèi),二是保證地下管線的安全。

2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

輸水管線穿越段在地面以下30 m深度范圍內(nèi)的地層主要為人工堆積層、第四紀(jì)沉積層。根據(jù)工程區(qū)勘察深度范圍內(nèi)的巖土特征,工程區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)為土砂礫多元結(jié)構(gòu),上部為粘性土(雜填土、砂質(zhì)粉土),中部為砂層(中細(xì)砂)及圓礫層,下部為粘性土(粉質(zhì)粘土、粘質(zhì)粉土)、圓礫、粉質(zhì)粘土層。三層分布較為均勻,在力學(xué)分析時(shí)簡化處理,按均布取值,即每層為10 m。

根據(jù)各土體原位測(cè)試及室內(nèi)土工試驗(yàn)的結(jié)果,按照有關(guān)規(guī)范規(guī)程及工程地質(zhì)手冊(cè),結(jié)合工程類比法,提出各層巖土的主要物理力學(xué)指標(biāo)建議值參見表1。

表1 各土層主要技術(shù)參數(shù)建議值表

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011-2001),擬建場(chǎng)地抗震設(shè)防烈度為8度,設(shè)計(jì)基本地震加速度0.20g,設(shè)計(jì)地震分組為第一組。根據(jù)本次勘探孔地層資料估算,擬建場(chǎng)地地表以下20 m深度內(nèi)地層等效剪切波速值Vse=210 m/s,建筑場(chǎng)地類別為Ⅲ類。根據(jù)勘探孔液化判別結(jié)果,擬建場(chǎng)地地基土在地震烈度為8度,地下水位埋深1.0 m情況下,場(chǎng)地地基土均不液化。

勘察期間,場(chǎng)地勘探深度內(nèi)(最大深度30.0 m)揭露兩層地下水,地下水類型分別為潛水和承壓水。潛水埋深約5.70 m～6.30m,地下水位高程約34.71 m～34.09 m;承壓水頂板高程23.41 m～23.59 m,承壓水頭7.30 m左右。

根據(jù)抽水試驗(yàn)成果可知,潛水含水層圓礫層的滲透系數(shù)K=50 m/d～60 m/d左右,承壓水圓礫層的滲透系數(shù)K=60 m/d～80 m/d左右。根據(jù)歷史水位及水環(huán)境演化趨勢(shì)以及場(chǎng)地地下水位現(xiàn)狀情況,結(jié)合本工程特點(diǎn),建議抗浮水位標(biāo)高按自然地面下3.0 m考慮,防滲設(shè)計(jì)水位按自然地表考慮[1]。

3 穿越八達(dá)嶺高速路施工力學(xué)機(jī)理分析

地質(zhì)條件如前所述。建立計(jì)算模型,確定計(jì)算范圍為:上至地面,下至地面以下28 m處,橫向取風(fēng)道中線兩側(cè)各50 m,縱向考慮到70°斜交的高速公路(寬76 m),故取112 m。根據(jù)以上情況進(jìn)行網(wǎng)格剖分,計(jì)算采用FLAC3D程序進(jìn)行模擬。計(jì)算模型網(wǎng)格如圖1所示,共劃分單元10 360個(gè),節(jié)點(diǎn)總數(shù)11 775個(gè)。

公路車輛荷載按20 kPa考慮[2],地層壓力,初始應(yīng)力場(chǎng)由自重產(chǎn)生。在計(jì)算過程中,模型側(cè)面和底面為位移邊界,側(cè)面限制水平位移,底部限制垂直移動(dòng),模型頂面為地面,取為自由面。圖2為地層豎向位移計(jì)算云圖。

圖2 地層豎向位移云圖

沉降點(diǎn)沿公路中心線布置,橫向范圍100 m,每5 m(x坐標(biāo)增量)設(shè)置一個(gè)取值點(diǎn),隧道上方加密,2.5 m一個(gè)取值點(diǎn)。最大沉降在公路和隧道中心線交點(diǎn)。盾構(gòu)隧道掘進(jìn)在地表引起的沉降槽分布曲線見圖3。

計(jì)算表明,盾構(gòu)隧道掘進(jìn)引起的地表最大沉降15.43 mm。

圖3 地表沉降曲線圖(沿公路中心線)

4 穿越八達(dá)嶺高速路措施

為了保證施工安全和公路正常運(yùn)營,必須采取有效的工程措施嚴(yán)格控制沉降,保證掌子面穩(wěn)定,及時(shí)壁后注漿和及時(shí)、準(zhǔn)確沉降預(yù)測(cè)才能使整個(gè)推進(jìn)過程在可控的范圍內(nèi)進(jìn)行。

4.1 盾構(gòu)隧道內(nèi)注漿加固措施

針對(duì)盾構(gòu)穿越的工程特點(diǎn),結(jié)合數(shù)值分析與理論解析的結(jié)果,在穿越八達(dá)嶺采用盾構(gòu)隧道內(nèi)注漿加固措施[3-4]。

盾構(gòu)施工不可避免的要擾動(dòng)周圍土體,引起地面的隆起或沉降可以采取在洞內(nèi)預(yù)留注漿孔的方式,在盾構(gòu)機(jī)頭過一段后,及時(shí)對(duì)隧道上方土體進(jìn)行深孔注漿,擠密、劈裂受擾動(dòng)的土體,有效地控制地面的最終變形,使穿越物的最終沉降控制在設(shè)計(jì)允許的范圍內(nèi)。

盾構(gòu)施工對(duì)地面沉降能夠有效的控制,但是其對(duì)地面不可能沒有影響,沉降量也不可能為零,為確保盾構(gòu)施工過后沉降的控制,使其不影響使用功能,在盾構(gòu)施工時(shí)有必要在洞內(nèi)采取管片新增注漿孔的措施,新增注漿孔內(nèi)徑84 mm,每環(huán)2～3個(gè),方向基本向上,其作用可以在盾構(gòu)臺(tái)車過后,通過鉆孔,埋管,在洞內(nèi)進(jìn)行較高壓力注漿,對(duì)基礎(chǔ)土體進(jìn)行微量頂升、加固。控制盾構(gòu)過后的后期沉降,恢復(fù)基礎(chǔ)的前期沉降。管片預(yù)留孔洞位置詳見圖4。

在盾構(gòu)穿越段的洞內(nèi),預(yù)留注漿孔的尺寸范圍應(yīng)是穿越物的3倍大小。洞內(nèi)注漿采用深孔雙重管注漿法,以便確保注漿壓力與效果[5]。漿液采用水泥水玻璃雙液漿,比例1∶1,其中水泥漿水灰比1∶1,成孔深度6 m,注入率25%。在盾構(gòu)機(jī)頭過去約30 m開始深孔注漿。注漿時(shí)每次注入量以地面的變化為依據(jù),采取多次補(bǔ)注的方式,每次注完對(duì)管路要進(jìn)行清洗,防止堵塞,以備下次再用。

圖4 管片注漿空孔位置示意圖

4.2 提前進(jìn)行地面雷達(dá)探測(cè)并嚴(yán)格保證施工的連續(xù)性

在穿越前提前進(jìn)行地面雷達(dá)探測(cè),主要探測(cè)地下管線位置、埋深和地下孔洞情況,發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)處理 、解決 。

做好各種保障,其中物質(zhì)保障包括:管片儲(chǔ)備與供應(yīng)、注漿材料的水泥、水玻璃、膨潤土、發(fā)泡劑、道軌、枕木等;設(shè)備保障包括:盾構(gòu)設(shè)備本身的良好狀態(tài),施工現(xiàn)場(chǎng)的龍門吊、電瓶車、充電機(jī)等設(shè)備的完好性與良好工作狀態(tài),電閘箱等供電設(shè)施的安全與穩(wěn)定。

在此基礎(chǔ)上,嚴(yán)格保證穿越過程勻速、連續(xù)性,確保在橋區(qū)附近不停機(jī)。

4.3 嚴(yán)格控制掘進(jìn)土壓力、掘進(jìn)速度和出土量

根據(jù)本工程穿越地點(diǎn)盾構(gòu)隧道覆土深度和地質(zhì)情況,確定土壓為0.1 MPa。施工過程中精確控制土壓,土壓升高或降低對(duì)地面建筑物都是不利的,容易造成地面的隆起和沉降,所以在掘進(jìn)過程中要嚴(yán)格保持掘進(jìn)面的土壓穩(wěn)定[5]。

控制掘進(jìn)速度為25 mm/min～30 mm/min,確保盾構(gòu)比較勻速地穿越過軌段,同時(shí)保證刀盤對(duì)土體進(jìn)行充分切削;根據(jù)盾構(gòu)招標(biāo)設(shè)計(jì)圖紙,盾構(gòu)每環(huán)的掘進(jìn)長度為1.2 m,掘進(jìn)每環(huán)的原狀土計(jì)算量為35 m3。根據(jù)我公司實(shí)際盾構(gòu)施工經(jīng)驗(yàn)和本段的土質(zhì)情況,再考慮加入的泥漿泡沫及土的膨脹系數(shù),即每環(huán)需運(yùn)輸土方量為45 m3。在盾構(gòu)出土?xí)r嚴(yán)格控制出土量,在每個(gè)土斗標(biāo)注刻度,使每環(huán)出土量均在控制范圍內(nèi),嚴(yán)禁多出。

4.4 盾構(gòu)機(jī)殼外注漿減阻措施

盾構(gòu)推進(jìn)過程中,在一般情況下正常推進(jìn)即可,在穿越路段為減小盾構(gòu)機(jī)殼和周圍土體的摩擦力,減小盾構(gòu)機(jī)殼對(duì)土體的擾動(dòng),減小后期土體的固結(jié)沉降,在本段采取向機(jī)殼外注高濃度膨潤土漿,使盾構(gòu)機(jī)殼和土體之間保持潤滑。盾構(gòu)機(jī)殼上共六個(gè)注漿孔,每個(gè)孔位每環(huán)注入泥漿100 L。

4.5 嚴(yán)格控制盾尾同步注漿

在盾構(gòu)常規(guī)段施工,采用注入水泥+粉煤灰漿液,為加快漿液的凝固時(shí)間,在盾構(gòu)穿越段同步注漿改為水泥+活性水玻璃雙液漿,使?jié){液凝固時(shí)間縮短到15 s～25 s,盡最大程度減少由于漿液凝固時(shí)間造成的沉降和漿液損失[7]。

在盾構(gòu)常規(guī)段同步注漿采用注漿量控制即可滿足地面沉降要求,在穿越路段同步注漿時(shí)采用雙控措施,以注漿壓力控制為主,注漿量控制為輔,確保漿液的飽滿。

在穿越段,為確保盾尾密封良好,保證同步注漿效果,盾尾密封油脂加入量增加2倍,保證不漏水,不漏漿。

在雙液注漿時(shí)做好防堵措施:

(1)盾構(gòu)機(jī)具有兩套輸送漿液的管路,平時(shí)只需要一套管路,另一套留做備用;

(2)開始注漿時(shí),要先注A液,當(dāng)注入量達(dá)到150 L時(shí)再開始注入B液;

(3)在停止注漿時(shí),要先停B液,待A液繼續(xù)注入150 L時(shí)再停止A液;

(4)每次注漿完畢,都要對(duì)管路進(jìn)行沖洗,沖洗包括混合管、A液注入管、回水管。每個(gè)作業(yè)隊(duì)交接班前要對(duì)管路進(jìn)行一次徹底的沖洗。

4.6 嚴(yán)格控制二次補(bǔ)注漿和盾構(gòu)掘進(jìn)軸線

在盾構(gòu)常規(guī)段以盾尾同步注漿即可滿足沉降控制的要求,為保證沉降控制效果,在穿越路段對(duì)已完成結(jié)構(gòu)外側(cè)二次補(bǔ)注漿進(jìn)行加強(qiáng)補(bǔ)漿,控制地面的后期沉降[8]。二次補(bǔ)注漿采用后方注漿方式,即在后幾環(huán)注漿孔進(jìn)行壁后注漿,注漿量一般控制在1.5 m3,注漿壓力一般控制在0.3 MPa～0.35MPa。

盾構(gòu)軸線的控制是盾構(gòu)工法的重點(diǎn),是保證盾構(gòu)順利施工的重要因素。掘進(jìn)時(shí)必須注意以下幾個(gè)方面:

(1)控制好掘進(jìn)的技術(shù)參數(shù),如土壓、推速等。當(dāng)土壓過低時(shí),不僅容易造成地層的沉降,而且對(duì)盾構(gòu)軸線的控制也有影響,容易造成盾構(gòu)下沉;另外注漿的位置及壓力,注漿壓力過大一方面對(duì)地層的擾動(dòng)較大,另一方面也會(huì)使得盾構(gòu)向注漿位置的反方向移動(dòng),不利于盾構(gòu)的軸線控制;

(2)正確進(jìn)行盾構(gòu)千斤頂?shù)木幗M及分區(qū)油壓的控制,推進(jìn)時(shí)對(duì)千斤頂選擇的正確與否直接關(guān)系到盾構(gòu)軸線的軌跡,在盾構(gòu)軸線控制一節(jié)里,針對(duì)各種不同盾構(gòu)軸線位置詳細(xì)的列出了千斤頂編組及分區(qū)油壓控制對(duì)盾構(gòu)軸線控制的作用;

(3)合理使用盾構(gòu)的鉸接裝置,當(dāng)盾構(gòu)偏離隧道設(shè)計(jì)軸線較多、盾構(gòu)進(jìn)行小半徑曲線施工時(shí)或者盾構(gòu)姿態(tài)極差時(shí)(見前面對(duì)盾構(gòu)姿態(tài)的描述),通過調(diào)整千斤頂?shù)木幗M與選擇及分區(qū)油壓控制都較難以達(dá)到目的時(shí),可通過開啟盾構(gòu)鉸接裝置,具體的操作為:根據(jù)盾構(gòu)的偏離程度計(jì)算盾構(gòu)中折每一步的轉(zhuǎn)折角度,先開啟盾構(gòu)的仿形刀進(jìn)行超挖施工,超挖的長度一般為盾構(gòu)的半個(gè)到一個(gè)盾構(gòu)機(jī)身的長度,然后根據(jù)計(jì)算調(diào)整盾構(gòu)的中折裝置,再輔以千斤頂編組及分區(qū)油壓控制,進(jìn)行掘進(jìn)施工,推進(jìn)時(shí)根據(jù)盾構(gòu)姿態(tài)的測(cè)量數(shù)據(jù)隨時(shí)調(diào)整中折角度,直到盾構(gòu)回到設(shè)計(jì)軸線上來。

5 結(jié) 論

通過對(duì)該工程的設(shè)計(jì)和施工,以及比較以往的理論研究和施工實(shí)踐,可得到以下結(jié)論:

(1)在地下施工過程中,以往是對(duì)地層應(yīng)力狀態(tài)的一種破壞與重新穩(wěn)定的過程,地層應(yīng)力狀態(tài)的改變將影響土體內(nèi)的既有構(gòu)筑物的變位,即導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生位移和變形,同時(shí)也會(huì)對(duì)地表及周邊環(huán)境造成一定影響。當(dāng)這種變形和影響超出一定范圍,必然對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞,并影響到上方地表和臨近建(構(gòu))筑物的安全使用。

(2)在文中,應(yīng)對(duì)團(tuán)城湖至第九水廠輸水工程(一期)7+212～7+288段盾構(gòu)穿越八達(dá)嶺高速路施工對(duì)周邊環(huán)境的影響進(jìn)行有效的安全監(jiān)測(cè)工作,通過對(duì)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)的分析處理,對(duì)可能發(fā)生的安全隱患或事故提供必要的預(yù)報(bào),在施工中及時(shí)作出反應(yīng),從而進(jìn)行有效控制,避免安全事故的發(fā)生。

(3)為確保工程順利進(jìn)行,對(duì)施工中可能遇到的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)進(jìn)行了深入排查,找出施工中需高度重視的問題,并制訂相應(yīng)處理措施,成立風(fēng)險(xiǎn)管理及應(yīng)急事件處理機(jī)構(gòu),從組織落實(shí)、方案落實(shí)、人員落實(shí)、設(shè)備物資落實(shí)等全方位給以保證,確使其處于受控狀態(tài);此外還必須做到未雨綢繆,針對(duì)可能出現(xiàn)的事故,編制應(yīng)急預(yù)案,以便在發(fā)生問題時(shí)各相關(guān)單位及人員能夠及時(shí)有效地進(jìn)行處理,將事故所造成的損失及不良影響降低到最低限度。

(4)在輸水工程施工過程中,精心組織,嚴(yán)謹(jǐn)設(shè)計(jì),才能確保施工的安全、有序進(jìn)行,高質(zhì)量的完成輸水工程穿越八達(dá)嶺高速公路的工程目標(biāo)。

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