1K413035 盾構(gòu)法施工地層變形控制措施

　　本條以密閉式盾構(gòu)為主簡(jiǎn)要介紹盾構(gòu)施工地層變形其控制措施。

　　一、近接施工與近接施工管理

　　(1)新建盾構(gòu)隧道穿越或鄰近既有地下管線、交通設(shè)施、建(構(gòu))筑物(以下簡(jiǎn)稱(chēng)既

　　有結(jié)構(gòu)物)的施工被稱(chēng)為近接施工。在城市中近接施工不可避免，且隨著地下空間的開(kāi)發(fā)利用會(huì)日益增多。因此，盾構(gòu)施工必須考慮控制影響區(qū)域的地層變形，采取有效的既有結(jié)構(gòu)物保護(hù)措施。

　　(2)近接施工管理：

　　1)盾構(gòu)近接施工會(huì)引發(fā)地層變形，對(duì)既有結(jié)構(gòu)物會(huì)造成不同程度的有害影響;因此有必要采取系統(tǒng)性措施控制地層變形以保護(hù)既有結(jié)構(gòu)物。首先，應(yīng)詳細(xì)調(diào)查工程條件、地質(zhì)條件、環(huán)境條件(即既有結(jié)構(gòu)物現(xiàn)況與安全要求)，在調(diào)查的基礎(chǔ)上進(jìn)行分析與預(yù)測(cè)、制定防護(hù)措施;其次，制定專(zhuān)項(xiàng)施工方案;最后，施工過(guò)程中通過(guò)監(jiān)控量測(cè)反饋指導(dǎo)施工而確保既有結(jié)構(gòu)物安全。

　　2)近接施工管理流程如圖1K413035-1所示。

　　3)近接施工的管理措施：

　　①盾構(gòu)掘進(jìn)引起的周邊地層變形狀態(tài)及其原因，包括：變形程度與主要原因之間的關(guān)系、對(duì)既有結(jié)構(gòu)物承載能力的影響程度。

　?、陬A(yù)測(cè)盾構(gòu)掘進(jìn)引起地層變形的解析方法，預(yù)測(cè)對(duì)既有結(jié)構(gòu)物影響的解析模型。

　?、蹨p小地層變形與防止對(duì)既有結(jié)構(gòu)物影響措施的選擇，及其與工程條件、地質(zhì)條件和環(huán)境條件相適應(yīng)措施的確定方法。

　?、鼙O(jiān)控量測(cè)管理系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)項(xiàng)目、監(jiān)測(cè)方法、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的反饋方法。

　　二、地層變形與既有結(jié)構(gòu)物變位及變形

　　(一)地層變形原因

　　地層變形的主要原因大致分為條件因素和直接原因兩類(lèi)。

　　(1)條件因素主要有：覆土厚度、盾構(gòu)直徑、隧道線形、襯砌背后間隙、襯砌種類(lèi)等。

　　(2)直接原因由盾構(gòu)掘進(jìn)引發(fā)，主要有開(kāi)挖面失穩(wěn)、地下水位降低、推力過(guò)大、頻繁糾偏、洞體土層失穩(wěn)、盾體與洞體的摩擦力、襯砌背后產(chǎn)生間隙、注漿壓力、襯砌變形、襯砌漏水等。雖然地層變形的直接原因有很多，但大體可分為以下4類(lèi)：

　　1)地層應(yīng)力釋放產(chǎn)生的彈塑性變形，導(dǎo)致地層反力降低;

　　2)土壓增大產(chǎn)生的壓縮變形，導(dǎo)致垂直土壓增大或地層反力降低;

　　3)附加土壓產(chǎn)生的彈塑性變形，導(dǎo)致作用土壓增大;

　　4)伴隨土的物理性能變化產(chǎn)生的彈塑性變形以及徐變變形，導(dǎo)致地層承載能力降低。

　　(二)地層變形機(jī)理

　　(1)盾構(gòu)掘進(jìn)通過(guò)某一斷面的地層變形時(shí)間曲線與盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中所處位置相關(guān)。如圖1K418085-2所示，某一斷面地層變形的變形一時(shí)間曲線劃分為5個(gè)階段，各階段變形原因不同，變形機(jī)理各異。

　　(2)某一斷面地層變形的第1階段：發(fā)生在盾構(gòu)到達(dá)該斷面之前，主要表現(xiàn)為地下水位降低產(chǎn)生固結(jié)沉降。第2階段：盾構(gòu)通過(guò)該斷面前，若盾構(gòu)控制土壓(泥水壓)不足或過(guò)大，則開(kāi)挖面正前方土體彈塑性變形引起地層沉降或隆起。第3階段：發(fā)生在盾構(gòu)通過(guò)該斷面時(shí)，由于超挖、糾偏、盾構(gòu)外周與周?chē)馏w的摩擦等原因而發(fā)生地層沉降或隆起。第4階段：盾構(gòu)通過(guò)該斷面后產(chǎn)生的彈塑性變形;若襯砌背后與洞體的空隙填充不及時(shí)造成地層應(yīng)力釋放，則土體的彈塑性變形引起地層沉降;若襯砌背后的填充注漿壓力過(guò)高，則附加土壓引發(fā)地層隆起。第5階段：盾構(gòu)通過(guò)該斷面后長(zhǎng)時(shí)間地發(fā)生后續(xù)沉降，主要由于盾構(gòu)掘進(jìn)造成的地層擾動(dòng)、松弛等引起，在軟弱黏性土地層中施工表現(xiàn)最為明顯，而在砂性土或密實(shí)的硬黏性土中施工基本不發(fā)生。

　　(三)既有結(jié)構(gòu)物變形與變位

　　(1)盾構(gòu)掘進(jìn)產(chǎn)生地層變形的同時(shí)，既有結(jié)構(gòu)物的外力條件或承載能力發(fā)生變化。

　　(2)外力條件或承載能力的變化使得既有結(jié)構(gòu)物發(fā)生沉降、傾斜、斷面變形等變位與變形現(xiàn)象，其變位與變形的程度取決于工程條件、地質(zhì)條件與既有結(jié)構(gòu)物構(gòu)造特征。這里，工程條件主要是指隧道線形、近接施工區(qū)間的長(zhǎng)度、是否采取隔離措施等;地質(zhì)條件是指既有結(jié)構(gòu)物與隧道之間地層的物理力學(xué)參數(shù);既有結(jié)構(gòu)物構(gòu)造特征主要包括斷面形狀、強(qiáng)度、變形特性。

　　三、盾構(gòu)掘進(jìn)地層變形控制措施

　　由于盾構(gòu)掘進(jìn)地層變形各階段的機(jī)理不同，因此必須有針對(duì)性地采取控制措施。

　　(一)前期沉降控制

　　(1)前期沉降控制的關(guān)鍵是保持地下水壓。

　　(2)保持地下水壓措施：

　　1)合理設(shè)定土壓(泥水壓)控制值并在掘進(jìn)過(guò)程中保持穩(wěn)定，以平衡開(kāi)挖面土壓與水壓。

　　2)保持開(kāi)挖面土壓(泥水壓)穩(wěn)定的前提條件：對(duì)于土壓式盾構(gòu)是泥土的塑流化改良效果，應(yīng)根據(jù)地層條件選擇適宜的改良材料與注人參數(shù);而對(duì)于泥水式盾構(gòu)則是泥漿性能，應(yīng)根據(jù)地層條件選擇適宜的泥漿材料與配合比。

　　3)防止地下水從刀盤(pán)主軸密封、鉸接密封、盾尾以及拼裝好的襯砌結(jié)構(gòu)滲入。為此，應(yīng)保持盾構(gòu)刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)、鉸接、盾尾等部位密封完好，保證盾尾密封油質(zhì)注入壓力與注入量，管片密封與拼裝質(zhì)量滿足規(guī)范要求。

　　4)土壓式盾構(gòu)在地下水位高且滲透性好的地層掘進(jìn)時(shí)，采取有效的防噴涌措施，以防止地下水從螺旋輸送機(jī)涌人。

　　(二)開(kāi)挖面前沉降(隆起)控制

　　(1)開(kāi)挖面前沉降(隆起)控制的主要措施是土壓(泥水壓)管理，真正實(shí)現(xiàn)土壓(泥水壓)平衡。

　　(2)通常采取的措施有：

　　1)合理設(shè)定土壓(泥水壓)控制值并在掘進(jìn)過(guò)程中保持穩(wěn)定，以平衡開(kāi)挖面土壓與水壓。

　　2)保持開(kāi)挖面土壓(泥水壓)穩(wěn)定的前提條件：同1K413035中三、(一)(2)2)

　　3)加強(qiáng)排土量控制。

　　4)對(duì)于土壓式盾構(gòu)，必要時(shí)還應(yīng)對(duì)盾構(gòu)推力、推進(jìn)速度、刀盤(pán)扭矩等盾構(gòu)參數(shù)進(jìn)行控制。

　　(三)通過(guò)時(shí)沉降(隆起)控制

　　通過(guò)時(shí)沉降(隆起)控制措施主要有2種：

　　(1)控制好盾構(gòu)姿態(tài)，避免不必要的糾偏作業(yè)。出現(xiàn)偏差時(shí)，應(yīng)本著“勤糾、少糾、適度”的原則操作。在較硬地層中掘進(jìn)的場(chǎng)合，糾偏時(shí)或曲線掘進(jìn)時(shí)需要超挖，應(yīng)合理確定超挖半徑與超挖范圍，盡可能減少超挖。

　　(2)土壓式盾構(gòu)在軟弱或松散地層掘進(jìn)時(shí)，盾構(gòu)外周與周?chē)馏w的黏滯阻力或摩擦力較大時(shí)，應(yīng)采取注漿減阻措施。

　　(四)尾部空隙沉降(隆起)控制

　　尾部空隙沉降(隆起)控制的關(guān)鍵是采用適宜的襯砌背后注漿措施，主要有：

　　(1)用同步注漿方式，及時(shí)填充尾部空隙。

　　(2)根據(jù)地質(zhì)條件、工程條件等因素，合理選擇單液注漿或雙液注漿，正確選用注漿材料與配合比，以便拼裝好的襯砌結(jié)構(gòu)及時(shí)穩(wěn)定。

　　(3)加強(qiáng)注漿量與注漿壓力控制。

　　(4)及時(shí)進(jìn)行二次注漿。

　　(五)后續(xù)沉降控制

　　后續(xù)沉降主要在軟弱黏性土地層中施工時(shí)發(fā)生，主要控制措施是：

　　(1)盾構(gòu)掘進(jìn)、糾偏、注漿等作業(yè)時(shí)，盡可能減小對(duì)地層的擾動(dòng)。

　　(2)若后續(xù)沉降過(guò)大不滿足地層沉降要求，可采取向特定部位地層內(nèi)注漿的措施。

　　四、既有結(jié)構(gòu)物保護(hù)措施

　　(一)按實(shí)施對(duì)象劃分近接施工中既有結(jié)構(gòu)物保護(hù)措施

　　(1)盾構(gòu)施工措施;

　　(2)對(duì)既有結(jié)構(gòu)物采取措施;

　　(3)盾構(gòu)隧道與既有結(jié)構(gòu)物之間采取措施。

　　(二)盾構(gòu)施工措施

　　盾構(gòu)施工措施，主要是控制地層變形，同時(shí)減少對(duì)地層的擾動(dòng)(詳見(jiàn)1K413035中三)。

　　(三)對(duì)既有結(jié)構(gòu)物采取的措施

　　對(duì)既有結(jié)構(gòu)物采取的措施通常有結(jié)構(gòu)物加固、下部基礎(chǔ)加固及基礎(chǔ)托換三類(lèi)。結(jié)構(gòu)物加固包括墻體加固、增設(shè)閉合框架加固、增加支撐等方式，以增強(qiáng)結(jié)構(gòu)物本身抵抗變形的能力。下部基礎(chǔ)加固有加固樁、網(wǎng)狀樁和錨桿等方法，以提高結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的抗變形能力?；A(chǔ)托換是用新的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)替換受施工影響的結(jié)構(gòu)物下部基礎(chǔ)。

　　(四)新建隧道與既有結(jié)構(gòu)物之間采取的措施

　　新建隧道與既有結(jié)構(gòu)物之間采取的措施主要有三種：

　　(1)盾構(gòu)隧道周?chē)貙蛹庸?如圖1K413035-3所示);

　　(2)既有結(jié)構(gòu)物基礎(chǔ)地層加固;

　　(3)隔斷盾構(gòu)掘進(jìn)地層應(yīng)力與變形。

　　1.盾構(gòu)隧道周?chē)貙蛹庸?/P>

　　盾構(gòu)隧道周?chē)貙蛹庸痰钠淠渴翘岣咧車(chē)馏w強(qiáng)度，以減小盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)對(duì)周?chē)貙拥臄_動(dòng)，使加固區(qū)以外的地層不產(chǎn)生松弛，從而保護(hù)既有結(jié)構(gòu)物。通常采用的方法有：注漿加固、高壓噴射攪拌等。

　　2.既有結(jié)構(gòu)物基礎(chǔ)地層加固

　　既有結(jié)構(gòu)物基礎(chǔ)地層加固，是以提高結(jié)構(gòu)物地基承載力、減小結(jié)構(gòu)物地基變形為目的。通常采用的方法同樣是：注漿加固、高壓噴射攪拌等。

　　3.隔斷盾構(gòu)掘進(jìn)地層應(yīng)力與變形

　　隔斷盾構(gòu)掘進(jìn)地層應(yīng)力與變形，就是在盾構(gòu)隧道與既有結(jié)構(gòu)物之間構(gòu)筑剛性好的構(gòu)造體，以隔斷地層變形對(duì)既有結(jié)構(gòu)物的影響。通常的方法就是在盾構(gòu)隧道與結(jié)構(gòu)物之間施作隔斷樁，具體可選用高壓旋噴樁、鋼管樁、柱樁、連續(xù)墻等形式。

　　【案例1K413035】

　　1.背景

　　某地鐵隧道盾構(gòu)法施工，隧道穿越土層有黏土、粉土、細(xì)砂、小粒徑砂卵石、含有上層滯水，覆土厚度8～14m，采用土壓平衡盾構(gòu)施工。施工項(xiàng)目部依據(jù)施工組織設(shè)計(jì)在具備始發(fā)條件后開(kāi)始隧道施工，掘進(jìn)過(guò)程中始終按施工組織設(shè)計(jì)規(guī)定的各項(xiàng)施工參數(shù)執(zhí)行。

　　施工過(guò)程中發(fā)生以下事件：

　　事件一：拆除始發(fā)工作井洞口圍護(hù)結(jié)構(gòu)后發(fā)現(xiàn)洞口土體滲水，洞口土體加固段掘進(jìn)時(shí)地表沉降超過(guò)允許值。

　　事件二：在細(xì)砂、砂卵石地層中掘進(jìn)時(shí)，土壓計(jì)顯示開(kāi)挖面土壓波動(dòng)較大;從螺旋輸送機(jī)排出的土砂坍落度較低。

　　2.問(wèn)題：

　　(1)施工項(xiàng)目部依據(jù)施工組織設(shè)計(jì)開(kāi)始隧道施工是否正確?如不正確，寫(xiě)出正確做法。

　　(2)掘進(jìn)過(guò)程中始終按施工組織設(shè)計(jì)規(guī)定的各項(xiàng)施工參數(shù)執(zhí)行是否正確?如不正確，寫(xiě)出正確做法。

　　(3)分析事件一發(fā)生的主要原因以及正確的做法。

　　(4)分析事件二發(fā)生的主要原因以及應(yīng)采取的對(duì)策。

　　3.參考答案

　　(1)不正確。根據(jù)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部《危險(xiǎn)性較大的分部分項(xiàng)工程安全管理辦法》(建質(zhì)[2009]87號(hào))的規(guī)定，盾構(gòu)工程屬于危險(xiǎn)性較大的分部分項(xiàng)工程，開(kāi)工前施工單位必須編制專(zhuān)項(xiàng)施工方案，并應(yīng)組織專(zhuān)家對(duì)專(zhuān)項(xiàng)方案進(jìn)行論證。

　　(2)不正確。首先，在初始掘進(jìn)過(guò)程中應(yīng)根據(jù)收集的盾構(gòu)掘進(jìn)數(shù)據(jù)(推力、刀盤(pán)扭矩等)及地層變形量測(cè)量數(shù)據(jù)，判斷土壓(泥水壓)、注漿量、注漿壓力等設(shè)定值是否適當(dāng)，及時(shí)進(jìn)行調(diào)整，并通過(guò)測(cè)量盾構(gòu)與襯砌的位置，及早把握盾構(gòu)掘進(jìn)方向控制特性，為正常掘進(jìn)控制提供依據(jù)。其次，由于掘進(jìn)過(guò)程中地層條件、覆土厚度等差異很大，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況適時(shí)調(diào)整施工參數(shù)。最后，根據(jù)反饋的監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)調(diào)整相關(guān)的施工參數(shù)。

　　(3)事件一發(fā)生的主要原因是洞口土體加固效果不滿足要求。正確做法是：

　　1)根據(jù)地質(zhì)條件、地下水位、盾構(gòu)種類(lèi)與外形尺寸、覆土深度及施工環(huán)境條件等，明確加固目的后，合理確定加固方法與加固范圍;本案例的加固目的，既要加固又應(yīng)止水。

　　2)拆除洞口圍護(hù)結(jié)構(gòu)前要確認(rèn)洞口土體加固效果，必要時(shí)進(jìn)行補(bǔ)注漿加固。

　　(4)事件二發(fā)生的主要原因是塑流化改良效果欠佳。應(yīng)采取的對(duì)策主要有：

　　1)選擇適宜的改良材料，并適當(dāng)提高添加比例。

　　2)開(kāi)挖面土壓波動(dòng)大的情況下，開(kāi)挖面一般不穩(wěn)定，此時(shí)應(yīng)加強(qiáng)出土量管理。

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