盾构穿越既有建筑物控制措施.doc

盾构穿越既有建筑物控制措施田世文(TIAN Shiwen) 丛小密(cong xiaomi) 王晓刚(wang xiaogang) 摘要: 盾构施工是现在城市轨道交通建设施工中的主要方法之一，在施工过程中不可避免的会遇到盾构穿越既有建、构筑物等一系列问题，这时对既有建、构筑物的保护措施就非常重要。本文主要以北京地铁十号线11标段盾构穿越南、北小街8号楼（特级风险源）的施工控制措施为例进行分析，浅谈一下盾构穿越既有建筑物监理对施工控制的一点体会和施工控制的重点环节。关键词：盾构施工过既有建筑 施工风险 施工控制 建筑物保护Controlling Measures for the TBM underpassing BuildingsTIAN Shiwen congxiaomi wangxiaogangAbstract：Shield Driving is a one popular method for modern city metro construction. It is unavoidable for Shield driving under crossing the buildings and bridges in city environment, which should be protected during the shield driving process. This paper gives a conclusion for the shield under crossing the No. 8 buildings area, particularly for the controlling measures in the point view of Engineer. Key words: Shield undercrossing the buildings, TBM construction risk, construction controlling, building protection一、工程概况：1. 盾构隧道与既有建、构筑物的关系1.1 盾构隧道与南、北小街8号楼的位置关系建筑物名称隧道埋深（m）建筑物基础形式建筑物距隧道的水平距离（m）最近距离最远距离北小街8号楼15.7垡板4.216.8南小街8号楼14.57垡板3.714.71.2 管线情况1.2.1北小街8号楼段：距北小街8号楼东0.3m1.6m范围内共有6条电力管线，南北走向；距北小街8号楼3.6m处有一条通信线缆，南北走向，与隧道右线最小距离为1.1m。1.2.2南小街8号楼段：距南小街8号楼东0.3m1.6m范围内共有6条电力管线，南北走向；距南小街8号楼3.6m处有一条通信线缆，南北走向，与隧道右线最小距离为1.0m。2. 工程地质及水文地质条件2.1 工程地质条件地层自上而下为：粉土填土层，杂填土层；层厚1.85.3m。粉土层, 粉质粘土1层；层厚3.67.4m。粉质粘土1层，粉土2层，中粗沙1层，粉细沙2层；层厚7.014.5m。粉质粘土层，卵石圆砾层，中粗砂1层，粉质粘土层，粘土1层。2.2 水文地质条件上层滞水：水位标高34.58m，含水层为粉土层，局部为粉土填土层。潜水：含水层主要为粉土2层，透水性一般，水位标高为22.31m。第三层地下水：该层地下水为承压水，含水层为卵石圆砾层、中粗砂层、粉细砂层。渗透系数大，为强透水层，水头标高为20.1m，因受区域性地下水开采形成漏斗影响，该层承压性较弱。二、工程难点和重点盾构右线隧道与南小街8号楼为平行走向，与楼房的最小水平距离仅为3.7m，盾构旁穿长度为100m；盾构隧道右线与北小街8号楼房最小水平距离为4.2m；盾构旁穿长度为52m。两栋楼房均为上世纪80年代建筑，主体结构老化且已有多处结构裂缝，当盾构穿越时，由于地层受到扰动会引起建筑物地基产生不均匀沉降，将进一步加剧结构裂缝的延伸，从而对建筑物的安全使用构成威胁。因此，采取切实可行的技术安全措施，控制建筑物的沉降是本工程的难点，也是施工和监理控制的重点三、安全风险控制与管理措施1. 合理划分风险源，强化安全风险管理意识。 风险源的划分直接关系到建设各方对工程风险的重视程度。在施工准备阶段及盾构穿越前，施工单位要对盾构穿越建筑物的风险情况进行分析，开展对既有建筑物调查的专项工作，了解建筑物结构形式、基础状况等，并由具备相应资质的评估单位进行安全质量评估。针对风险划分的原则，结合本工程的特点，确定盾构穿越南北小街8号楼工程为特级风险源。为确保盾构穿越建筑物的安全，在盾构推进到该施工部位以前，施工单位要编制盾构穿越建筑物施工组织设计或专项施工方案，监理单位要对组织专家论证，借鉴专家意见并结合设计单位对建筑物的保护方案，最终确定施工组织设计或专项施工方案。监理要对施工的方案进行严格的审批，同时制定有针对性的监理实施细则。2. 组织专项施工技术研讨会在盾构穿越建筑物施工开始前，监理要组织施工技术专题研讨会，要对施工方案进行详细的了解，准确把握工程的重点。监理应监督施工单位认真做好施工安全技术交底工作，使每位施工人员对施工的工序、工艺了解透彻，对控制要点清晰明了，认真落实安全生产责任制，加强信息管理工作。2.1 分析盾构穿越建筑物施工的难点和重点盾构法施工所需要考虑的问题是如何控制土体(地面)沉降或变形，避免引起地面建筑物下沉、倾斜、开裂或者避免造成相邻建、构筑物损坏。本工程的施工难点是盾构穿越建筑物时沉降值的控制。本工程盾构施工所使用的工程机械为土压平衡盾构机，在盾构的推进过程中，分析引起地层的沉降变形主要原因如下：2.1.1掘进引起的地层损失盾构掘进时，由于开挖面土体受到的水平应力小于原始应力，开挖面土体向盾构内移动，引起地层损失从而导致盾构上方地面沉降；反之由于开挖面土体受到的水平应力大于原始应力则土体向上、向前移动，引起负地层损失从而导致盾构上方土体隆起。另外盾构在曲线段掘进纠偏时，实际开挖面呈椭圆形，也会引起一定的地层损失，并且盾构轴线与隧道轴线的夹角越大，则对土体超挖量也越大，所造成的地层损失也越大。2.1.2 地层原始应力的变化开挖隧道其结果必然导致周围土体介质初始应力的改变，并产生应力重新分布和相应的地层移动。2.1.3 盾构推进时的挤压以及盾尾注浆等使周围土体形成超空隙水压力区，在一段时间内超空隙水压力消散复原，地层发生排水固结变形，引起地层位移。 同时土体受扰动后，其骨架还将发生很长时间的压缩变形，在土体蠕变过程中产生再次固结沉降。2.1.4 衬砌结构变形引起的地层位移隧道衬砌变形必然导致相应的地层损失，从而引起地层位移。2.1.5 除上述的主要原因外，管片的渗漏水将会引起周围土体空隙水压力下降，导致土体固结而产生的地层位移；另外注浆材料的凝固收缩也会使隧道与周围土体产生一定间隙，从而引起相应的地层损失。2.2 针对本工程的难点和重点采取的相应技术措施根据工程前期盾构试验段施工的经验，结合盾构穿越建筑物施工的特点，本工程主要从以下的几个方面进行安全技术控制。2.2.1 两台盾构机前后距离控制在200m以上，以减少相互的干扰和影响，从而降低对土体位移的影响。2.2.2 合理设置土压力，防止超挖和欠挖。在盾构推进过程中，根据监控的数据及时调整土压力值，从而科学合理的设置土压力值和相宜的推进速度等参数。该区间段的覆土厚度为16.5417.35m，根据计算和经验，土压力控制在1.82.0Mpa之间。2.2.3 穿越时降低推进速度，盾构的推进速度对地面的隆、沉变形有明显的影响，推进的速度与正面的土压力，千斤顶推力，土体性质等因素都有关系，应综合考虑。本工程在盾构穿越时的推进速度控制在2030mm/min。2.2.4 严格控制盾构推进方向，减少纠偏。盾构推进及调整主要依靠盾构千斤顶，为了保持盾构姿态、方向、高程准确无误，要加强激光导向控制，并定期跟进中线控制桩，加密施工中线、标高的测量频率，并据以随时调整输入数据，保证激光导向的准确无误，使盾构的前进始终按预定目标进行。在曲线段，主要依靠盾构机内不同方位千斤顶推力的调整，达到曲线线型的要求。为此要根据不同区段地层的力学特性，根据已有盾构推进的经验，精确地调整千斤顶的推力值。盾构机轴线与设计轴线的偏差，应始终控制在50mm范围内，管片拼装的允许最大偏差，径向相邻管片错台应4mm环向5mm，衬砌环的椭圆度控制在5D范围内（D为管片环外径）。2.2.5 在砂卵石地段，除盾构刀头容易磨损外，由于卵石粒径不同，分布不均，容易产生较大扭矩，对盾构姿态，方向均会产生不利影响，此段地质情况复杂，要加强超前探测，力求详细掌握卵石情况，提前制定可靠措施。2.2.6 穿越期间采用HSC超细水泥浆液同步注浆工艺，并确保注浆量。由于盾构穿越的南、北8号楼属于上世纪80年代初的壁板楼，其整体性和刚度均较差，且楼房上部结构表面已经有多处裂缝。根据中国建筑结构研究院对该楼的安全评估报告表明，该楼的结构倾斜允许值1%，外墙最大沉降控制值在10mm以内，建筑物对盾构引起的差异变形影响极为敏感。考虑到此段的地面沉降要求高，除了对盾构参数的控制外，还必须加大注浆量，并对注浆过程进行严格的控制，其中浆液的渗透率和早期强度对地表的沉降指标起着至关重要的作用。本工程同步注浆采用以HSC超细水泥材料为主的浆液。浆液配比为：每立方米浆液：HSC超细水泥75KG；白灰70KG；粉煤灰341KG。每推进一环的建筑空隙为：（D1/2）2-（D2/2）2L其中D1盾构外径（6.25m右线、6.14m左线）D2管片外径6mL管片宽度1.2m每环的压浆量一般为建筑空隙的120%200%，根据以往盾构推进的相关经验，一般每环的注浆量为建筑空隙的180%，即4.8m3 (右线)（左线2.8 m3）就可满足地面沉降的要求。但考虑盾构穿越南、北小街8#楼期间地面沉降控制标准高，且HSC超细水泥渗透率高的特点，期间盾构推进同步注浆量控制在5.05.5m3(右线)，和3.03.2m3(左线)。注浆压力控制在0.35Mpa。同步注浆时要求在压入口的压力大于该点的静止水压及土压力之和，做到尽量填补空隙而不是劈裂。注浆压力过大，管片外的土层将会被浆液扰动而造成较大的后期地层沉降及隧道本身的沉降，并易造成跑浆；而注浆压力过小，浆液填充速度过慢，填充量不充足，也会使地表沉降增大。2.2.7 二次注浆采用双液补浆二次注浆选用HSC超细水泥-水玻璃双液浆，每m3浆液配比为：水泥：350kg；粉煤灰：350 kg；水玻璃：50 kg；每两环进行一次补浆，补浆量为同步注浆量的30%，注浆利用低压，少量、多次注浆的方式补充原有浆液固结收缩所产生的空隙。盾构推进过后的5环进行一次环箍注浆，每环6个孔每孔注入1.0m3。注浆压力为0.3Mpa。2.2.8控制好盾构姿态，确保盾尾间隙均匀盾构推进过程中的同步注浆及二次补浆是控制地面沉降的关键环节，盾构推进过程中的盾构姿态不好易造成盾尾处漏浆，地面沉降。因此在盾构穿越南、北小街8#楼期间，要确保盾构推进轴线与设计轴线相吻合，盾尾四周间隙均匀。 另外，要通过加大盾尾油脂压注量来防止浆注液通过盾尾流失。根据以往施工经验，盾尾油脂量比正常推进每环多20kg，可以较好的控制盾尾的漏浆量，同时油脂全部采用进口油脂CONDAT。2.2.10 加强施工过程管理，确保盾构连续穿越盾构推进过程中长时间的停机易造成地面大量的沉降，为了确保盾构24小时连续推进，在穿越前，施工单位、监理单位要会同设备供应商和专家对盾构机认真检查，对盾构机故障和缺陷进行检测修理，对可能产生的故障预先做好维修准备，同时对主要设备零件要存有备件。3. 针对盾构穿越建筑物施工技术措施，确定监理控制重点。3.1 盾构机施工参数控制监理在盾构穿越建筑物施工过程中，应根据地质条件的变化、建筑物监测信息，动态掌握盾构施工各项参数的变化情况，重点控制以下施工参数：3.1.1 合理确定土压力值；3.1.2 监测出土量是否正常；3.1.3 盾构掘进速度与出土速度是否协调；3.1.4 千斤顶推力是否符合盾构趋势。3.2 盾构掘进姿态控制3.2.1 盾构姿态测量数据的监控：监理人员要对盾构自动测量数据和人工测量数据进行复核，综合分析、比较，动态掌握数据变化情况，正确指导盾构按设计轴线正确、安全地推进。3.2.2 盾构纠偏控制：监理工程师应督促施工单位合理制定纠偏方案和纠偏量，及时采取纠偏措施，避免误差累积。3.3 盾构管片拼装控制3.3.1 管片进场检查：重点检查进场管片规格；质量合格证明文件；管片外观质量；密封垫粘贴位置和粘贴质量。3.3.2 管片成环后检查：高程和平面偏差；纵、环向相邻管片高差和纵、环向缝隙宽度；纵、环向相邻管片螺栓连接。3.4 注浆作业监控监理在盾构穿越建筑物施工过程中，要通过分析监测资料（以控制地面和隧道结构变形为原则）、审查拌制和注浆施工记录、对每作业班组拌制的浆液试块数据来综合分析注浆作业的效果，判断注浆作业是否达到控制变形的成效，并重点监控浆液配合比、注浆量、注浆压力等主要技术指标。4. 加强监控量测工作施工过程中的监控量测极其重要，是指导施工的重要数据来源。在施工中要重点控制数据的及时性和真实性，对数据进行详细的分析和控制，及时准确进行信息反馈，动态控制掘进施工参数，是盾构成功穿越建筑物的关键。4.1 在本工程中信息的反馈采取日报和周报相结合的管理方式，对沉降值进行周分析和日控制，以指导施工和全面调控。4.2 监控数据划分为预警值、报警值、警戒值三级进行控制。4.3 在监控方面采取了以下措施4.3.1 在盾构推进轴线上每10m布设一个监控断面，每断面56个监控点，对隧道轴线每5m布设一个监控点，频率为1天3次，如变形超过报警值则进行跟踪监测。4.3.2 监测点埋设钢筋的深度大于800，保证数据的真实性，防止其他因素引起的监测点数据变化产生误导。4.3.4监理要对所有的基准点全面复测，保证检测数据的真实性。5. 必要时对建筑物采取加固措施为了确保盾构所穿越的建筑物安全，还要对盾构穿越建筑物施工所造成的社会影响进行分析，必要时要对建筑物采用加固措施。本工程为特级环境风险源，建筑物为居民楼，地处繁华街段，一旦建筑物产生破坏，会造成的不良社会影响。为了确保盾构通过时建筑物的安全，除了在隧道内盾构施工过程中采取相应措施外，还要对建筑物采取隔离桩进行保护，即在盾构右线隧道与楼房之间打一排隔离桩，桩间用冠梁连接，桩底压水泥浆加固。隔离桩相关参数:采用直径800的混凝土灌注桩，长度26m，中心距1.0m。四、盾构穿越建筑物效果分析由于以上各项措施的落实到位，盾构安全通过该南北小街8号楼特级风险源。各项监测数据表明建筑物差异沉降数值控制在3mm以内，盾构所穿越建筑物安全可靠，盾构隧道质量完全满足设计要求，取得了良好的社会和经济效益。参考文献：1、盾构隧道工程施工质量验收标准（试行） 2、JQB-029-2004 预制钢筋混凝土盾构管片质量验收标准 3、GB50319-2000 建设工程监理规范 作者(Author)：田世文 TIAN Shiwen1964年出生，1988年毕业于阜新矿业学院采矿工程系矿井建设专业（本科），2007年中国矿业大学（北京）力建学院TBM方向工程硕士。高级工程师，国家注册监理工程师，北京市一级总监，北京市建设工程评标专家。