穿越高速公路輸水工程中盾構法的應用

王劍峰

(北京市自來水集團有限責任公司基建工程管理部,北京100011)

1 工程概況

團城湖至第九水廠輸水工程是北京市南水北調配套工程的重要組成部分,其主要任務為實現向第九水廠輸送南水北調及河北四座水庫來水。工程自南水北調總干渠團城湖明渠左岸取水,通過引水管涵(或渠道)進入團城湖調節池,經團城湖調節池調節后分別為第九水廠、田村山水廠、城子水廠等用水戶供水。

輸水隧洞采用盾構法施工,圓形斷面,盾構設備選用目前數量較多的DN6.14及DN6.28盾構機,輸水隧洞建成后內徑為4.7 m。盾構隧道在樁號7+212～7+288處穿越八達嶺高速公路,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,修建時間有早有晚,管線種類繁多,又接近橋臺位置,重要程度不言而喻。盾構穿越高速一是保證路面下沉控制在一定的范圍內,二是保證地下管線的安全。

2 工程地質及水文地質條件

輸水管線穿越段在地面以下30 m深度范圍內的地層主要為人工堆積層、第四紀沉積層。根據工程區勘察深度范圍內的巖土特征,工程區地質結構為土砂礫多元結構,上部為粘性土(雜填土、砂質粉土),中部為砂層(中細砂)及圓礫層,下部為粘性土(粉質粘土、粘質粉土)、圓礫、粉質粘土層。三層分布較為均勻,在力學分析時簡化處理,按均布取值,即每層為10 m。

根據各土體原位測試及室內土工試驗的結果,按照有關規范規程及工程地質手冊,結合工程類比法,提出各層巖土的主要物理力學指標建議值參見表1。

表1 各土層主要技術參數建議值表

根據《建筑抗震設計規范》(GB50011-2001),擬建場地抗震設防烈度為8度,設計基本地震加速度0.20g,設計地震分組為第一組。根據本次勘探孔地層資料估算,擬建場地地表以下20 m深度內地層等效剪切波速值Vse=210 m/s,建筑場地類別為Ⅲ類。根據勘探孔液化判別結果,擬建場地地基土在地震烈度為8度,地下水位埋深1.0 m情況下,場地地基土均不液化。

勘察期間,場地勘探深度內(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。

根據抽水試驗成果可知,潛水含水層圓礫層的滲透系數K=50 m/d～60 m/d左右,承壓水圓礫層的滲透系數K=60 m/d～80 m/d左右。根據歷史水位及水環境演化趨勢以及場地地下水位現狀情況,結合本工程特點,建議抗浮水位標高按自然地面下3.0 m考慮,防滲設計水位按自然地表考慮[1]。

3 穿越八達嶺高速路施工力學機理分析

地質條件如前所述。建立計算模型,確定計算范圍為:上至地面,下至地面以下28 m處,橫向取風道中線兩側各50 m,縱向考慮到70°斜交的高速公路(寬76 m),故取112 m。根據以上情況進行網格剖分,計算采用FLAC3D程序進行模擬。計算模型網格如圖1所示,共劃分單元10 360個,節點總數11 775個。

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

圖2 地層豎向位移云圖

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

計算表明,盾構隧道掘進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 穿越八達嶺高速路措施

為了保證施工安全和公路正常運營,必須采取有效的工程措施嚴格控制沉降,保證掌子面穩定,及時壁后注漿和及時、準確沉降預測才能使整個推進過程在可控的范圍內進行。

4.1 盾構隧道內注漿加固措施

針對盾構穿越的工程特點,結合數值分析與理論解析的結果,在穿越八達嶺采用盾構隧道內注漿加固措施[3-4]。

盾構施工不可避免的要擾動周圍土體,引起地面的隆起或沉降可以采取在洞內預留注漿孔的方式,在盾構機頭過一段后,及時對隧道上方土體進行深孔注漿,擠密、劈裂受擾動的土體,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計允許的范圍內。

盾構施工對地面沉降能夠有效的控制,但是其對地面不可能沒有影響,沉降量也不可能為零,為確保盾構施工過后沉降的控制,使其不影響使用功能,在盾構施工時有必要在洞內采取管片新增注漿孔的措施,新增注漿孔內徑84 mm,每環2～3個,方向基本向上,其作用可以在盾構臺車過后,通過鉆孔,埋管,在洞內進行較高壓力注漿,對基礎土體進行微量頂升、加固。控制盾構過后的后期沉降,恢復基礎的前期沉降。管片預留孔洞位置詳見圖4。

在盾構穿越段的洞內,預留注漿孔的尺寸范圍應是穿越物的3倍大小。洞內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%。在盾構機頭過去約30 m開始深孔注漿。注漿時每次注入量以地面的變化為依據,采取多次補注的方式,每次注完對管路要進行清洗,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 提前進行地面雷達探測并嚴格保證施工的連續性

在穿越前提前進行地面雷達探測,主要探測地下管線位置、埋深和地下孔洞情況,發現問題及時處理 、解決 。

做好各種保障,其中物質保障包括:管片儲備與供應、注漿材料的水泥、水玻璃、膨潤土、發泡劑、道軌、枕木等;設備保障包括:盾構設備本身的良好狀態,施工現場的龍門吊、電瓶車、充電機等設備的完好性與良好工作狀態,電閘箱等供電設施的安全與穩定。

在此基礎上,嚴格保證穿越過程勻速、連續性,確保在橋區附近不停機。

4.3 嚴格控制掘進土壓力、掘進速度和出土量

根據本工程穿越地點盾構隧道覆土深度和地質情況,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,所以在掘進過程中要嚴格保持掘進面的土壓穩定[5]。

控制掘進速度為25 mm/min～30 mm/min,確保盾構比較勻速地穿越過軌段,同時保證刀盤對土體進行充分切削;根據盾構招標設計圖紙,盾構每環的掘進長度為1.2 m,掘進每環的原狀土計算量為35 m3。根據我公司實際盾構施工經驗和本段的土質情況,再考慮加入的泥漿泡沫及土的膨脹系數,即每環需運輸土方量為45 m3。在盾構出土時嚴格控制出土量,在每個土斗標注刻度,使每環出土量均在控制范圍內,嚴禁多出。

4.4 盾構機殼外注漿減阻措施

盾構推進過程中,在一般情況下正常推進即可,在穿越路段為減小盾構機殼和周圍土體的摩擦力,減小盾構機殼對土體的擾動,減小后期土體的固結沉降,在本段采取向機殼外注高濃度膨潤土漿,使盾構機殼和土體之間保持潤滑。盾構機殼上共六個注漿孔,每個孔位每環注入泥漿100 L。

4.5 嚴格控制盾尾同步注漿

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

在盾構常規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。

在雙液注漿時做好防堵措施:

(1)盾構機具有兩套輸送漿液的管路,平時只需要一套管路,另一套留做備用;

(2)開始注漿時,要先注A液,當注入量達到150 L時再開始注入B液;

(3)在停止注漿時,要先停B液,待A液繼續注入150 L時再停止A液;

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

4.6 嚴格控制二次補注漿和盾構掘進軸線

在盾構常規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,在穿越路段對已完成結構外側二次補注漿進行加強補漿,控制地面的后期沉降[8]。二次補注漿采用后方注漿方式,即在后幾環注漿孔進行壁后注漿,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。

盾構軸線的控制是盾構工法的重點,是保證盾構順利施工的重要因素。掘進時必須注意以下幾個方面:

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

(2)正確進行盾構千斤頂的編組及分區油壓的控制,推進時對千斤頂選擇的正確與否直接關系到盾構軸線的軌跡,在盾構軸線控制一節里,針對各種不同盾構軸線位置詳細的列出了千斤頂編組及分區油壓控制對盾構軸線控制的作用;

(3)合理使用盾構的鉸接裝置,當盾構偏離隧道設計軸線較多、盾構進行小半徑曲線施工時或者盾構姿態極差時(見前面對盾構姿態的描述),通過調整千斤頂的編組與選擇及分區油壓控制都較難以達到目的時,可通過開啟盾構鉸接裝置,具體的操作為:根據盾構的偏離程度計算盾構中折每一步的轉折角度,先開啟盾構的仿形刀進行超挖施工,超挖的長度一般為盾構的半個到一個盾構機身的長度,然后根據計算調整盾構的中折裝置,再輔以千斤頂編組及分區油壓控制,進行掘進施工,推進時根據盾構姿態的測量數據隨時調整中折角度,直到盾構回到設計軸線上來。

5 結 論

通過對該工程的設計和施工,以及比較以往的理論研究和施工實踐,可得到以下結論:

(1)在地下施工過程中,以往是對地層應力狀態的一種破壞與重新穩定的過程,地層應力狀態的改變將影響土體內的既有構筑物的變位,即導致結構產生位移和變形,同時也會對地表及周邊環境造成一定影響。當這種變形和影響超出一定范圍,必然對結構產生破壞,并影響到上方地表和臨近建(構)筑物的安全使用。

(2)在文中,應對團城湖至第九水廠輸水工程(一期)7+212～7+288段盾構穿越八達嶺高速路施工對周邊環境的影響進行有效的安全監測工作,通過對監控量測數據的分析處理,對可能發生的安全隱患或事故提供必要的預報,在施工中及時作出反應,從而進行有效控制,避免安全事故的發生。

(3)為確保工程順利進行,對施工中可能遇到的風險點進行了深入排查,找出施工中需高度重視的問題,并制訂相應處理措施,成立風險管理及應急事件處理機構,從組織落實、方案落實、人員落實、設備物資落實等全方位給以保證,確使其處于受控狀態;此外還必須做到未雨綢繆,針對可能出現的事故,編制應急預案,以便在發生問題時各相關單位及人員能夠及時有效地進行處理,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,嚴謹設計,才能確保施工的安全、有序進行,高質量的完成輸水工程穿越八達嶺高速公路的工程目標。

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