盾构同步注浆施工(精选8篇)
盾构同步注浆施工 篇1
城市地铁以其快速、便捷、运量大, 等优点, 在世界各国得到了迅速的发展。然而随着城市规模的扩大, 越来越多的地铁隧道需要穿越大量建筑物、地下管线, 穿越各类复杂地层, 尤其是含水量高的软粘土层、液化程度高的沙层、裂隙水丰富的风化岩层。使得地铁隧道施工面临着严重的挑战, 在此情况下如何选取一种安全可靠的隧道施工工法, 是工程成功与否的关键, 而盾构施工工法以其对周围环境影响小、成形质量高、安全可靠、施工进度快、造价低等优点, 成为城市隧道施工工法的首选。而同步注浆技术是盾构工法中必不可少的关键性辅助工法, 是控制地面沉降的关键。如果注浆过程中发生漏浆, 地面的沉降必定增大, 从而引起地面沉降、隧道扭曲、隧道超限。所以避免出现漏浆是盾构掘进中的重要任务和关键技术, 而保护盾尾密封的完好是保证不漏浆的前提。
1、盾尾注浆的目的及分类
1.1注浆的目的
盾尾注浆的目的主要有以下几个方面:
(1) 控制地面变形。由于盾构机刀盘的开挖直径大于管片外径, 管片拼装完毕并脱出盾尾后, 与土体形成一个环形间隙, 简称盾尾间隙 (如图1) 。盾尾间隙如果不及时得到填充, 势必造成地层变形, 使相邻地表建筑物沉降或隧道本身偏移。盾尾注浆的主要目的就是及时填充盾尾间隙, 防止因盾尾间隙的存在导致地层发生较大变形。盾尾脱离管片后, 土体与管片存在着间隙, 此时浆液迅速填充空隙, 可大大减少土层的移动, 从而减少地表的变形。
(2) 提高隧道的抗渗性。盾尾注浆凝固后, 一般都有一定的抗渗性能, 可作为隧道的第一道止水防线, 从而提高隧道抗渗性能。
(3) 具备一定早期强度的浆液及时填充盾尾间隙, 可确保管片衬砌的早期和后期稳定性。盾构隧道是一种管片衬砌与围岩共同作用的结构稳定的构造物, 管片背面空隙均匀、密实的注入, 充填是确保土压力均匀作用的前提条件。
1.2盾尾注浆系统分类
根据盾尾注浆与掘进的关系, 从失效性上可将盾尾注浆分为三大类:
(1) 同步注浆。盾尾间隙形成的同时, 立即注浆, 使浆液及时填充盾尾间隙的方式;
(2) 及时注浆。掘进了一环或数环后, 盾尾已存在大量间隙空间, 才对盾尾间隙进行注浆的方式。这种注浆方式由于不能迅速盾尾间隙进行填充, 增大了对土的扰动性, 不利于地面沉降的控制, 而且由于早期管片脱出盾尾后处于悬空状态, 受力状态较差, 容易发生错台。因此, 该方式仅在地质情况良好, 对地表沉降要求不高时采用;
(3) 二次注浆。一次注浆效果不理想时, 需要通过二次注浆对早期注浆进行补充。一般在隧道发生偏移、地表沉降异常时或在一些特殊地段 (盾构进出站、联络通道附件) 使用。
2、同步注浆系统介绍
2.1同步注浆系统结构
同步注浆通过注浆管路、注浆泵及控制系统来实现。盾构机掘进的同时, 通过同步注浆系统将浆液同步注入管片和开挖洞身之间的环形间隙之中, 以提高隧道的防水性, 防止施工区域地表沉降。另一方面, 由于充填及时, 对刚拼好的几环管片的支撑和承托作用加强, 减小了管片移动的可能性, 从而减少管片在推力作用下开裂和错台的可能。
小松公司为了满足国内各施工单位对壁后注浆的不同要求以及由于各工程地质条件的不同需要采取单液或双液注浆的情况, 在设计盾构机壁后注浆系统时, 采用了既能单液注浆也能双液注浆的设计, 见图2同步注浆系统图
(一) 系统配置了1个4.1m3左右的浆液箱, 内有搅拌叶可以对浆液进行搅拌及给活塞泵喂料, 1个B液 (水玻璃) 箱和泵送挤压泵, 另外配置了1个高压水泵及水箱, 可分别通过管路连接到盾壳上的4个注浆点。在盾壳上设置4点注浆点, 每1点上有3根管路, 1根φ20mm的管路为B液浆管路, 并且在紧靠出口处与1根φ45mm的A液 (或单液浆) 管路相连, 第3根为清洗管路。
(二) 单液注浆时, 只需用双作用活塞泵将储存在搅拌装置中的单液浆通过管路泵送到盾壳上的同步注浆点既可。
(三) 双液注浆时, 双作用活塞泵将储存在具有搅拌装置中的A液浆, 挤压泵将储存在B液箱中的B液浆同时通过各自的管路向盾壳上的同一注浆点泵送, 在盾壳靠近出口处混合然后进入管片壁后。
同步注浆4路注浆管道设置了4个注浆压力传感器、压力表及气动球阀, 整套系统由程序自动控制注入量和注浆压力, 注浆时, 砂浆的流量和压力受到严格的监控, 以防过大的压力造成地面隆起。为了能够适应不同的注浆量和压力要求, 注浆量和压力也可以在控制操作触摸屏上进行人工调整。
2.2.盾尾密封系统结构
盾构机盾尾密封系统是盾构机正常掘进的关键系统之一。追溯盾构机的应用实践, 盾构法隧道施工所发生的安全事故常常发生在盾尾而不是在盾构机机头。盾构机盾尾密封一般分为刚性密封和柔性密封。由于刚性密封对管片生产和管片拼装质量要求较高, 逐渐被柔性密封取代。盾尾密封的设计主要由衬砌环与盾尾之间产生的环状间隙确定, 其密封范围在20~40mm之间。盾尾密封必须能够承受由土压和水压产生的压力以及泥浆压力。为了提高止水性需要安装2段以上的盾尾密封。对于安装的段数, 是由盾构的外径、地质条件、施工过程中是否需要更换盾尾密封等条件决定。盾尾密封的形式通常有钢丝刷、钢板束等。盾尾管路和尾刷的布置如示意图。目前较为理想且常用的是采用多道、可更换的盾尾密封装置, 如图3。尾刷的道数根据隧道埋深、水位高低来决定, 一般取2~3道。
由于钢丝束内充满了油脂, 钢丝又为优质弹簧钢丝, 使其成为一个既有塑性又有弹性的的整体, 油脂保护钢丝免于生锈损坏。油脂加注采用专用的盾尾油脂泵, 这种盾尾密封装置使用后较佳, 一次推进可达500m左右, 这主要看土质情况如何, 相对而言, 在砂性土中掘进盾尾损坏较快, 而在粘土中掘进则寿命较长。
对于南京地区的具体情况, 盾构机采用内注密封油脂式钢丝刷柔性密封系统即可满足隧道施工要求。钢丝刷密封系统柔度适中, 适应性强, 对管片及管片拼装质量要求一般。盾构机掘进时, 向盾尾连续注入优质盾尾油脂, 可保证在0.5MPa的压力下盾尾不会出现渗漏水和漏浆。
3、盾尾注浆施工中常见问题
3.1漏浆造成地表沉降超限
3.1.1漏浆的危害性
(1) 地面下沉, 地面建筑物受损。由于漏浆而导致地面不均匀沉降, 地面建筑物变形甚至开裂。
(2) 隧道变形。漏浆可导致隧道上下浮动, 左右偏移, 管片错台, 渗漏水等质量缺陷, 进而影响以后的地铁运行。
(3) 资源浪费, 污染环境且增加了清理量, 延误掘进进度, 由于漏出的浆液不能重复利用, 只有用水泵抽到沉淀池再进行清理, 这样不但浪费了浆液和水电而且影响施工进度。
3.1.2漏浆的原因分析
(1) 注浆材料和配比不当。
(2) 注浆压力过大或者注浆量过多, 击穿盾尾刷, 导致漏浆。
(3) 注浆和掘进不同步, 掘进时注浆量不够, 而掘进停止时注浆过多。
(4) 盾构机姿态与管片姿态偏差太大, 若盾构机姿态控制不好, 同时管片选型不当, 会使盾尾间隙不匀称, 尾刷一边紧一边松, 间隙大的地方容易漏浆, 间隙小的地方尾刷受损, 给漏浆造成隐患。
(5) 管片质量和拼装质量低下。如果管片在拼装之前有破损, 或者在拼装时操作不当, 使止水条错位、管片崩裂或者管片间缝隙过大都会造成渗水和漏浆。
(6) 注脂的注入量和注入压力。盾尾密封油脂的注入量和注入压力要在适当的范围之内, 注入量过少不足以保护盾尾刷, 过多则造成材料的浪费。
3.2掘进过程中仅以注浆量为控制指标, 限定每环的注浆量, 导致注浆量偏少, 不能有效的对盾尾间隙进行填充。
这大多发生在以下几种情况: (1) 某些特殊地段或较小的转弯半径上, 土层损失加大; (2) 由于地址条件或其他特殊原因, 掘进过程中某环出土量剧增, 而没有相应增大注浆量; (3) 地层特性变化, 却没有相应调整注浆量, 如从粘土变为砂土、从粘土变为裂隙水丰富的风化岩层等情况。
3.3.浆液选择及控制要求
盾构机掘进过程中形成的管片与土体之间的空隙将采用注浆回填, 浆液是通过运浆车送到洞内, 注浆与掘进保持同步, 采用同步注浆。盾构掘进中的同步注浆和衬砌壁后补压浆是充填盾构壳体与管片圆环间的建筑间隙和减少后期土体变形的有效手段, 同时也可加强隧道的稳定性.
同步注浆选择可硬性浆液进行及时、均匀、定量压注, 确保其建筑空隙得以及时和足量的充填, 压浆量视地层变形监测数据而定。稠度控制在9~11cm。压浆属一道重要工序, 须指派专人负责, 对压入位置、压入量、压力值均作详细记录, 并根据地层变形监测信息及时调整, 确保压浆工序的施工质量。
(一) 所配出的浆液应具备以下性能:
1、初始粘度低以更好地充填盾构掘进造成的间隙;
2、凝结速度快以避免沉陷;
3、不得堵塞盾尾密封。
在盾构掘进的过程中, 每环注浆量控制在200%-230%, 为减少地下的后期变形, 必要时进行衬砌壁后注浆, 注浆参数及注浆量的选择根据实际情况而定 (待100m试验段施工得出的数据) , 为防止浆液在注浆系统内硬化, 定时对注浆系统及拌浆系统进行清洗, 严禁在同步注浆系统堵塞的情况下进行盾构掘进。
(二) 各项控制压力的选择考虑以下因素:
1、注浆位置的水压力和土压力;
2、管片的承压能力;
3、不会对盾尾密封刷造成损害;
4、既能防止地面下沉超限, 又不导致地面隆起超限;
5、浆液不会进入土仓;
6、注浆操作既可人工又可自动, 控制开关设在盾构机操作盘上。
每环掘进之前, 都要确认注浆系统的工作状态处于正常, 并且浆液储量足够, 掘进中一旦注浆系统出现故障, 立即停止掘进进行检查和修理。
3.4.注浆主要施工参数
注浆压力:根据注浆目的要求调整注浆压力, 充分充填盾构施工产生的地层空隙, 避免由此引起的地表沉陷, 影响地表建筑物与地下管线的安全。同时, 防止过大的注浆压力引起地表有害隆起或破坏管片衬砌。背衬同步注浆压力控制在0.2~0.4MPa, 二次补充注浆压力控制在0.3~0.5MPa。
注浆量:Q=V·λ
λ—指注浆率 (一般取200%-230%) 。
V—盾构施工引起的空隙 (m3) 。
V=π (D2-d2) L/4
D—指盾构切削外径 (m) (削切外径6.34m) 。
d—指预制管片外径 (m) (预制管片外径6.2m) 。
L—回填注浆段长即预制管片每环长度 (预制管片每环宽1.2m) 。
根据公式计算得:
Q= (6.342-6.22) ×3.14×1.2× (200%~230%) /4=3.31~3.80m3
即注浆量为3.31~3.80m3/环 (1.2m) 。
注浆量和注浆压力由技术人员确定。注浆工应及时做好拌浆记录和注浆压力、注浆量的记录, 并按期检查浆液质量。尤其是, 应控制和记录每一环的实际注浆量与环状间隙的理论容积的比较值, 注浆量一般控制在理论空隙值的2.0~2.3倍。
根据地面沉降监测成果材料, 如果发现注浆不足或不理想, 应尽快进行二次补充注浆。二次补压注浆用水泥水玻璃双液浆, 水泥采用32.5#普通硅酸盐水泥, 水玻璃采用40Be的浓度, 浆液水灰比为:1:1.2;水泥与水玻璃的配比 (体积比) 为:1:0.7。
3.5保证盾尾密封完好的措施
只有保证了盾尾密封的完好才能有效的防止漏浆, 保护盾尾密封可采用以下措施:
(一) 盾尾密封油脂重量合格, 注入压力足够, 注入量饱满;
(二) 浆液用料配比选择合理, 注浆压力和注浆量不超限;
(三) 盾构机要严格按要求操作, 控制好姿态和速度, 防止损坏尾刷;
(四) 管片选型要合理, 拼装慎重, 杜绝野蛮拼装, 拼装之前要将管片清理干净。
3.6, 盾构机注浆控制措施主要有
(1) 盾构机设计制造时, 应根据地层情况, 选择不同的盾尾注浆方式。在条件允许的情况下, 尽可能采用通过安装在盾尾的注浆进行同步注浆的方式, 注浆过程应设计为自动控制。并将通过管片注浆作为备选注浆方案或补充应急方案。
(2) 合理选择注浆液类型。 (1) 惰性注浆液初凝时间长, 制备成本低, 在上海等软弱地层为主的地区应用较为广泛, 但由于强度较低, 抗渗性能差, 不利于隧道衬砌的早期稳定和隧道防渗效果。硬性注浆液制备成本相对较高, 初凝时间长, 早期具有一定强度, 对于隧道衬砌的稳定较为有利, 双业浆初凝时间很短, 强度高, 相对另外两种浆液而言, 注入量最少, 注浆效果最佳, 广泛适应于各种地层, 但施工工艺较为复杂, 施工过程控制要求较高。 (2) 根据隧道区段变化而调整。在靠近洞门和联络通道前后的注浆, 应提高注浆液强度和抗渗性能;洞门结构和联络通道施工前, 还需要双浆液等进行二次注浆补强。 (3) 根据地址情况变化而调整。正式掘进前, 应根据地址勘探和补充地址勘探成果, 进行浆液配合比实验, 最好是单浆液和双浆液配比均准备2组以上;浆液初凝时间、早期强度和28天强度均满足于围岩共同作用的要求;液化地层, 还应浆液抗液化实验。 (4) 根据浆液运输方式选择。
(3) 合理选择注浆压力、注浆量、注浆位置。正常施工阶段, 以注浆压力控制注浆量, 沉降控制要求相当高的地段, 采用注浆压力和注浆量双重控制标准。为防止盾尾被击穿, 注浆压力不能大于盾尾密封所能承受的设计压力, 一般不易大于0.4MPa。
(4) 加强管片沉浮的检测, 摸清盾构机通过不同地质断面的沉浮规律, 以相应调节盾构机姿态和注浆参数。为控制管片上浮, 并防止因浆液流动性好而造成隧道顶部出现浆液填充现象, 在通过盾尾注浆管的同步注浆过程中, 宜将位于上部的两根注浆管注浆压力和注浆量提高;在通过管片注浆孔注浆的过程操作中, 一般应选择在顶部的2片管片注浆。
(5) 合理选择管片外弧面接缝构造形式。
(6) 通过地面沉降检测成果指导盾尾注浆施工, 当盾构机某环掘进过程发现出土量远超出理论方量时, 则有可能前方地层发生坍塌, 应增加盾尾注浆量。
(7) 制定详细的注浆施工设计和工艺流程及注浆质量控制程序, 严格按要求实施注浆、检查、记录、分析, 及时做出P (注浆压力) -Q (注浆量) -T (时间) 曲线, 分析注浆效果, 反馈指导下次注浆。
(8) 避免出现漏浆, 而做好盾尾密封又是防止漏浆的关键和基本保证。注意盾尾刷的保护特别是在始发之时, 在尾刷和尾刷之间注入的油脂量必须足够, 油脂质量必须保证, 否则尾刷将在没有润滑的情况下被摩擦损坏, 甚至在没有油脂的屏蔽下被水泥砂浆“冻结”硬化, 失去密封作用, 此时更容易被摩擦损坏, 密封刷一旦被损坏则必然导致漏浆。
4、结束语
在盾构施工过程中, 盾尾注浆是施工中的重要一环, 对隧道的后期成型, 地表的沉降控制起着重要的作用。
参考文献
[1]张凤祥, 土建注浆施工与效果检测。上海:同济大学出版社, 1999.
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[3]郭银波, 黄忆龙。注浆技术在地铁土建工程中的应用。铁道建筑技术, 2002, 20-22。
盾构同步注浆施工 篇2
管片拼装完成后,随着盾构的推进,管片与洞体之间出现空隙,如不及时充填,地层应力得以释放,而产生变形,
其结果发生地面沉降,邻近建(构)筑物沉降、变形或破坏等。注浆的主要目的就是防止地层变形,还有其他重要目的,具体如下。
1.抑制隧道周边地层松弛,防止地层变形。
2.及早使管片环安定,千斤顶推力平滑地向地层传递。作用于管片的土压力平均,能减小作用于管片的应力和管片变形,盾构的方向控制容易。
盾构同步注浆施工 篇3
盾构法由于施工过程对地面环境影响小, 施工速度快、安全而成为在城市地铁隧道以及市政设施隧道施工的一种重要手段[1]。在盾构法隧道的施工中, 盾构机刀盘的开挖直径大于管片外径, 随着盾构的推进, 管片拼装完毕并脱离盾尾后会与周围土体形成一个环形间隙, 称为盾尾间隙。施工产生的盾尾间隙除了会造成地面沉降以外, 还会影响盾构机的姿态控制, 并对管片拼装、隧道止水产生不利影响[2];因此进行盾尾处注浆是盾构施工中必要的关键工序。同步注浆不仅可以控制地层位移, 减少对周边及地下结构物的扰动;同时可充当环外第一道防水线, 对维持隧道的稳定性十分重要。
本文针对同步注浆的特性, 结合上软下硬复合地层地质条件, 制备适合实际工程使用的以粉煤灰为主, 复掺水泥和膨润土的活性同步注浆砂浆。
1注浆方式及工程地质
1.1注浆方式
本盾构机的同步注浆系统采用常用的砂浆注浆方式, 由地面拌浆系统拌制后, 通过搅拌车运送至三号车架, 利用车架上的设备泵送至一号车架上的浆桶, 在盾构机推进时, 通过6点注出口注入土体, 及时充填建筑空隙, 防止地面沉陷。为了保证同步注浆浆液能有效的注入土体, 必须保证6点位置管路注出口的压力分别大于相应各位置盾尾泥水压力, 由于考虑到隧道上浮等因素, 注入量也会因此进行调节, 直接导致注浆压力的调整, 四个断面的注浆压力设定差值略小于理论值。
注浆压力的确定, 注浆压力根据该公式P=P1+P2+P3进行设定;其中P为注浆压力;P1为相应位置的切口水压力;P2为管阻 (根据长江隧道管阻压力试验, 取2 bar) ;P3为常数, 取1.5 bar, P上=P+1 bar, P下=P-1 bar。
1.2工程地质条件
本工程盾构在掘进至约里程SDK4+710处, 需穿越砾砂、圆砾及卵石和砂岩层等复合地层, 属于国内较为复杂的复合地质条件工程之一, 其盾构掘进段 (SK4+710~SK4+810) 区间江底至盾构机底部地质情况详见表1。
该掘进区域内地质比较复杂属于上软下硬复合地层, 盾构主要穿越砂砾、圆砾及卵石和粉砂岩地层;在砂砾, 卵石地层中, 其母岩成分以石英砂岩, 燧石及灰岩为主, 渗透系数10-4m/s, 为高透水的砂卵石地质, 自稳性差;强风化粉砂岩层其石英含量达到65%, 平均强度约60 MPa~80 MPa, 最高达120 MPa, 属于高强度硬岩。
为实现壁后注浆的目的和要求, 注入浆液必须迅速、充分的填充盾尾空隙, 综合分析地质及工程特性, 本区段选用少量掺入水泥的硬性浆液进行盾尾同步注浆。注浆浆液应具有以下特点:
1) 良好的和易性 (流动性) 且离析少, 3 h流动度大于18 cm;
2) 浆液的固化时间可以控制, 可以在规定的时间内固化 (8 h~24 h) , 既不会浆液固化太快造成浆液管堵塞, 也不会太慢, 以致无法约束管片的位移, 并产生隧道在浆液中漂移的现象;
3) 有一定的早期强度, 其数值与原状土的强度相当, 浆液的固化过程中不发生泌水现象, 硬化后的体积收缩率小, 渗透系数小;
4) 应有合适的稠度 (10 cm~14 cm) , 不被泥水和地下水稀释;
5) 有较好的强度和动力学性能, 且在泥水的作用下不会降低。
2试验材料及配合比
2.1试验材料
水泥:南京海螺P.O42.5普通硅酸盐水泥, 相关性能见表2。粉煤灰:南京华能Ⅱ级灰, 相关性能见表3。
膨润土:浙江安吉纳基200目膨润土。
砂:江西赣江细砂, 细度模数1.9, 含泥量2.1%。
减水剂:山西桑穆斯建材化工有限公司生产的萘系列缓凝高效减水剂。
拌合用水:自来水。
%
2.2试验配合比
本阶段同步注浆砂浆的胶凝材料体系由水泥、粉煤灰和膨润土共同组成。其中水泥的掺入对砂浆早期强度的形成贡献较大, 但一定程度上将缩短浆液的凝结时间;粉煤灰为火山灰质材料, 具有潜在的碱激发活性, 是砂浆形成胶凝能力的主要原因之一;膨润土的引入主要为提升砂浆的工作性能。此外, 膨润土遇水膨胀的特性还能补偿砂浆的干燥收缩、减少微裂缝的生成, 增加砂浆的粘结能力[3]。依据工程经验, 试验室通过调整胶砂以比及胶凝材料体系进行试拌, 从中优选出5组配合比进行比较, 如表4所示。
2.3试验结果
2.3.1工作性
砂浆的稠度、流动度、分层度、泌水率、凝结时间等性能依照砂浆基本性能试验JGJ/T 70—2009建筑砂浆基本性能试验方法标准进行试验, 流动性参照T0507—2005水泥胶砂流动度测定方法进行;试验结果见表5。
由表5可知, 胶砂比对砂浆稠度的影响显著, 当胶砂比由0.36增至0.44时, 砂浆的稠度和流动度增加非常明显, 随着时间的增长, 且稠度和流动度的经时损失也有明显的下降趋势;这是因为膨润土的主要矿物成分为蒙脱石, 具有高分散性、吸附性、吸水膨胀等特性, 在水解后能够使砂浆的稳定性提高, 同时其滑动效应可提高砂浆的滑动性及可泵性, 避免或减少砂浆在泵送的过程中堵管现象的发生, 且遇水膨胀的特性还能补偿砂浆的干燥收缩、减少微裂缝的生成, 增加砂浆的粘结能力[4,5], 掺入粉煤灰能明显增大新砂浆的浆体体积, 大量的浆体填充了骨料间的孔隙, 包裹并润滑骨料颗粒, 从而使砂浆拌和物具有更好的粘聚性和流动性。粉煤灰的形貌效应可以减少浆体—骨料间的界面摩擦, 在骨料的接触点起滚珠轴承效果, 从而改善砂浆的工作性能[6];同时泌水率随着胶砂比的增加有减小的趋势, 这是因为胶凝材料与水的水化反应加大, 使砂浆中的自由水减少, 同时膨润土本身有很强的吸湿性, 从而导致泌水率的减小。砂浆的凝结时间也随着胶砂比的增大而增加。
2.3.2抗压强度
参照JGJ/T 70—2009建筑砂浆基本性能试验方法标准对上述配比制得的砂浆进行3 d, 7 d及28 d强度测试, 得出砂浆的抗压强度与水胶比的关系见图1。
由图1可知, 砂浆抗压强度随龄期的增长而提高, 随胶砂比的增加而增大。胶砂比越高意味着胶凝材料用量越大, 胶凝材料生成的水化产物也越多, 因而抗压强度得到提升。综合考虑本工程特点的地质情况, 结合浆液的工作性、早期强度及后期强度发展趋势以及经济性等因素, 选用胶砂比为0.42配比的活性浆液进行该区域的同步注浆。
3沉降监测及结论
在盾构掘进过程对盾构段同步进行监控量测, 监控量测的结果将对同步注浆配比及注浆量的调整提供重要依据。结合工程及地质特点, 本区域监测报警值设置为:沉降速率3 mm/d;累计沉降量-30 mm, +10 mm, “-”表示沉降, “+”表示上抬, 监测数据整理后见表6。
mm
从表6可知, 对于复合地质条件下采用H4组配合比能够很好的控制地面沉降及管片的上浮, 提高了隧道的整体稳定性;可有效封堵该富水复合地层中的承压水, 且浆液的工作性能良好、注浆过程中未发生堵管现象, 工程实际应用效果较好, 满足该高渗透性富水地层中盾构掘进施工同步注浆要求。
摘要:介绍了盾构施工工程注浆技术特点, 通过调整胶砂比及胶凝体系, 系统比较了不同配比的砂浆的稠度、流动性、泌水率、强度等相关性能, 结合工程实际应用效果, 得到了适合高渗透性富水复合地层的同步注浆浆液, 为以后类似工程提供借鉴。
关键词:盾构,复合地层,同步注浆,试验
参考文献
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[2]王树清, 蔡胜华, 蒋硕忠.盾构法隧道施工同步注浆材料研究[J].长江科学院院报, 1998 (8) :28-30.
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盾构同步注浆泵原理及应用分析 篇4
关键词:盾构施工,同步注浆泵,注浆压力,注浆量,注浆速度
在隧道施工中, 随着盾构的不断掘进, 由于盾尾的抽出管片与洞壁之间会出现空隙, 如不及时填充可能发生地表沉降等问题[1], 因此需要对管片外侧与洞壁之间的环形空间进行注浆填充, 用混凝土提供相应压力支持上方土体, 确保管片衬砌的早期稳定性和间隙的密封性, 从而有效地解决盾构掘进过程中引起地面沉降和结构漏水等问题, 注浆原理如图1所示。目前国内盾构使用的同步注浆泵全是国外进口产品, 采购周期较长, 而且现场使用出现问题时不能及时进行维修或者更换零部件, 影响施工进度。本文以施维英同步注浆泵为例, 对同步注浆泵的构造及控制原理进行分析, 对现场使用及维修经验进行总结。
1-盾尾壳体;2-注浆管;3-土体;4-管片;5-三道盾尾密封;6-止浆板;7-注入的砂浆
1 同步注浆泵主要参数分析
施工中需根据实际地质条件决定注浆压力、注浆量、注浆速度等参数, 以对注浆泵进行手动控制或者自动控制。自动控制时由上位机设定最大及最小注入压力, 当注浆压力达到最大设定压力时注浆泵将停止注浆, 随着盾构的继续掘进, 当浆液流动使注浆压力小于最低注入压力时注浆泵再次启动进行注浆。
1.1 注浆压力
注浆压力是衡量浆液填充情况的重要参数之一, 压力过大可能损坏管片, 过小又不易注入浆液, 因此需综合考虑地质、管片强度、设备性能、浆液性质、开挖仓压力等情况确定出既能完全充填盾尾空隙又安全的最佳注浆压力值。注浆泵出口压力与注浆管末端盾尾间隙处地层压力、浆液流经管路的沿程压力损失、流经阀门和变径管等的局部压力损失有关[2], 可用下式计算
式中Pp—泵出口处压力;
Pe—盾尾间隙处地层压力;
—局部压力损失,
λ—沿程阻力系数;
l—圆管的沿程长度, m;
d—圆管内径, m;
v—管内平均速度, m/s;
ρ—砂浆密度, kg/m3;
ζ—局部阻力系数。
注浆泵出口压力值随注浆管长度的增加而增加, 注浆泵在空间允许时应尽可能放在接近盾尾处, 减少压力损失。采用同步注浆时注浆压力应保持在适当范围内, 不应有大幅波动, 并要求地层中的浆液压力大于该点的静止水压及土压力之和。在每条注浆管线靠近盾尾注入点处都安装有土压传感器, 实时反馈和控制注浆压力, 从而控制注浆量。
1.2 注浆量
理论上同步注浆量是填充切削土体与管片间隙所需的浆液量, 并根据地质、线路及掘进方式等因素考虑适当的饱满系数, 以达到填充密实。注浆量Q按下式计算
式中V——理论空隙量, m3;
α——注入率, 实际注浆量根据地质和施工损耗等情况选取相应的注入率[3],
α1——压密系数;
α2——土质系数;
α3——施工损耗系数;
α4——超挖系数。
每环理论注浆量
式中D1——开挖直径, m;
D2——管片外径, m;
L——管片长度, m。
注浆量也可由注浆泵上脉冲计数器的显示数据来推算, 以注浆泵输送缸的容积修正量及单位时间内的泵送次数计算出单位时间的注浆量[4]
式中n——泵送次数;
vm——修正后的输送缸容积, m3。
施工中达到设定的注浆量, 也只能保证盾尾空隙理论上的填充饱满, 实际的填充情况则取决于注浆压力。另外, 注浆量也可根据注浆前后砂浆罐的容量之差来确定。
1.3 注浆速度
注浆速度应与盾构的掘进速度相适应, 过快可能导致堵管, 过慢则会导致地层的坍塌或使管片受力不均, 产生偏压。
式中Q——壁后注浆量;
T——每环推进时间。
式中v——盾构推进速度。
由式5、式6得出
为满足盾构最大推进速度时的同步注浆要求, 浆液注入速度必须满足
2 同步注浆泵结构
同步注浆泵为双管活塞出料, 通过提升阀控制进、排浆口开闭, 如图2所示[5]。
1-注浆主油缸;2-清洗水箱;3-输送缸;4-进料提升缸;5-出料管;6-出料提升缸;7-活塞
同步注浆泵由注浆主油缸、清洗水箱、输送缸、进出料提升阀和活塞等元件组成。泵出料时, 注浆输送缸活塞由主油缸伸出推动, 混凝土在压力作用下通过排浆口压入输送管道送至盾尾环形间隙, 此时吸料提升阀关闭, 出料提升阀打开。主油缸达到最大行程后, 系统自动切换到泵吸料状态, 此时吸料提升阀打开, 出料提升阀关闭, 注浆主油缸带动活塞回缩, 混凝土在自重和吸力共同作用下被吸入输送缸, 完成吸浆过程。输送缸在液压缸的往复驱动下, 交替进行吸浆和排浆, 实现混凝土的连续泵送。
3 同步注浆泵现场常见问题处理
操作人员应经常对注浆设备进行彻底的清理、检查, 要保持注浆管路畅通、压力显示系统准确无误, 对发现的问题及时处理, 确保注浆泵正常工作, 注浆泵常见故障如下。
1) 吸料提升阀油缸不动作注浆完毕未及时清洗注浆泵, 泵内浆液硬化, 造成活塞被卡。处理方法, 拆除吸料提升阀缸液压管路, 利用千斤顶顶起活塞, 清除硬化泥浆。
2) 无注浆压力显示注浆管路未及时清理硬化后堵塞, 浆液到不了注浆压力传感器所在位置, 应将注浆管路清理畅通。
3) 注浆泵工作一段时间后换向冲击变大换向时液压冲击大, 由于节流阀松紧螺母未拧紧, 注浆泵工作时振动等原因使节流阀开口不断变大, 将节流阀开口度调节到换向冲击合适时, 拧紧松紧螺母。
4) 注浆脉冲次数显示不正常注浆时某一路注浆次数为其它组2倍或无显示, 脉冲接近开关安装位置超前, 活塞经过时接近开关感应两次, 从而脉冲计数加倍, 将脉冲计数接近开关调整至脉冲计数显示正确的合适位置;接近开关探头伸出太短以致检测不到活塞动作时脉冲次数不显示, 应当调整探头伸出长度。
5) 注浆压力上不去注浆动作正常但注浆压力上不去, 由于注浆泵出料提升阀、吸料提升阀磨损, 致使它们靠锥面的密封不严密, 泵送时浆液从吸料提升阀处向吸料管泄漏, 吸料时浆液由注浆泵出口浆液输送管通过出料提升阀处向吸料铸件腔泄漏, 浆液泄漏造成泵送时压力上不去, 或者泵送后的压力下降。此时, 需要更换提升阀。
对于注浆泵出现的其他问题也应通过分析解决, 并且注浆时浆液要从管片的对称位置注入, 防止产生偏压使管片发生错台或损坏;注浆过程中要密切关注管片的变形情况, 若发现管片有破损、错台、上浮等现象应立即停止注浆;当注浆量突然增大时应检查是否发生了泄漏或注入掌子面的现象, 若发生前述现象应停止注浆, 妥善处理后再继续注入。
4 结论与讨论
1) 本文对隧道施工中同步注浆的过程进行了说明, 介绍了同步注浆泵的结构, 并对注浆工作过程和反泵冲洗过程的液压控制原理进行了详细的分析。
2) 对施工中所需注浆压力、注浆量、注浆速度等参数进行了分析讨论, 提供了多种日常使用时参数设置的计算方法。
3) 对注浆泵常见故障和使用注意事项进行总结并分析了原因, 有利于同步注浆泵可靠合理的使用, 为隧道的顺利贯通提供重要支持。O
参考文献
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[3]张景异, 赵婷婷.盾构同步注浆系统研究[J].液压与气动, 2011, (9) :22-24.
[4]腾延锋.盾构新型注浆泵控制系统的研制[J].建筑施工, 2011, (33) :407-408.
盾构同步注浆施工 篇5
随着我国城市轨道交通建设的快速发展, 盾构施工在城市轨道交通建设已经逐步成为安全、快速的手段。随着对城市建设的安全性、环境友好程度越来越重视, 对盾构施工的地表沉降要求及下穿各种建 (构) 筑物的安全提出了更高的要求。
2014年末, 全国共22个城市开通城市轨道交通运营里程长度3173公里。其中地铁2365公里, 占75%。目前, 国内盾构壁后注浆主要采用同步注浆, 由于要通过盾构支承环和盾尾内管道系统注入地层内, 要求同步注浆浆液具有良好的工作性、稳定性和固结性。因而, 对同步注浆材料体配合比的科学设计和有效调控, 可以为盾构施工带来巨大的经济、社会效益。
1 国内目前同步注浆的现状
由于盾构刀盘及壳体大于管片外径, 当盾尾脱离管片后, 管片与土体之间形成一定的环形建筑空间, 如不能及时有效填充, 将导致: (1) 管片渗漏; (2) 管片出现错台; (3) 土体变形引起地表沉降。
因此, 壁后注浆是保证地表沉降、管片错台以及隧道防水的重要措施。
国内对多种类型的浆液均有使用, 但单液浆由于注入设备简单、施工操作简单、设备维护简单及施工管理容错率高, 在现在的盾构施工中占主导地位。
2 不同的同步注浆液浆对比
2.1 单液浆与双液浆的对比
目前盾构施工用同步注浆浆液主要分两种:单液浆与双液浆。以日本为代表的泥水平衡盾构的同步注浆主要采用双液浆液, 其主要材料为水泥、膨润土、水、水玻璃等, 以德国为代表的土压平衡盾构主要采用可硬性浆液为主的单液浆。
双液注浆系统由两套相对独立的浆液储存设备和泵送设备组成, 浆液在盾壳外相遇并发生凝结, 凝结时间较短, 利于尽早发挥注浆的强度功效。单液注浆系统相对简单, 但对浆液的性能要求较高, 浆液凝结过快容易堵塞注浆系统且充填效果不理想, 凝结过慢容易导致隧道轴线变形和额外地表沉降。
2.2 可硬性单液浆与惰性浆液的对比
可硬性浆液主要是以水泥为胶凝材料的同步注浆材料, 辅以细砂、粉煤灰等添加材料作为充填。主要优势在于原材料应用广泛, 易取得、浆液初凝时间较短、浆液终凝强度高;缺点在于施工过程控制要求较高、浆液成本较高、浆液在富水高压情况下易离析、离散, 无法形成较密实板体。
基于可硬性单液浆基础上发展出来了惰性浆液单液浆, 惰性浆液同时克服了普通可硬性浆液凝结时间短、易堵管、抗水分散性较差等缺点, 实现了充填性、流动性、固结强度三者之间的良好匹配, 能够达到较好的地层充填效果。同时有于惰性浆液没有使用水泥, 有利于节约工程成本。
3 新型惰性浆液性能指标目标
根据笔者所在公司长期从事盾构施工经验以及在数个不同地层使用惰性浆液的施工数据分析, 拟试验确定出一种应用于高水压富水粉细砂地层使用的惰性浆液。要求该浆液具有良好的可泵送性、抗离析、抗水分散以及较高的抗压性能、较小的收缩率、较好的抗渗性能, 并以抗压性能、抗渗性能、收缩率、离析率作为主要的目标性能。
3.1 新型惰性浆液原材料要求
新型浆液拟采用消石灰、粉煤灰、中细砂、膨润土、水、添加剂等搅拌而成。初定浆液组成原材料的性能要求见表1。
说明: (1) 表中用砂的细度模数不小于0.8; (2) 粉煤灰含水量:粉煤灰的含水率影响卸料、贮藏等操作, 规定不大于5%; (3) 砂:使用前过5mm筛, 如夏天砂子温度太高, 须放在凉棚下凉至砂温≤38℃再用; (4) 水:优先使用井水, 夏天水温不要过高, 冬天水温也不要过低, 使砂浆温度适中.
3.2 新型惰性浆液基本性能要求
新型惰性同步注浆浆液应具备以下性能:
(1) 具有良好的长期稳定性及流动性, 并能保证适当的初凝时间, 以适应盾构施工以及远距离输送的要求具有良好的可泵送性;
(2) 能满足相应的抗压要求, 具有良好的充填性能;
(3) 在满足注浆施工的前提下, 尽可能早地获得高于地层的早期强度;
(4) 浆液在地下水环境中, 不易产生稀释现象;
(5) 浆液固结后体积收缩小, 泌水率小;
(6) 具有一定的抗渗能力;
(7) 原料来源丰富、经济, 施工管理方便, 并能满足施工自动化技术要求;
(8) 浆液无公害, 价格便宜。
3.3 新型惰性浆液性能指标控制要求
新型浆液以稠度为主要管理指标, 同时也兼顾凝结时间和浆液试块抗压强度等, 综合以上试验数据和分析, 新型浆液基本性能控制指标初定为表2所示。
3.4 惰性浆液的现场管理控制
(1) 所有进场原材料均满足浆液材料性能检测要求。
(2) 浆液的搅拌必须按试验室下达的配合比进行拌制, 当砂子含水量较低大时, 要勤测含水率, 调整配合比。
(3) 注浆过程的卡控:工程技术人员根据其他参数变化随时调整注浆量、注浆压力及注浆速度。
(4) 设备维护:定期清理注浆管路, 特别是需停一段时间后才掘进。注意保护压力传感器和线路。
(5) 注浆完成:注浆量达到设计注浆达到设计注浆量的80%以上, 对注浆效果不好的地方采用二次注浆机用水泥单液浆进行补强浆, 以增加密实性, 减小地表沉降。由于惰性浆液凝结时间较长, 对特殊地段以及进出洞时, 在尾盾离开管片2环~3环时, 从吊装孔注入水泥浆液, 以加快凝固速度和浆液强度。
4 新型浆液的实验
4.1 惰性浆液的实验配合比
施工中选用第一组配方, 为了满足长距离运输及泵送的需求, 对配方做了适当的调整。其配合比为每1立方米石灰80kg、粉煤灰300kg、砂子1000kg、膨润土60kg、水350kg、减水剂3kg。
在本标段盾构同步注浆施工中, 严格按照施工配合比适配, 每环在搅拌完成后在储浆箱中取出一定量的浆液进行主要性能的检测。
新型单液浆实测比重为1.83~1.90g/cm3, 实测稠度10~13cm, 稠度经时变化均小于2cm。
4.2 新型单液浆的终凝时间及相关试验
在本标段盾构法同步注浆施工中, 严格按照施工配合比适配, 浆液搅拌完成后在储浆箱中取出一定量的浆液制作7.07cm*7.07cm*7.07cm试块, 进行标准养护分别进行7天和28天无侧限抗压强度试验, 根据大量的试验结果分析, 7天的无侧限抗压强度平均值达到0.17MPa, 28天无侧限抗压强度为0.8MPa。
通过对搅拌好的浆液进行终凝时间试验得出浆液搅拌好后初凝时间基本控制在24小时, 与一般可硬性浆液的初凝时间2~3小时相比, 缓凝效果较为明显。
对浆液试块的抗渗性能同时进行了试验, 浆液试块的抗渗平均为0.85*10-8cm/s。
4.3 水量对浆液性能指标的影响
固体物料和减水剂加量不变时, 只改变水量, 配比如表4所示。
通过试验证明:水量增大后, 浆液的稠度值和流动度值也随着增大, 并导致浆液离析现象加重, 浆液抗渗性能受到直接影响;水量减少, 浆液的稠度值和流动度值也随着减少, 浆液的凝结时间也缩短。
4.4粉煤灰和膨润土用量对浆液性能指标的影响
为测试粉煤灰和膨润土对浆液性能指标的影响规律, 以表3中的推荐配比为基准, 调整配比。
4.4.1粉煤灰量增加70kg/m3, 膨润土量增加30kg/m3, 砂用量减少100kg/m3;
4.4.2膨润土量增加60kg/m3, 砂用量减少60kg/m3。
(1) 调整水量使浆液初试稠度基本相同, 测试浆液性能指标与表3推荐配比进行比较, 配合比如表5所示。
(2) 相同水量时, 粉煤灰和膨润土加量对浆液性能指标的影响, 配比如表6所示。
粉煤灰和膨润土量增加后, 浆液的流动度能长时间内维持在较高值, 利于泵送。
5 新型浆液与水泥砂浆的现场施工比对结论
通过两种浆液的同条件施工情况对比 (施工标段为:郑州市地铁2号线01标广~新~国盾构隧道区间) , 我们发现新型浆液相对于可硬性浆液的主要优势体现在四个方面:
(1) 隧道防水保证;
(2) 施工成本节约;
(3) 地层沉降控制;
(4) 施工管理亲和。
下面分别从这四个方面对新型浆液与可硬性浆液进行对比。
5.1 新型浆液与水泥砂浆基于隧道防水的对比
郑州市轨道交通2号线1标的单线隧道共计约为1300环, 采用新型惰性浆液的隧道漏水点位有2%~3%环左右, 采用可硬性浆液的隧道漏水点位有5%~8%左右。可以清晰明显地看到采用新型惰性浆液的盾构隧道漏水情况好于采用可硬性浆液。对于隧道渗漏水治理的后期隐形成本的节约也相当有效。
5.2 新型浆液与水泥砂浆的经济性对比
分别采用新型惰性浆液与可硬性浆液时, 每方新型惰性浆液在相同社会环境下相较可硬性浆液便宜30~50元, 按平均一环6~8方的同步注浆量的方量计算, 则一环便可节约180~400元, 具有相当可观的经济效益。虽然采用新型惰性浆液需要增加一台注浆设备 (1万元左右) , 但是总体费用方面要比可硬性浆液减少。
5.3 新型浆液与水泥砂浆的施工管理亲和性对比
采用新型惰性浆液的左线隧道共计因同步注浆系统问题停机4次, 而采用可硬性浆液的右线隧道共因同步注浆系统问题停机18次。
可硬性浆液的同步注浆系统主要问题为: (1) 管路清理, 11次; (2) 注浆泵损坏、更换配件3次; (3) 注浆罐清理2次; (4) 浆液质量问题, 2次。由此可见采用新型浆液的施工管理容错率要明显高于采用可硬性浆液的施工管理容错率。
5.4 新型浆液与水泥砂浆的地层沉降控制对比
采用新型惰性浆液的左线隧道地表沉降峰值为-13mm, 沉降稳定时间为12~14小时左右;采用可硬性浆液的右线隧道地表沉降峰值为-28mm, 沉降稳定时间为24~48小时。
沉降峰值减小一半左右, 沉降发展时间缩短一半左右, 可见采用新型惰性浆液的地层变形控制要优于采用可硬性浆液。
摘要:本文简要介绍了盾构同步注浆的主要种类, 并对两种单液浆的工程性能、经济效益、隐性成本等进行了对比。分析了水泥单液砂浆逐渐被冷落的原因及惰性浆液的多样性和几个主要的发展方向。
关键词:盾构同步注浆,单液浆,浆液强度,浆液抗渗
参考文献
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盾构同步注浆施工 篇6
盾构法施工是以盾构这种施工机械在地面以下暗挖隧道的一种施工方法。盾构 (shield) 是一个既可以支承地层压力又可以在地层中推进的活动钢筒结构。钢筒的前端设置有支撑和开挖土体的装置, 钢筒的中段安装有顶进所需的千斤顶;钢筒的尾部可以拼装预制或现浇隧道衬砌环。盾构每推进一环距离, 就在盾尾支护下拼装 (或现浇) 一环衬砌, 并向衬砌环外围的空隙中压注水泥砂浆, 以防止隧道及地面下沉。盾构推进的反力由衬砌环承担。盾构施工前应先修建一竖井, 在竖井内安装盾构, 盾构开挖出的土体由竖井通道送出地面。
盾构法施工的优点
(1) 安全开挖和衬砌, 掘进速度快;
(2) 盾构的推进、出土、拼装衬砌等全过程可实现自动化作业, 施工劳动强度低;
(3) 不影响地面交通与设施, 同时不影响地下管线等设施;
(4) 穿越河道时不影响航运, 施工中不受季节、风雨等气候条件影响, 施工中没有噪音和扰动;
(5) 在松软含水地层中修建埋深较大的长隧道往往具有技术和经济方面的优越性。
2 工程概况
根据地质勘查报告, 石家庄火车东站~南村站区间穿越土层以粉质粘土, 中粗砂为主;南村站~洨河大道站区间穿越土层以粉细砂, 中粗砂为主。两区间范围内地下水埋深约40~48m, 含水层为卵石粗砂层, 区间均未进入潜水层, 未见上层滞水。因此宜采用盾构施工。
3 盾构同步注浆
当盾片脱离盾尾后, 在土体与管片之间会形成一道宽度为80mm左右的环行空隙。同步注浆的目的是为了尽快填充环形间隙使管片尽早支撑地层, 防止地面变形过大而危及周围环境安全, 同时作为管片外防水和结构加强层。
3.1 注浆材料及配比设计
3.1.1 注浆材料
采用水泥粉煤灰砂浆作为同步注浆材料, 该浆材具有结石率高、结石体强度高、耐久性好和能防止地下水浸析的特点。水泥采用42.5抗硫酸盐水泥, 以提高注浆结石体的耐腐蚀性, 使管片处在耐腐蚀注浆结石体的包裹内, 减弱地下水对管片混凝土的腐蚀。
3.1.2 浆液配比及主要物理力学指标
根据盾构施工经验, 同步注浆拟采用表所示的配比。在施工中, 根据地层条件、地下水情况及周边条件等, 通过现场试验优化确定。同步注浆浆液的主要物理力学性能应满足下列指标:
1) 胶凝时间:一般为3~10h, 根据地层条件和掘进速度, 通过现场试验加入促凝剂及变更配比来调整胶凝时间。对于强透水地层和需要注浆提供较高的早期强度的地段, 可通过现场试验进一步调整配比和加入早强剂, 进一步缩短胶凝时间。
2) 固结体强度:一天不小于0.2MPa, 28天不小于2.5MPa。
3) 浆液结石率:>95%, 即固结收缩率<5%。
4) 浆液稠度:8~12cm。
5) 浆液稳定性:倾析率 (静置沉淀后上浮水体积与总体积之比) 小于5%。
3.2 同步注浆主要技术参数
3.2.1 注浆压力
注浆压力略大于该地层位置的静止水土压力, 同时避免浆液进入盾构机的土仓中。
最初的注浆压力是根据理论的静止水土压力确定的, 在实际掘进中将不断优化。如果注浆压力过大, 会导致地面隆起和管片变形, 还易漏浆。如果注浆压力过小, 则浆液填充速度赶不上空隙形成速度, 又会引起地面沉陷。一般而言, 注浆压力取1.1~1.2倍的静止水土压力, 最大不超过3.0~4.0bar。
由于从盾尾圆周上的四个点同时注浆, 考虑到水土压力的差别和防止管片大幅度下沉和浮起的需要, 各点的注浆压力将不同, 并保持合适的压差, 以达到最佳效果。在最初的压力设定时, 下部每孔的压力比上部每孔的压力略大0.5~1.0bar。
3.2.2 注浆量
根据刀盘开挖直径和管片外径, 可以按下式计算出一环管片的注浆量。
V=π/4×K×L× (D1-D2)
式中:V———一环注浆量 (m3)
L———环宽 (m)
D1———开挖直径 (m)
D2———管片外径 (m)
K———扩大系数取1.5~2
代入相关数据, 可得:
V=π/4× (1.5~2) ×1.2× (40.83-38.44) =3.4~4.5m3/环
根据上面经验公式计算, 注浆量取环形间隙理论体积的1.5~2倍, 则每环 (1.2m) 注浆量Q=3.4~4.5m3。
3.2.3 注浆时间和速度
在不同的地层中根据需不同凝结时间的浆液及掘进速度来具体控制注浆时间的长短。做到“掘进、注浆同步, 不注浆、不掘进”, 通过控制同步注浆压力和注浆量双重标准来确定注浆时间。
注浆量和注浆压力达到设定值后才停止注浆, 否则仍需补浆。
同步注浆速度与掘进速度匹配, 按盾构完成一环掘进的时间内完成当环注浆量来确定其平均注浆速度。
3.2.4 注浆结束标准及注浆效果检查
采用注浆压力和注浆量双指标控制标准, 即当注浆压力达到设定值, 注浆量达到设计值的85%以上时, 即可认为达到了质量要求。
注浆效果检查主要采用分析法, 即根据压力-注浆量-时间曲线, 结合管片、地表及周围建筑物量测结果进行综合评价。
对拱顶部分采用超声波探测法通过频谱分析进行检查, 对未满足要求的部位, 进行补充注浆。
4 同步注浆方法、工艺
壁后注浆装置由注浆泵、清洗泵、储浆槽、管路、阀件等组成, 安装在第一节台车上。在盾尾设置了4处8根同步注浆管 (4根A液, 4根B液浆管) 可注双液浆, 当盾构掘进时, 注浆泵将储浆槽中的浆液泵出, 通过输浆管道, 通到盾尾壳体内的同步注浆管, 对管片外表面的环行空隙中进行同步注浆, 在每条输浆管道上都有一个压力传感器, 在每个注浆点都有监控设备监视每环的注浆量和注浆压力;而且每条注浆管道上设有两个调整阀, 当压力达到最大时, 其中一个阀就会使注浆泵关闭, 而当压力达到最小时, 另外一个阀就会使注浆泵打开, 继续注浆。
盾尾密封采用三道钢丝刷加注盾尾油脂密封, 确保周边地基的土砂和地下水、衬背注浆材料、开挖面的水和泥土从外壳内表面和管片外周部之间缝隙不会流入盾构里, 确保壁后注浆的顺利进行。
注浆工艺流程及管理程序见图1。
5同步注浆的注意事项
1) 在开工前制定详细的注浆作业指导书, 并进行详细的浆材配比试验, 选定合适的注浆材料及浆液配比。
2) 制订详细的注浆施工设计和工艺流程及注浆质量控制程序, 严格按要求实施注浆、检查、记录、分析, 及时做出P (注浆压力) -Q (注浆量) -t (时间) 曲线, 分析注浆速度与掘进速度的关系, 评价注浆效果, 反馈指导下次注浆。
3) 成立专业注浆作业组, 由富有经验的注浆工程师负责现场注浆技术和管理工作。
4) 根据洞内管片衬砌变形和地面及周围建筑物变形监测结果, 及时进行信息反馈, 修正注浆参数和施工工艺, 发现情况及时解决。
5) 做好注浆设备的维修保养, 注浆材料供应, 定时对注浆管路及设备进行清洗, 保证注浆作业顺利连续不中断进行。
6) 每环掘进之前, 都要确认注浆系统的工作状态处于正常, 并且浆液储量足够, 掘进中一旦注浆系统出现故障, 立即停止掘进进行检查和修理。
6二次注浆
盾构机穿越后考虑到环境保护和隧道稳定因素, 如发现同步注浆有不足的地方, 通过管片中部的注浆孔进行二次补注浆, 补充同步注浆未填充部分和体积减少部分, 从而减少盾构机通过后土体的后期沉降, 减轻隧道的防水压力, 提高止水效果。
二次注浆使用专用的注浆泵, 注浆前凿穿管片吊装孔外侧保护层, 安装专用的注浆接头。
二次注浆一般采用水泥浆, 注浆压力一般为0.2~0.4MPa。也可根据情况选用双液浆。
7 结束语
综上所述, 面对人民生活水平的不断提高, 交通的发展成为城市规划建设的重中之重。地铁这一轨道交通工具将显著地缓解城市交通压力, 疏解主城中心区交通拥堵、改善居民的出行。而盾构法施工具有施工速度快、洞体质量比较稳定、对周围建筑物影响较小等特点, 在近年来地铁工程施工中得到广泛应用。
摘要:随着社会经济的发展, 交通拥堵日益加剧, 公共交通问题亟待解决, 修建地铁和轻轨已是各大城市基础建设的必要内容, 是建设现代化大都市的标志。城市轨道交通, 特别是地铁运输, 在运力、环保、经济、舒适和空间利用等方面有着其他交通手段无可替代的优势。本文就地铁盾构施工中的注浆技术进行了简单的阐述, 供同行参考。
关键词:轨道交通,暗挖施工,盾构法,注浆技术
参考文献
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注浆技术在盾构施工中的应用分析 篇7
同步注浆所采用的工艺与浆材的选择, 对工程质量、安全有着重要作用。盾构盾尾注浆技术的注浆方式的确定、注浆材料的选取、注浆位置的设计以及注浆量和注浆压力的设定都是非常重要的, 不同的地质条件以及埋深和施工条件等也都影响着注浆方案的制订。
1 盾构尾部注浆目的[2]
盾构施工中盾尾注浆的目的基于以下4个方面的考虑:1) 控制地层变形主要是浅埋软弱土层中的地表沉降。2) 确保管片的稳定 (管片位移) 和受力均匀。3) 提高隧道的抗渗性。4) 能够较好地约束管片, 防止隧道上浮。
2 盾构尾部注浆系统的分类
根据盾尾注浆与盾构掘进在时效性上的关系可以将盾尾注浆分为以下3类[3]:1) 同步注浆。管片衬砌脱出盾尾的同时, 立即向盾尾空隙压注浆液的方式。2) 及时注浆。在管片衬砌脱出盾尾一环或数环后, 盾尾已存在大量的间隙空间, 才对盾尾空隙压注浆液的方式, 这种注浆方式由于不能迅速的充填盾尾空隙以支撑周围土体, 导致周围土体较大的位移, 增加了土体的扰动, 不利于地面沉降和地下管线变形的控制。早期脱出的管片处在悬空状态, 不利于其受力, 容易发生错台, 同时也给隧道创造了上浮空间, 不利于隧道稳定的控制, 因此该方法仅在地质条件较好且对地层位移要求不高的情况下才能使用。3) 二次注浆。在首次注浆不理想的情况下, 需要通过二次注浆进行补充, 一般在隧道发生偏移、地表沉降异常时或在一些特殊地段使用, 在隧道出现渗漏水的情况下也需要二次注浆, 以堵住渗漏途径, 满足隧道的安全和使用要求。
3 盾构尾部注浆材料
为实现盾尾注浆的目的和施工的要求, 盾尾注浆浆液必须满足下列要求:1) 优越的充填性, 能充分充填盾尾空隙;2) 应具有一定的和易性且离析少;3) 应及早凝固, 能够约束管片的位移;4) 浆液硬化后的体积收缩率要小, 渗透系数小;5) 应有合适的稠度, 以便不被泥水稀释;6) 无公害, 价格便宜。其中上述要求中最重要的是浆液的充填性及和易性。
3.1 浆液分类
盾尾注浆浆液的种类很多, 根据地质情况和设备的不同, 需要研制专门的浆液。
从浆液的性质分类有惰性浆液和活性浆液, 惰性浆液是由粉煤灰、砂、石、灰膏、水和外加剂等拌和而成, 浆液中不含水泥等凝胶物质, 早期和后期强度都很低。活性浆液是由粉煤灰、砂、水泥、水和外加剂等拌和而成, 具备一定的早期强度和后期强度, 惰性浆液强度、初凝时间和易性和含水量密切相关, 活性浆液的这些指标与水灰比密切相关。
从浆液的组成分类有单液浆和双液浆, 双液浆包含A液和B液两种浆液, 其中A液是含有水泥的砂浆, B液是速凝剂, 一般为水玻璃, 根据液和液的配比不同可以控制混合后浆液的硬化时间, 双液浆均是活性浆液, 其初凝时间很短, 最小可达到10 s以内, 单液浆不管是惰性浆液还是活性浆液其凝结时间一般都很长, 在几个小时以上。
3.2 浆液种类的选择
1) 地面保护要求不高的地段或较坚硬并有一定自稳能力的土体或岩层, 可考虑采用单液注浆。
2) 软弱地层和地面保护要求较高, 特别是有重要建筑物或地下管线的地段, 宜优先采用双液注浆, 如施工管理水平较高也可采用单液浆液, 要求单液浆豁性大, 保水性强, 能够约束管片, 保持隧道的稳定。
3) 在富水地层中, 优先选用凝结时间较短的双液浆, 防止浆液被地下水稀释。
4) 在泥水盾构中, 为防止盾尾浆液对切削泥水的影响或是切削泥水的后窜而稀释浆液, 宜采用双液浆。
4 盾构尾部注浆参数
4.1 注浆压力
在计算盾尾注浆压力时, 通常综合理论注浆压力、开挖面泥浆压力和劈裂注浆压力的计算方法, 得出较为合理的压力数值。理论注浆压力是一种理想的注浆压力, 而开挖面泥浆压力是考虑到盾尾注浆压力理论上要大于切口压力, 但是由于开挖面的稳定, 盾尾浆液不能前窜到开挖面而影响泥浆的质量, 盾尾注浆压力不能太大, 同时开挖面浆液形成包括开挖面后土体在内的泥浆套, 阻止同步注浆浆液的前窜, 盾尾注浆压力的大小要参考工作面泥浆压力的大小, 通常采用水土分算的开挖面稳定压力计算。
在注浆的过程中希望在管片衬砌四周形成一均匀、平滑的一圈注浆介质, 不能使浆液产生劈裂注浆, 导致浆液的浪费以及容易失控等, 盾尾注浆压力过大, 可能破坏盾尾密封刷而进入盾构机内部, 注浆压力过大, 可能产生漏浆, 即在覆土层较薄的地方上翻浆, 所以盾尾注浆压力不能大于产生劈裂注浆的压力值。
综合以上3点, 可以得出较合理的注浆压力值, 同时根据施工经验以及施工监测数据的反馈信息不断调整注浆压力参数也很重要, 使浆压力取得更好的注浆效果, 甚至比预先确定的注浆效果好。
4.2 注浆量
目前对于注浆量, 通常按下式估算:
Q=V·α (1)
V=π (D2-d2) L/4 (2)
其中, Q为每环管片注浆量, m3;V为理论盾尾空隙量, m3;α为注入率;D为盾构切削直径, m;d为预制管片外径, m;L为管片衬砌每环长度, m。
其中只有α的数值不确定, 正确确定α值对估算浆液的注入量至关重要, 同时影响α的因素也很多, 根据文献资料主要考虑以下4种影响因素[5]:
1) 土质系数α1。
无论哪种土质均对注入率有一定的影响, 使注入率增大。在硬土泥板岩地层中, 如果没有大的裂缝, 浆液就不会流失到周围土体中去, 此外, 加压对液态浆液的压密现象也不大, 但是与发生在掘削面上的漏失无关, 也就是说即使是泥板岩, 掘削面上的泄漏损失仍然存在, 总之硬土地层中仍存在一定的土质系数α1, 且α1≠0。在浆液损失方面双液浆凝结较快, 其向土体内的渗透量也较少, 要优于单液浆。
2) 超挖系数α2。
这个系数是理论空隙量的修正值, 超挖是施工时发生的, 与浆液没有直接关系, 但与注入率关系极大, 超挖系数因工法、土质有无曲线段及其他施工条件的不同而存在很大的差异, 超挖和盾构蛇行都会增加盾尾空隙, 曲线段施工不可避免的要增加盾尾空隙的体积。
3) 注浆压力决定的压密系数α3。
拌制好的浆液在压送和注入过程中, 由于注浆压力产生压密效应, 导致浆液密度变大, 体积收缩, 这种由于注浆压力引起的体积变小的现象, 因浆液的种类不同而存在较大的差异, 浆液泌水也会引起浆液体积的减少, 对于单液浆, 为了使其流动性好需要保持一定的离析水, 如果加压, 则压密程度重新变大, 此外, 对于加气的浆液因气体被压缩致使压密现象较为明显。另一方面, 水玻璃类双液浆从A液, B液混合至凝胶前的一段时间被地下水稀释, 而浆液在凝胶后到硬化前的一段时间里发生压密现象。
4) 施工损耗系数α4。
在盾尾注浆施工中, 注浆管大多是从设置在盾构始发井附近的注浆泵开始, 随着盾构的推进, 一直延续到最终的接受井。在浆液从泵房被压送到注浆孔的过程中, 浆液的损耗是不可避免的, 特别是近年来长距离压送施工情况的增加, 这意味着与刚离开始发井相比, 残留在注浆管道内的浆液量增多。在通过砂浆车的运送过程中, 砂浆也会有不同程度的损失。为此, 施工过程中砂浆的损耗必须考虑, 以确保盾尾注浆的注浆量。
因此, 当实际施工时, 可以得出注入率为:
α=α1+α2+α3+α4 (3)
4.3 注浆位置的选择
对于同步注浆和及时注浆, 可以选择利用盾尾注浆管或管片注浆孔。
盾尾注浆管注浆一般选用盾尾的4个注入点注入浆液, 均匀分布在盾构断面的四周, 盾尾注浆管注浆具有及时性和均衡性, 施工自动化程度较高, 尤其是当快速掘进时, 其施工控制相对于管片注浆孔注浆控制要简单, 盾尾注浆管埋设在盾构机壳体的外部或内部, 不管哪种埋设方式均会增大对土体的扰动, 在快速掘进施工中, 一旦堵塞注浆管, 清理比较困难, 影响施工进度。因此, 盾尾注浆管注浆对浆液配合比要求比较严格。
5 结语
1) 注浆量和注浆压力的选择极为重要, 理论上得到的注浆压力和注浆量在实际施工过程中因地质条件和施工速度等的不同而有所变化, 注浆压力和注浆量的确定大部分依靠实际的工程经验, 并根据信息化施工的信息反馈逐步调整完善。2) 随地层和盾构形式的变化, 对某一种盾构, 某一种地层来说, 对于控制隧道脱出盾尾的地面沉降和隧道上浮方面, 应有一个最佳的同步注浆工艺、参数和注浆材料的选择。
摘要:针对注浆系统的分类、注浆材料的分类和各种材料类型的性能特点以及所适应的工程情况进行了全面的概括和总结, 对影响注浆施工的注浆参数进行了理论方面的介绍, 并对这些参数的选取因素进行了深入分析。
关键词:注浆技术,盾构法,注浆材料,注浆参数
参考文献
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[4]袁小会, 韩月旺.南水北调中线穿黄隧洞工程盾构施工关键技术[J].山西建筑, 2007, 33 (7) :360-361.
盾构同步注浆施工 篇8
关键词:注浆技术,盾构施工,穿越,群桩基础
地铁为地下线性结构, 其路线走向难免与其他建筑物基础出现交叉或冲突, 盾构机在穿越群桩区域时, 改变桩间土的原有结构, 使桩周土与桩体的摩擦作用减弱, 导致桩基承载能力下降[1,2,3,4], 极易出现桩基及桥梁结构的下沉, 危及施工和行车安全。杭州地铁一号线城站站~湖滨站区间连续穿越涌金立交桥群桩, 采用隧道内注浆加固土体的方法, 有效控制了桩基沉降, 保障了施工及地面行车安全。
1 工程概况
涌金立交桥全长2324m, 采用预应力钢筋混凝土箱型连续梁、钻孔灌注桩基础, 桩基直径1200mm, 桩长43.15~48.6m。区间隧道埋深15~17m, 穿越群桩64组, 纵向长度500m, 桥桩距隧道边缘最小水平净距约1.3m。
施工范围内自上而下依次为①1层杂填土、①2层素填土、③2层砂质粉土、④2层淤泥质粉质黏土、④3层淤泥质粉质粘土夹粉土、⑤粉质粘土、⑦2层粉质黏土、⑧含砂粉质黏土。沿线浅部地下水为潜水, 静止水位一般在地下0.85~2.4m, 并随季节性变化。沿线承压含水层分布于深部的细砂、砾砂层中, 隔水层为上部的淤泥质土和粘土层 (④、⑦、⑧层) , 承压含水层顶板高程为-24.63~-28.51m。
2 穿越方案
涌金桥上部为预应力现浇结构, 对差异沉降极为敏感, 使用期间由于桥梁开裂等原因, 曾对桥梁进行过加固处理, 该桥变形已经达到过设计允许正常使用极限状态。盾构双线隧道近距离下穿, 导致土层被多次扰动, 盾构施工对桥梁的影响产生叠加, 都可能对桥梁造成极大影响, 沉降控制将十分严格。
地层和基础的沉降主要原因是掘进施工过程中盾尾与土层之间产生空隙[6], 形成地层损失, 造成地表及基础下沉, 常用的处理方法有地表加固法、桩基脱换避开和注浆加固法。涌金桥位于西湖风景区内, 地面交通繁忙、地下管线繁多, 采用地表加固方式必将会对地表交通产生巨大影响;连续穿越桩基数量大, 若采用桩基脱换避开技术, 施工工期和成本将大量增加;采用隧道内注浆加固措施并加强施工变形控制可有效降低风险, 满足较好的技术要求和经济性, 但广泛应用的二次注浆技术很难使空隙完整地被浆液所填充, 仍有产生较大沉降的可能性, 因此本项目采用二次注浆+钢花管注浆加固的方式进行处理。
3 试验段施工
选取本区间左线480~490环区段 (模拟注浆加固长度) 进行注浆加固, 本试验段隧道上方为西湖大道, 沿线含有电力、水管等管线。隧道埋深为17.0~17.9m, 所处地层为⑦2粉质粘土, 隧道平面处于圆曲线及缓和曲线上, 竖向处于5‰上坡, 与穿越段情况基本相同。
3.1 试验方法
在试验段推进过程中通过管片6个注浆孔对试验段采取二次注浆与钢管注浆相结合的方式进行注浆加固。二次注浆在盾尾脱出5环后开始, 以压力控制为主, 采用单浆液。钢管注浆在针对脱出盾尾后10环试验段的管片进行, 采用钢管分层后退式注浆加固的工艺, 注浆浆液采用双液浆。
3.2 注浆工艺
注浆钢管采用DN20钢管 (6分管) , 内接丝接头, 500mm一段, 第一段钢管开花孔, 孔径5~8mm, 间距100mm, 梅花型布置。为保证注浆安全, 增设管片开口防喷装置和钢管注浆防喷装置。注浆设备选用双液注浆泵, 注浆泵配备注浆压力、注浆流量计等准确计量仪表。注浆施工流程见图2。
3.3 注浆材料
同步注浆和二次注浆所用的单液浆[7], 原材料为42.5级超细水泥, 水灰比为0.55, 1m3浆液配比 (重量比) 见表1。
钢花管注浆采用双液浆, 所用原材料为42.5级超细水泥和35°水玻璃, 水灰比为0.55, 初凝时间45~60s, 体积收缩率5%, 浆液配比 (重量比) 见表2。钢管注浆按照跳环、跳孔、分层多次原则进行, 每次拔管长度为0.5m, 单孔注浆5次, 注浆深度分别为3m、2.5m、2m、1.5m、1m。
3.4 注浆参数
按照确定好的孔位进行注浆, 同一孔内采用从外到内的方式进行分层注浆, 同一衬砌环内不同注浆孔的注浆保持对称平衡。注浆过程中拔管要均匀, 严格控制拔管速度, 边拔边注, 每次拔管长度为50cm, 拔管速度一般从外到内逐渐加快。
二次注浆量控制在2~2.5m3/环, 注浆压力不大于0.4MPa, 注浆流量为10~15L/min。钢花管注浆量3.0~3.2m3/环, 注浆压力不大于0.5MPa, 注浆流量为10~15L/min。注浆量按单孔注浆量控制, 公式如下:
式中:R—为浆液扩散半径 (m) , 取0.75;
L—注浆段长 (m) , 取全孔长减去孔口段 (1m左右) ;
n—注浆段土层孔隙率, 取48.1%;
h—浆液损失率, 取1.25。
注浆过程中加强监测, 保持地面隆起量5mm为宜。当监测变化量大于5mm时, 暂停当前孔的注浆, 待沉降稳定后继续补注该孔剩余浆量, 直至完成该孔全部设计注浆量。试验段各环钢花管注浆量见表3。
3.5 监控量测
为精确掌握试验段施工过程中桥墩沉降情况, 在每个桥墩设置1个沉降监测点, 共51个沉降监测点。量测频率及允许范围见表4。
3.6 加固效果
左线盾构在进入试验段后, 地质条件及周边环境均比较复杂, 在加强同步注浆和二次注浆的情况下, 盾构掘进施工对地表沉降的控制仍不理想, 且⑦2粘质粉土层受盾构施工扰动后, 后期沉降十分明显。具体数据见表5、表6。
经钢管注浆后, 试验段地表沉降逐渐稳定, 注浆有效地控制了后期沉降, 监控数据见表7。
经钢花管注浆后, 使地表产生一定隆起, 减小了盾构施工产生的土体沉降同时, 由于对隧道外侧土体进行了加固, 预计可大大降低右线盾构穿越时产生的叠加影响。
4 施工控制
为保证施工和桥梁安全, 要从以下方面做好施工控制工作:
(1) 在盾构推进过程中, 需要通过放慢施工速度、优化施工参数、控制土体损失量、加强盾尾注浆及二次注浆等施工措施来控制地面隆沉量、桥桩沉降等, 布设地表沉降、深层变形等观测点, 加强监控量测。
(2) 根据试验段注浆数据进行注浆, 施工中采取二次结合钢花管方式, 并在施工过程中根据监测情况进行进一步优化。为避免注浆时地面隆起, 初始采用较小压力。
(3) 盾构掘进速度, 应与地表控制的隆陷值、进出土量、正面土压平衡调整值及同步注浆等相协调[7]。如停歇时间较长时, 及时封闭正面土体。盾构掘进中遇有盾构前方发生坍塌或遇有障碍、盾构自转角度过大、盾构位置偏离过大、盾构顶推力较预计的增大等上述情况之一时, 放缓掘进, 分析原因并采取措施。
(4) 盾构掘进中严格控制中线平面位置和高程, 其允许偏差均为±50mm, 发现偏离应逐步纠正, 每次纠偏不应该大于2mm, 不得猛纠硬调, 合理留置管片超前量及盾尾间隙。
(5) 盾构推进时, 控制出土量, 每环出土控制在36~37m3左右, 以控制土层损失率小于0.1%。
(6) 两条隧道推进结束后, 根据实测资料, 可对变形较大的部分, 打开预留注浆孔, 进行再注浆, 达到控制变形的目的[8]。需注意桥梁开裂后再注浆不能使桥梁裂缝恢复, 因此在桥梁达到正常使用极限状态开裂前就应根据实时检测情况进行实时注浆, 控制地面及桥桩变形, 避免桥梁开裂。
5 施工效果
从盾构左线进入第一根桥桩施工开始, 到右线盾构完成最后一根桥桩穿越施工, 整个施工过程中除J21点沉降量超过10mm, 其他监控点未发现桥桩累计沉降超过桥梁单位要求值, 未发现桥梁出现裂缝, 未发现地面沉降超过报警值, 整个穿越群桩施工取得了预想效果, 确保了桥梁安全及盾构施工质量。
6 结束语
杭州地铁一号线盾构穿越涌金立交是全国少见的盾构连续穿越多组群桩施工, 通过注浆技术的完美使用, 有效地避免了盾构穿越中对桥桩影响, 控制了穿越叠加影响, 保证了桥梁安全, 同时安全保质地完成了盾构施工, 为城市地铁施工提供参考。
参考文献
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