原水管道并行的地铁盾构隧道施工监测
2010-02-04 21:54
长距离与原水管道并行的地铁盾构隧道施工及监测
摘 要：介绍了上海轨道交通8号线长距离并行Φ1 800mm原水钢管的施工保护技术措施和变形监测的成功案例。该案例获得了近200 m长、近距离并行盾构隧道施工时的原水管道变形规律,为今后类似工程的施工提供了可借鉴的施工参数和管理经验。
关键词：地铁;盾构施工;原水管道;变形监测
原水引水管是上海人民饮水的生命线,不允许因其它工程施工而对其产生任何有害的影响。根据《上海市原水引水管渠保护办法》的规定,引水管保护范围为钢筋混凝土渠道及其外缘两侧各10m内的区域,钢管及其外缘两侧各8m的区域;引水管渠控制范围为保护范围两侧各40m的区域。为确保饮水生命线的畅通,必须对引水管保护和控制范围内的各种工程施工进行跟踪监测,以便及时调整施工参数和施工方法,确保施工中引水管附近的地层变形量降至最低,并根据地层产生变形的原因来制定相应的对策和应急措施,保证引水管线的安全。
1 工程概况
上海轨道交通8号线济阳路站—凌兆新村站区间的盾构隧道工程,在凌兆新村站端里程为XK30+735~XK30+935区段旁,紧邻一根埋深约2 m的原水钢管。原水钢管部分与区间隧道线路并行。原水钢管与下行线隧道外边线在平面位置上几乎重合,如图1、图2所示。并行区段的区间隧道埋深为8.5~10.2 m,隧道线路主要位于直线段。原水钢管与隧道的竖向净间距约2.7~6.4 m。
隧道主要穿越的土层为④灰色淤泥质黏土层。该层土含水量高、孔隙比大、呈流塑软塑状态,且强度低、压缩性高、渗透性弱。
2 原水管道保护的施工技术措施
本工程采用土压平衡式盾构掘进机。平衡压力的设定是土压平衡式盾构施工的关键。维持和调整设定的压力值又是盾构推进操作中的重要环节。这里面包含着推力、推进速度和出土量的三者相互关系,对盾构施工轴线和地层变形量的控制起主导作用。所以,在盾构施工中要根据不同土质、覆土厚度和地面建筑物,配合监测信息的分析,及时调整平衡压力值的设定。
1)盾构在掘进施工中需根据地质及隧道埋深等情况,计算理论切口平衡压力。具体施工设定值根据监测数据进行不断的调整。
2)每环理论出土量=π×D2×L/4=31.57 m3(环直径D=6.34 m,环宽L=1 m)。盾构推进出土量控制在98%~100%之间,即30.94 m3/环~31.57 m3/环。施工过程中可适当欠挖,保证盾构切口上方土体能有微量的隆起,以抵消一部分土体的后期沉降量。
3)在确保盾构正面变形控制良好的情况下,使盾构均衡匀速施工,以减少盾构施工对原水管道的影响。推进速度以1.0~1.5 cm/min为宜,并适时根据监测数据适当加快或放慢推进速度。
4)选取试验段优化参数。与原水管道并行前的60 m长度作为推进试验段,以采集尽可能详尽的数据,掌握土层适宜的推进参数。在参数调整时,尽量做到慢调整、缓调整,在保证盾构姿态的同时控制好轴线,为以后并行原水管道的推进创造一个良好的导向。
5)在368~537环的范围内,盾构每推进5环对管片进行二次注浆。
6)当地面原水管道沉降超标较大,应对原水管道的底部采取插斜管注浆的保护措施。加固范围为原水管道底下2 m、中心两侧各1.5 m的区域内(见图3)。
3 监测方案的确定
3.1 报警值
按《上海市原水引水管渠保护技术标准》的规定,应对施工过程中管渠的附加变形量进行严格控制:
1)钢管竖向附加变形≤0.01D(D为钢管直径);
2)钢管纵向变形曲线的曲率半径≥3 000D。
对本工程而言,当原水管道日竖向变形量达到或超过控制值(管径1 800 mm的变形控制值为1.8mm)时,应立即报送主管部门,督促施工单位现场进行适当的可行性保护;当累计沉降达到9 mm,或原水管道纵向变形的曲率半径小于5 400 m时,应立即报警,督促施工单位改善施工方法,并报原水公司及相关主管部门。
3.2 施工过程的三维有限元模拟
本工程施工的影响范围长,施工隧道与原水管道的距离近,因此在监测方案制定前,对施工过程进行了三维数值模拟计算,以确定施工影响范围及土体沉降大小(见图4、图5)。模型尺寸为60 m×35 m×100m。其中原水管道与施工隧道的竖向净间距约3.61m,上、下行线的两隧道水平净间距为6.6 m。
经计算,在施工措施不利的情况下(如盾尾注浆不及时),将使地层产生1~2 cm的损失,地表最大的理论沉降量为12.7 mm,原水钢管的最大计算沉降量为10.1 mm,将超出原水钢管的允许沉降量。因此,施工中务必重视注浆等技术措施的及时跟进。
参考计算分析结果,并结合盾构施工工艺特点以及工程地质情况,确定出本区间隧道盾构正常推进对原水钢管影响范围主要为隧道边线外侧6 m,凌兆新村站的进洞段为隧道边线外侧10 m。
3.3 监测点布设
根据现场实际情况,在原水钢管之上直接布置测点,以观测其水平与竖向的位移变形。同时综合考虑施工和原水钢管的安全,在施工段两侧的原水钢管各延伸20 m进行布点。具体布点情况见图6。
当盾构推进到里程XK30+735~XK30+935,即到达与原水钢管的并行区段时,对原水钢管进行重点监测。并行区段测点按4 m间距布设,每2 h一次对原水钢管进行监测;其余区段的测点按8 m间距布设,每天监测2次。测点总数为40个。
盾构穿越并行区段后,根据原水钢管沉降稳定情况逐渐降低监测频率。对原水钢管的监测需要一直持续到地面及原水钢管沉降收敛为止。
4 实测沉降量的变形规律及其分析
与原水钢管并行地段的盾构隧道施工已于2008年1月完成,并取得了并行地段原水钢管沉降的大量数据。
4.1 管线沉降数据
原水钢管最大实测沉降为3.5 mm,出现在ZYS25测点;最大隆起量为1.76 mm;最大差异变
形出现在ZYS28—ZYS29测点之间(两测点相距12m),最大差异沉降量为0.89 mm;最大竖向变形速率为0. 24 mm/d。图7为施工过程中,测点ZYS25、ZYS28和ZYS29的实测沉降曲线。测点的具体位置见图6。
原水钢管的竖向变形一般先微隆,然后加速下沉,再回弹,就稳定在一定位置。从图7可以看出,稳定值大体在1.5 mm左右。原水钢管的竖向变形规律与盾构的推进过程密切相关。在盾构机推进过程中,会对前方土体产生挤压作用,因此机头前方附近测点隆起。隆起量受推进速度、出土量等因素影响。从隆起量较小的情况来看,施工参数控制较为理想。盾构机脱离管片后,由于超挖造成的地层损失会引起地表下沉。下沉量决定于同步注浆参数、推进速度、超挖量等。后期回弹则是注浆取得的效果。二次注浆对稳定沉降量也能起到较好的作用。整个施工过程很成功,原水钢管的沉降变形控制在警戒值以内。
4.2 管线水平偏移数据
原水钢管累计水平偏移最大为3.9 mm,出现在ZYS27测点;差异变形为1. 6 mm,出现在ZYS39—ZYS40测点之间(两测点相距12 m)。
5 结语
为保证原水输水管道的安全,类似施工可借鉴本工程的成功经验,做到:
1)重视施工中的技术保护措施的可靠性。为保证施工的绝对安全,施工前的试验段模式应加以制度化。
2)加强施工监测,及时反馈信息。
3)随着施工技术的不断提高,对原水管道的保护技术标准应该考虑适当调整。
参考文献
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