SMW工法水泥土攪拌樁施工期間相鄰隧道的監測
發布時間：2010-01-14 共1頁
運用SMW工法的機械設備進行土體加固具有抗滲止水、對周邊土體擾動較小、成樁深度、精度高等優點,目前在上海的深基坑項目中運用日益增多,尤其是在環境保護要求較高的軌道交通沿線。本文在對其擠土效應分析的基礎上,結合工程實例對成樁期間相鄰地鐵隧道結構的變形進行分析和總結。
1 SMW工法水泥土攪拌樁的擠土效應
目前常用的三軸攪拌鉆機以水泥為固化劑,利用螺旋葉片強的攪拌動力對地基土進行原位上下、左右旋轉翻滾式的攪拌,然后在下沉攪拌、提升攪拌過程中噴漿,同時加入高壓空氣,使水泥土充分、均勻攪拌。鉆進噴漿是對周圍土體擾動的主要過程,施工中,注入地層的漿液會一部分攜帶地土體返回地面(冒漿)。下鉆噴漿過程中攪拌機械的鉆進不斷擠壓周圍土體,造成孔隙水壓力及土體水平向應力的增,土層發生徑向位移及垂直向隆起。漿液的不斷注入使得周邊土體受到明顯擠壓,超孔隙水壓力增,有效應力不斷減小,土體發生水平和垂直向移動。
2 盾構隧道的結構狀況
軟土地區用盾構法施工而成的隧道結構一般由管片拼裝成環,環環串聯,縱向和環向都由螺栓聯接;管片厚為350mm,環寬1m,管徑Ф6200mm。在上海地區,運營中的隧道基本位處飽和含水的流塑或軟塑粘性土層。這類土層一經擾動,強度明顯降低,且在長達數年的時間內發生固結和次固結。隧道結構受其影響會產生一定的結構變形,主要表現為縱向隆沉及不均勻沉降、橫向水平位移、管徑收斂變形。當變形超過設計承受極限時不僅會引發管片接縫滲漏水的現象,還會造成結構損壞,影響列車的正常運行。
3 工程實例
某基坑工程圍護結構設計為深達39.5m的地下連續墻,墻厚1m,與地鐵隧道相距5.4m。為起到穩定地墻槽壁以防塌方及基坑開挖期間的防滲止水作用,地墻兩側先采用Ф850mm三軸SMW工法水泥土攪拌樁進行預加固,樁間距600mm,搭接250mm,樁深32.5m。外排樁中心距離地鐵隧道外邊線4.9m,共51幅;內排相距約6.8m,共49幅。隧道結構埋深-9~-15m,處于第④層灰色淤泥質粘土層中,土層含水量高達50%,孔隙比為1.43,內聚力為11kPa,內摩擦角11°,壓縮系數1.19MPa-1。
3.1 試樁
本工程施工前期,為了掌握對周邊環境的影響程度采用不同的施工參數進行了多組試驗,試樁位置4m遠處均有土體測斜數據的采集。針對試樁結果進行分析可知:與樁身相距越遠擠土效應呈衰減趨勢。如果距離相同,則SMW工法樁擠土作用的小與土性參數、漿壓氣壓、施工參數(水灰比、攪拌速度)、注入與返出的量差都有關系。定性地來說:土層越軟弱,擠土效應越明顯(第④層土體水平位移最);漿壓氣壓越,擠土效應和影響范圍越;水灰比越小、攪拌速度越快則擠土效應越明顯;注漿量與排出量(原狀土含少量漿)之差越則擠土作用越明顯。為控制施工過程對環境的影響及保證成樁質量,鉆機電流為190~240A,水灰比為1.2,鉆進速度為0.25m/min,提升速度為0.5m/min,氣壓為0.5MPa,漿壓為0.3~0.7MPa。
3.2 隧道監測系統
加固區域平行于上行線隧道區段,累計長度90m為重點監測范圍,在相鄰隧道對應的道床及管片上每5m布設一個測點。為嚴密監控工法樁施工期間隧道結構的變形狀況,采用以自動化監測系統為主,人工監測系統為輔的監測方案,監測內容以隧道結構垂直位移為主,輔以水平位移及管片收斂監測。其中自動監測沉降系統采用靜力水準儀系統。
3.3 監測數據分析
1)加固施工前后隧道區段的垂直位移 地墻兩則SMW工法樁累計100幅。在整個施工階段內相鄰的隧道區段基本呈沉降趨勢,其沉降量介于-0.34~-2.26mm,平均值-1.51mm;施工結束后一個月內隧道結構繼續沉降,沉降量介于-0.62~-1.25mm,平均值-0.82mm。
2)單樁施工期間隧道垂直位移 成樁時間基本為3h,其中鉆進噴漿2h,提升階段1h。每30min跟蹤采集的自動監測沉降數據顯示:成樁期隧道相對應的測點有一定量隆起,之后回沉且施工結束數日內都有微量沉降,累計沉降總量于施工期間的隆起值。針對100幅樁進行統計分析,93幅施工期間隧道的豎向變形量較小,基本在±0.5mm之內,7幅施工期間隧道的垂直位移介于±0.5~+3.2mm之間,其中D76樁最為異常。
D46為外排樁,于2005年10月26日0∶32下鉆至19m深處,1∶31下鉆至32.5m,1∶33提升,2∶40結束。鉆進20m范圍內隧道變形十分微小。下部12m鉆進過程中有4個測點(20m范圍)有0.20~0.27mm的隆起。提升至21m深度隆起值最:SJL15上抬0.19mm,SJL16上抬0.27mm,SJL17上抬0.35mm,SJL18上抬0.27mm。21m至地面略有回沉,SJL16沉降0.07mm,SJL17沉降0.16mm。
D76為內排樁,于2005年11月2日23∶37下鉆至17m深處,3日0∶01下鉆至23m時電流異常增達280A且持續不下,下沉速度明顯減慢,0∶14鉆至25m后排土返漿量異常少,溝槽內無氣泡返出且漿土稠土很高。此時將水灰比略為調,相對密度約至1.43。0∶50鉆進至底提升。1∶30提升至21m,2∶13時施工結束。鉆進17m范圍內隧道變形微小,下部25m至底的鉆進過程有10個測點50m區段(SJL11~SJL20)明顯隆起,其中SJL16隆起量2.3mm,提升開始至21m深度該區段隆起仍然相當明顯。提升至距地面3m位置有4個測點20m區段(SJL15~SJL18)微量隆起,SJL16隆起達0.3mm。2∶00后隧道出現沉降,至2∶30,SJL16下沉1.14mm,2∶30~3∶00下沉0.24mm,3∶00~5∶20下沉0.42mm(SJL16累計下沉2.80mm)。施工過程中隆起的區段都有不同程度的回沉。施工結束后的次日用人工監測方法跟蹤采集的隧道水平位移及管徑收斂也明顯增,與成樁位置相距2.7m的土體測斜最水平位移7mm。SJL16~SJL17測點對應的管片環縫有輕微滲水現象。
對D76樁的異常現象進行了分析,由于其外排樁及相鄰的兩幅樁均已完成,四周土體呈封閉狀態并且土質已不同于未經擾動的原狀土,變得較為密實,導致鉆進阻力加(電流增),速度緩慢,溝槽內排出土量少且干稠,注入漿液方量遠于排出的土方量。施工過程中發現工況異常后雖然略微加了水灰比,但未中止下鉆,采用提升復攪的措施釋放土體內聚應力,因此漿液的不斷注入使得樁周土體體積擴張相當明顯,表現出與沉樁相似的擠土作用,土體發生遠離樁身的水平側移,對應的隧道結構則明顯隆起。施工過后由于孔隙水壓力的消散,隧道隨土層固結而沉降。
4 結論及建議
1)SMW工法土體加固后造成相鄰的隧道結構持續微量沉降,持續時間與加固參數、加固面積、加固體與隧道結構的相對位置等因素有關,本工程回沉時間長達1個月。
2)單樁施工期間相鄰的隧道結構先隆起后沉降,一般情況下施工對應的20m區段有變形顯示,異常情況下影響隧道的范圍及變形量明顯加。
3)周邊有類似地鐵隧道的重要保護對象時,施工參數的設定必須綜合考慮其存在的擠土作用,不能忽略施工對環境的影響。
4)施工參數設定后,施工期間發生異常工況如不及時調整參數會加成樁期間的擠土作用,嚴重者可危及相鄰的保護對象。
（巖土工程師）
1 SMW工法水泥土攪拌樁的擠土效應
目前常用的三軸攪拌鉆機以水泥為固化劑,利用螺旋葉片強的攪拌動力對地基土進行原位上下、左右旋轉翻滾式的攪拌,然后在下沉攪拌、提升攪拌過程中噴漿,同時加入高壓空氣,使水泥土充分、均勻攪拌。鉆進噴漿是對周圍土體擾動的主要過程,施工中,注入地層的漿液會一部分攜帶地土體返回地面(冒漿)。下鉆噴漿過程中攪拌機械的鉆進不斷擠壓周圍土體,造成孔隙水壓力及土體水平向應力的增,土層發生徑向位移及垂直向隆起。漿液的不斷注入使得周邊土體受到明顯擠壓,超孔隙水壓力增,有效應力不斷減小,土體發生水平和垂直向移動。
2 盾構隧道的結構狀況
軟土地區用盾構法施工而成的隧道結構一般由管片拼裝成環,環環串聯,縱向和環向都由螺栓聯接;管片厚為350mm,環寬1m,管徑Ф6200mm。在上海地區,運營中的隧道基本位處飽和含水的流塑或軟塑粘性土層。這類土層一經擾動,強度明顯降低,且在長達數年的時間內發生固結和次固結。隧道結構受其影響會產生一定的結構變形,主要表現為縱向隆沉及不均勻沉降、橫向水平位移、管徑收斂變形。當變形超過設計承受極限時不僅會引發管片接縫滲漏水的現象,還會造成結構損壞,影響列車的正常運行。
3 工程實例
某基坑工程圍護結構設計為深達39.5m的地下連續墻,墻厚1m,與地鐵隧道相距5.4m。為起到穩定地墻槽壁以防塌方及基坑開挖期間的防滲止水作用,地墻兩側先采用Ф850mm三軸SMW工法水泥土攪拌樁進行預加固,樁間距600mm,搭接250mm,樁深32.5m。外排樁中心距離地鐵隧道外邊線4.9m,共51幅;內排相距約6.8m,共49幅。隧道結構埋深-9~-15m,處于第④層灰色淤泥質粘土層中,土層含水量高達50%,孔隙比為1.43,內聚力為11kPa,內摩擦角11°,壓縮系數1.19MPa-1。
3.1 試樁
本工程施工前期,為了掌握對周邊環境的影響程度采用不同的施工參數進行了多組試驗,試樁位置4m遠處均有土體測斜數據的采集。針對試樁結果進行分析可知:與樁身相距越遠擠土效應呈衰減趨勢。如果距離相同,則SMW工法樁擠土作用的小與土性參數、漿壓氣壓、施工參數(水灰比、攪拌速度)、注入與返出的量差都有關系。定性地來說:土層越軟弱,擠土效應越明顯(第④層土體水平位移最);漿壓氣壓越,擠土效應和影響范圍越;水灰比越小、攪拌速度越快則擠土效應越明顯;注漿量與排出量(原狀土含少量漿)之差越則擠土作用越明顯。為控制施工過程對環境的影響及保證成樁質量,鉆機電流為190~240A,水灰比為1.2,鉆進速度為0.25m/min,提升速度為0.5m/min,氣壓為0.5MPa,漿壓為0.3~0.7MPa。
3.2 隧道監測系統
加固區域平行于上行線隧道區段,累計長度90m為重點監測范圍,在相鄰隧道對應的道床及管片上每5m布設一個測點。為嚴密監控工法樁施工期間隧道結構的變形狀況,采用以自動化監測系統為主,人工監測系統為輔的監測方案,監測內容以隧道結構垂直位移為主,輔以水平位移及管片收斂監測。其中自動監測沉降系統采用靜力水準儀系統。
3.3 監測數據分析
1)加固施工前后隧道區段的垂直位移 地墻兩則SMW工法樁累計100幅。在整個施工階段內相鄰的隧道區段基本呈沉降趨勢,其沉降量介于-0.34~-2.26mm,平均值-1.51mm;施工結束后一個月內隧道結構繼續沉降,沉降量介于-0.62~-1.25mm,平均值-0.82mm。
2)單樁施工期間隧道垂直位移 成樁時間基本為3h,其中鉆進噴漿2h,提升階段1h。每30min跟蹤采集的自動監測沉降數據顯示:成樁期隧道相對應的測點有一定量隆起,之后回沉且施工結束數日內都有微量沉降,累計沉降總量于施工期間的隆起值。針對100幅樁進行統計分析,93幅施工期間隧道的豎向變形量較小,基本在±0.5mm之內,7幅施工期間隧道的垂直位移介于±0.5~+3.2mm之間,其中D76樁最為異常。
D46為外排樁,于2005年10月26日0∶32下鉆至19m深處,1∶31下鉆至32.5m,1∶33提升,2∶40結束。鉆進20m范圍內隧道變形十分微小。下部12m鉆進過程中有4個測點(20m范圍)有0.20~0.27mm的隆起。提升至21m深度隆起值最:SJL15上抬0.19mm,SJL16上抬0.27mm,SJL17上抬0.35mm,SJL18上抬0.27mm。21m至地面略有回沉,SJL16沉降0.07mm,SJL17沉降0.16mm。
D76為內排樁,于2005年11月2日23∶37下鉆至17m深處,3日0∶01下鉆至23m時電流異常增達280A且持續不下,下沉速度明顯減慢,0∶14鉆至25m后排土返漿量異常少,溝槽內無氣泡返出且漿土稠土很高。此時將水灰比略為調,相對密度約至1.43。0∶50鉆進至底提升。1∶30提升至21m,2∶13時施工結束。鉆進17m范圍內隧道變形微小,下部25m至底的鉆進過程有10個測點50m區段(SJL11~SJL20)明顯隆起,其中SJL16隆起量2.3mm,提升開始至21m深度該區段隆起仍然相當明顯。提升至距地面3m位置有4個測點20m區段(SJL15~SJL18)微量隆起,SJL16隆起達0.3mm。2∶00后隧道出現沉降,至2∶30,SJL16下沉1.14mm,2∶30~3∶00下沉0.24mm,3∶00~5∶20下沉0.42mm(SJL16累計下沉2.80mm)。施工過程中隆起的區段都有不同程度的回沉。施工結束后的次日用人工監測方法跟蹤采集的隧道水平位移及管徑收斂也明顯增,與成樁位置相距2.7m的土體測斜最水平位移7mm。SJL16~SJL17測點對應的管片環縫有輕微滲水現象。
對D76樁的異常現象進行了分析,由于其外排樁及相鄰的兩幅樁均已完成,四周土體呈封閉狀態并且土質已不同于未經擾動的原狀土,變得較為密實,導致鉆進阻力加(電流增),速度緩慢,溝槽內排出土量少且干稠,注入漿液方量遠于排出的土方量。施工過程中發現工況異常后雖然略微加了水灰比,但未中止下鉆,采用提升復攪的措施釋放土體內聚應力,因此漿液的不斷注入使得樁周土體體積擴張相當明顯,表現出與沉樁相似的擠土作用,土體發生遠離樁身的水平側移,對應的隧道結構則明顯隆起。施工過后由于孔隙水壓力的消散,隧道隨土層固結而沉降。
4 結論及建議
1)SMW工法土體加固后造成相鄰的隧道結構持續微量沉降,持續時間與加固參數、加固面積、加固體與隧道結構的相對位置等因素有關,本工程回沉時間長達1個月。
2)單樁施工期間相鄰的隧道結構先隆起后沉降,一般情況下施工對應的20m區段有變形顯示,異常情況下影響隧道的范圍及變形量明顯加。
3)周邊有類似地鐵隧道的重要保護對象時,施工參數的設定必須綜合考慮其存在的擠土作用,不能忽略施工對環境的影響。
4)施工參數設定后,施工期間發生異常工況如不及時調整參數會加成樁期間的擠土作用,嚴重者可危及相鄰的保護對象。
（巖土工程師）
