盾构机穿越粉土、粉砂地层地表沉降控制

 

盾构机穿越粉土、粉砂地层地表沉降控制

小组名称：中铁十一局城轨公司苏州地铁一号线I-TS-01标QC小组

发 表 人：周坤

发表时间：二○一○年一月

发表单位：中铁十一局集团公司

1、标段位置

本标段盾构工程为苏州市轨道交通1号线上的站点和区间，位于苏州市吴中区木渎镇，区间工程包括出入段线－木渎站盾构隧道区间、木渎站－金枫路站盾构区间。【出入段线～木渎站】盾构区间线路自出入段盾构井始，下穿木渎镇主干道竹园路，到达木渎站，【木渎站～金枫路站】盾构区间从木渎站东端头井出发，沿竹园路前行，下穿白塔河，最后到达金枫路站。

2、工程范围

本工程包括【出入段线～木渎站】和【木渎站～金枫路站】两个区间的盾构隧道，【出入段线～木渎站】盾构隧道全长837.111单线延米。【木渎站～金枫路站】盾构区间全长1780.292单线延米，均为圆形隧道。主要附属工程包括2个盾构工作井，8个洞门，1个联络通道兼泵房。

图1   工程范围示意图

3、区间地质概况

【出入段-木渎站盾构区间】和【木渎站-金枫路站盾构区间】地质情况相差不大均为广阔的冲湖积平原，水系发育,地势平坦，系典型的水网化平原。【出入段-木渎站盾构区间】隧道洞身范围内主要为②2、④1a、⑤地层。【木渎站-金枫路站盾构区间】隧道洞身范围内主要为④1、④2、⑤地层。

左右线各地层所占比例见图2、图3。

图3渎站-金枫路站盾构区间地质统计图

图2出入段-木渎站盾构区间地质统计图

                                

4、盾构机及隧道衬砌概况

盾构隧道采用两台IHI土压平衡盾构机施工，于2009年8月20日开始掘进，2010年7月21日双线顺利贯通。

隧道衬砌外径6200mm，内径5500mm。管片环设计为3+2+1模式，既3块标准块A块、2块邻接B块、1块封顶K块组成，环宽度为1200mm，厚度为350mm。管片环纵向以M30弯曲螺栓连接，纵向16根，环向12根，错缝拼装。

图4     衬砌示意图

二、小组概况课题选定

表1         QC小组概况

部   门	中铁十一局城市轨道工程有限公司苏州地铁一号线I-TS-01标 小组人员
QC小组名称	苏州地铁一号线I-TS-01标项目部QC小组
小组类型	攻关型				活动时间		2009年7月-2010年7月
登记编号	CGQC-1001				组    长		徐加兵
课题名称	盾构机穿越粉土、粉砂地层地表沉降控制
成  员	姓名	性别	年龄	文化程度		职务（职称、工种）		TQC教育时间
组  长	陈友彬	男	40	本科		项目总工（高级工程师）		90小时
副组长	董朝文	男	52	本科		苏州轨道公司建设分公司总经理（高级工程师）		90小时
组  员	郑东升	男	30	本科		常务副经理（工程师）		80小时
组  员	杨冬	男	29	本科		项目工程部（工程师）		80小时
组  员	周  坤	男	27	本科		土木工程师（助理工程师）		80小时
组  员	王建国	男	26	本科		值班经理（助理工程师）		80小时
组  员	徐泽波	男	35	专科		试验工程师（工程师）		80小时
组  员	黄飞	男	33	本科		测量工程师（工程师）		80小时
组  员	杨志超	男	26	本科		土木工程师（助理工程师）		80小时
组  员	冯怀县	男	25	本科		土木工程师（助理工程师）		80小时

制表人：周坤 日期：2010年10月25日

三、课题选定

本标段区间穿越地层均为软弱地层，盾构沿线下穿2条河流。河床较深、土质较差，同时，河流上的桥梁位于木渎镇竹园路主干道上面，施工过程中土压如果控制不好，将会引起地层不均匀沉降，同时会对桥梁桩基产生负摩擦力的不利影响，给桥的安全带来隐患。因此，探索、积累和总结盾构机穿越粉土、粉砂地层时如何控制地表沉降的施工经验就更显得尤为重要。

                                         

    

四、现状调查

因木渎站～金枫路站右线盾构区间105环～475环地面累计沉降超过报警值30mm，所以我们对近期地面监测情况和实际施工情况进行了详细的调查，调查环数369环（地表监测布点范围DBY105～DBY475），调查监测时间范围：一个月（2010年04月11日~05月11）。

图5

图6

由图5、图6呈现DBY250累计沉降量最为突出，累计值为-74.57mm，DBY250累计沉降历时数据见表2、累计变化历时趋势见图7。

表2   DBY250累计沉降历时数据

4月25日	-0.35	4月27日	-51.11	4月28日	-67.09	4月30日	-74.56
4月26日	-7.27	4月27日	-58.82	4月29日	-72.84	5月1日	-74.57
4月26日	-16.10	4月28日	-65.60	4月29日	-74.36

图7

右线地表观测点累计沉降最大的断面为DBY280断面，断面DBY280累计沉降历时数据见表3、累计沉降历时曲线图见图8。

表3 地表DBY280断面累计沉降历时数据

日期	测点编号
	DBY280-1	DBY280-2	DBY280-3	DBY280-4
4月28日	-0.36	-0.46	-0.82	-0.15
4月29日	-53.72	-26.17	-26.56	-13.74
4月29日	-55.12	-29.12	-29.69	-19.34
4月30日	-63.60	-38.68	-38.85	-26.23
5月1日	-65.23	-41.34	-40.53	-26.61
5月1日	-65.73	-42.08	-41.34	-27.08

图8

由表3、图8呈现累计沉降值除DBY280-4，其余监测点累计变化均超出控制指标。

从上述图表中我们可以看出，从盾构沉降的位置来看基本上是在盾尾后10环区段的地面沉降较大，管片脱出盾尾后地面沉降先是发生一个10mm左右的突变，然后慢慢发生一个固结沉降，导致最终的地面沉降超过规范允许范围。

五、设定目标

为了确保盾构施工质量，满足设计及《地铁工程验收规范》对盾构施工地表沉降的要求。区间隧道盾构掘进期间地表沉降日变量不得超过3mm，地面沉降槽最大沉降量Δ按照盾构覆土的不同厚度不得大于表4中的规定数值：

表4

盾构顶部覆土     厚度（m）	4	8	12	16	20
Δ（mm）	30	19	14	11	9

现状调查结果显示木渎站～金枫路站右线盾构区间105环～475环地面累计沉降均超过30mm，105环～220环地面累计沉降在30mm～40mm左右波动，220环～375环的地面累计沉降达到60mm～70mm，也是这个月累计沉降最大的区段，个别点累计沉降已超过70mm，375环～475环区段的沉降出现好转，地面沉降慢慢变小，沉降有逐渐变好的趋势。我们的目标为保障后续盾构施工地表沉降满足设计及规范要求，确保盾构施工质量。

因为本小组成员来自各个不同的技术层面，都有着较高的技术水平和施工经验；QC小组成员的QC知识都比较全面，加上队伍比较年轻化，所以上面的目标是可以实现的。

六、原因分析及确定要因

我们QC小组在对一个月来的地面监测情况和现场实际施工情况进行分析后召开了总结会议，用因果树的办法对盾构机窜月粉土、粉砂地层地表沉降超标原因进行了分析，详细情况见下图：

    盾尾注浆不及时    缺乏施工经验

            质量意识不高

对质量指标不够透彻    追求施工进度

盾尾同步注浆量不足                              责任心不强

    

                 

            

盾构垂直姿态超限                没有及时跟上，浆液固结收缩

               尾间隙局部过大                             

原因分析鱼刺图

                    

表5 要因确认表

	末端因素	因素分析	是否要因
人 员	缺乏施工经验	由于操作手缺乏粉、砂地质盾构施工经验 ，直接影响施工质量。	是
	责任心不强	对责任心不强的人员缺乏教育，对屡教不改者进行罚款，直至更换。	否
	质量意识不高	缺乏对员工的质量意识教育，片面的追求进度。	否
	对质量指标不够透彻	未将规范上的指标与实际施工良好的结合起来理解。	否
同步注浆	盾尾注浆不及时	由于推进速度的加快，盾尾同步注浆的速度不能跟上盾构掘进速度，管片脱出盾尾后，盾尾空隙不能得到及时的填充，致使浆液劈裂，土体向更外围土体扩散．造成盾尾周围土体失去原始三维平衡状态，引起地层损失，地面沉降产生突变，导致地面沉降过大。	是
	盾尾同步注浆量不足	由于掘进速度的加快，盾尾同步注浆量和注浆压力也存在不足，最近一段时间的同步注浆量在2.2～2.5m3之间，不能满足要求。	是
姿态	盾构垂直姿态超限	盾构姿态出现偏差后对盾构姿态频繁的纠偏导致对周围地层的扰动加大，引起地层损失。	是
	盾尾间隙局部过大	盾尾刷由于长时间的挤压部分已失去弹性，直接导致在盾构同步注浆的过程中注进的浆液出现流失，使同步注浆量更加显得不足，加剧了地面沉降。	否
二次注浆	没有及时跟上	由于同步注浆量的不足和推进过程中出现的漏浆现象，致使盾尾间隙不能得到很好的填充，再加上浆液的固结收缩，导致地面后续沉降继续扩大，从而使地面累计沉降超标。	是

为找出影响盾构机在粉土、粉砂地层掘进地表沉降超标的主要原因，QC小组对因果树图中的9条末端因素逐一进行了确认。通过分析，主要原因有：

1、施工人员缺乏施工经验；        2、同步注浆不及时且注浆量不够；

3、盾构机姿态不良；             4、二次注浆没有及时跟上。

七、制定对策

      针对要因，QC小组按照5W1H的原则，经过认真分析、讨论，制定了对策表，做到对策清楚、目标明确、措施合理、责任到人，限期完成。 

序号	要因	对策	目标	措施	负责人	完成时间	完成地点
1	施工人员缺乏施工经验。	加强对施工人员的培训	施工人员均能熟练掌握盾构施工工艺	把施工人员进行培训，培训合格后方能上岗，并聘请盾构施工专家授课及现场指导作业。	董朝文 陈友彬	2011-4-28	项 目 部
2	盾构机姿态不良。	及时、逐渐对盾构机进行纠偏	盾尾间隙不小于5cm	根据盾构姿态测量结果，利用千斤顶油压差等办法纠偏。	郑东升 杨冬	2010-5-13	施工现场
3	同步注浆较差	加大盾尾同步注浆量和注浆压力	保证盾尾间隙能够得到及时有效的填充	盾尾同步注浆量控制在3m3左右，同时对砂浆配合比进行调整，增大浆液的稠度和固结时间。	周坤 黄飞	2010-5-15	施工现场
4	二次注浆没有及时跟上	拧紧纵、环向螺栓	减小管片间的缝隙，以达到防水目的	每环拼装后及时拧紧纵、环向螺栓，推下一环时在千斤顶的顶力下再次复拧。	王建国徐泽波	2010-7-20	施工现场

表6  盾构隧道管片防水施工质量控制对策表

制表人：周坤                             日期：2010年6月25日

八、实施对策

实施1：加强对管理人员、施工人员的培训与技术交底

1、加强技术交底、严格落实交制度

对盾构操作层进行再教育和交底，强化盾构工班的交制度，从思想上对盾构的施工质量有一个新的认识，树立质量第一的思想观念。

2、聘请有关专家现场指导

我们采取“走出去、引进来”的办法，学习先进的盾构施工技术。先后多次派员参加盾构交流会并到其它盾构施工工地参观，学习其他单位的先进施工技术和经验。

聘请苏州轨道交通有限公司盾构施工专家来讲授盾构施工技术及到现场进行技术指导，对存在的问题进行分析、探讨，及时解决施工难题。

经过教育及培训，使得项目管理人员及施工人员均能熟练掌握盾构施工工艺，提高了责任心，达到了培训目的。

实施2：及时、缓慢对盾构机姿态进行纠偏

严格控制盾构机的姿态，对在同步注浆过程中出现漏浆部位采用海绵条进行堵塞，并加大盾尾油脂的注入量，保证盾构同步注浆浆液能够有效填充管片与土层的间隙。盾构纠偏是个缓慢的过程，切忌一次纠偏过大，避免突纠，保持平缓并加强纠偏测量工作。

经实施，盾尾与管片间隙最小值在4.5cm，管片错台满足规范要求，且未出现管片被推裂现象。

实施3：加强盾尾同步注浆

加大盾尾同步注浆量和注浆压力，保证盾尾同步注浆量控制在3m3左右，同时对砂浆配合比进行调整，增大浆液的稠度和固结时间。

经实施，盾尾间隙能够得到及时有效的填充，盾构地面沉降控制在规范允许范围之内。

实施4：切实做好二次注浆工作

根据施工监测报表和实际同步注浆量，对管片脱出盾尾后产生突变和后续沉降还在继续扩大的区段及时进行二次补注双液浆，双液将采用水泥和水玻璃，按1：1 的比例进行配置。

经实施，后续掘进施工中，地表沉降满足规范及设计要求。

九、效果检查

1、目标效果

本项目【木渎站～金枫路站】区间右线隧道于2010年7月21日贯通。通过控制地表沉降对策的实施，后续区间隧道盾构掘进265环期间地表沉降日变量均未超过3mm，地面沉降槽最大沉降量Δ，按埋深统计数据如下表

实施后地面沉降槽最大沉降量统计表

项目名称	盾构顶部覆土厚度d（m）
	8m≤d＜12m	12m≤d＜14m
区域环数	230环	35环
地面沉降槽最大沉降量Δ	16	10

制表人：周坤                         日期：2010年6月28日

经过实施，后续施工沉降均在设计及《验收规范》要求以内，达到了预期目标。

地表沉降控制效果检查对比表

阶段名称	地表沉降
	检查点	目标值 （控制不超标点数）	实际不超标点	完成目标 比例
实施前	475	475	105	22%
实施后	265	265	265	100%

制表人：周坤                         日期：2010年6月28日

活动前后效果对比图

2、社会效果

苏州地铁一号线I-TS-01标所施工的盾构隧道，通过对地表沉降及其它方面的质量控制，在后续掘进的265环里，隧道轴线偏差、地表沉降量、渗漏水等均能满足《施工规范》及《验收规范》的要求，得到了监理、业主的肯定。因无锡、杭州、南京地质条件与苏州较相似，苏州地铁一号线I-TS-01标地表沉降控制的成功实施，为后续开工的南京地铁、无锡地铁积累了宝贵的实战经验。

下图为【木渎站～金枫路站】区间右线贯通隧道。

图6   成型隧道

十、制订巩固措施

我们对盾构隧道地表沉降控制全过程资料进行整理，编制成盾构掘进、到达施工指令，同步注浆、二次注浆作业指导书应用到施工中去，通过实施，达到了预期目的。同时编制了施工技术小结及科研论文，进一步提高我公司的技术能力。

十一、总结和下一步的打算

通过本次QC小组活动，充分发挥了小组成员的积极性，在领导的支持下，小组的完成了本次QC攻关课题。同时小组各成员的质量意识、业务能力、QC知识、团队精神和解决问题的信心有了很大的提高。

                  活动前后自我评价表

序号	评价内容	自我评价
		活动前（分）	活动后（分）
1	质量意识	7	8
2	业务能力	6	8
3	QC知识	7	9
4	团队精神	7	9
5	解决问题的信心	6	8

自我评价雷达图

地表沉降控制是一个系统工程，必须确保每道工序的规范施工，才可能满足地表累计沉降不超标的要求。我部QC小组在施工过程中，经过多次总结、分析，制定了控制地表沉降措施，并通过实施，达到了预期目的。但由于地铁施工的复杂性，在掘进过程中要达到地表累计沉降完全不超标是很难的，一旦超标，就要采取措施进行控制、弥补。如何控制地面后续沉降继续扩大并为即将开始的旁通道施工地表沉降不超标保驾护航，是我们QC小组下一部研究的课题和方向。