運用SMW工法的機械設(shè)備進行土體加固具有抗?jié)B止水、對周邊土體擾動較小、成樁深度大、精度高等優(yōu)點,目前在上海的深大基坑項目中運用日益增多,尤其是在環(huán)境保護要求較高的軌道交通沿線。本文在對其擠土效應(yīng)分析的基礎(chǔ)上,結(jié)合工程實例對成樁期間相鄰地鐵隧道結(jié)構(gòu)的變形進行分析和總結(jié)。
1 SMW工法水泥土攪拌樁的擠土效應(yīng)
目前常用的三軸攪拌鉆機以水泥為固化劑,利用螺旋葉片強大的攪拌動力對地基土進行原位上下、左右旋轉(zhuǎn)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?jǐn)y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(yīng)力的增大,土層發(fā)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,超孔隙水壓力增大,有效應(yīng)力不斷減小,土體發(fā)生水平和垂直向移動。
2 盾構(gòu)隧道的結(jié)構(gòu)狀況
軟土地區(qū)用盾構(gòu)法施工而成的隧道結(jié)構(gòu)一般由管片拼裝成環(huán),環(huán)環(huán)串聯(lián),縱向和環(huán)向都由螺栓聯(lián)接;管片厚為350mm,環(huán)寬1m,管徑Ф6200mm。在上海地區(qū),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(jīng)擾動,強度明顯降低,且在長達數(shù)年的時間內(nèi)發(fā)生固結(jié)和次固結(jié)。隧道結(jié)構(gòu)受其影響會產(chǎn)生一定的結(jié)構(gòu)變形,主要表現(xiàn)為縱向隆沉及不均勻沉降、橫向水平位移、管徑收斂變形。當(dāng)變形超過設(shè)計承受極不僅會引發(fā)管片接縫滲漏水的現(xiàn)象,還會造成結(jié)構(gòu)損壞,影響列車的正常運行。
3 工程實例
某基坑工程圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計為深達39.5m的地下連續(xù)墻,墻厚1m,與地鐵隧道相距5.4m。為起到穩(wěn)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(cè)先采用Ф850mm三軸SMW工法水泥土攪拌樁進行預(yù)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(nèi)排相距約6.8m,共49幅。隧道結(jié)構(gòu)埋深-9~-15m,處于第④層灰色淤泥質(zhì)粘土層中,土層含水量高達50%,孔隙比為1.43,內(nèi)聚力為11kPa,內(nèi)摩擦角11°,壓縮系數(shù)1.19MPa-1。
3.1 試樁
本工程施工前期,為了掌握對周邊環(huán)境的影響程度采用不同的施工參數(shù)進行了多組試驗,試樁位置4m遠(yuǎn)處均有土體測斜數(shù)據(jù)的采集。針對試樁結(jié)果進行分析可知:與樁身相距越遠(yuǎn)擠土效應(yīng)呈衰減趨勢。如果距離相同,則SMW工法樁擠土作用的大小與土性參數(shù)、漿壓氣壓、施工參數(shù)(水灰比、攪拌速度)、注入與返出的量差都有關(guān)系。定性地來說:土層越軟弱,擠土效應(yīng)越明顯(第④層土體水平位移);漿壓氣壓越大,擠土效應(yīng)和影響范圍越大;水灰比越小、攪拌速度越快則擠土效應(yīng)越明顯;注漿量與排出量(原狀土含少量漿)之差越大則擠土作用越明顯。為控制施工過程對環(huán)境的影響及保證成樁質(zhì)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(jiān)測系統(tǒng)
加固區(qū)域平行于上行線隧道區(qū)段,累計長度90m為重點監(jiān)測范圍,在相鄰隧道對應(yīng)的道床及管片上每5m布設(shè)一個測點。為嚴(yán)密監(jiān)控工法樁施工期間隧道結(jié)構(gòu)的變形狀況,采用以自動化監(jiān)測系統(tǒng)為主,人工監(jiān)測系統(tǒng)為輔的監(jiān)測方案,監(jiān)測內(nèi)容以隧道結(jié)構(gòu)垂直位移為主,輔以水平位移及管片收斂監(jiān)測。其中自動監(jiān)測沉降系統(tǒng)采用靜力水準(zhǔn)儀系統(tǒng)。
3.3 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析
1)加固施工前后隧道區(qū)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(nèi)相鄰的隧道區(qū)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(jié)束后一個月內(nèi)隧道結(jié)構(gòu)繼續(xù)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(jiān)測沉降數(shù)據(jù)顯示:成樁期隧道相對應(yīng)的測點有一定量隆起,之后回沉且施工結(jié)束數(shù)日內(nèi)都有微量沉降,累計沉降總量大于施工期間的隆起值。針對100幅樁進行統(tǒng)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(nèi),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(jié)束。鉆進20m范圍內(nèi)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: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(nèi)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時電流異常增大達280A且持續(xù)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(nèi)無氣泡返出且漿土稠土很高。此時將水灰比略為調(diào)大,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(jié)束。鉆進17m范圍內(nèi)隧道變形微小,下部25m至底的鉆進過程有10個測點50m區(qū)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(qū)段隆起仍然相當(dāng)明顯。提升至距地面3m位置有4個測點20m區(qū)段(SJL15~SJL18)微量隆起,SJL16隆起達0.3mm。2∶00后隧道出現(xiàn)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(qū)段都有不同程度的回沉。施工結(jié)束后的次日用人工監(jiān)測方法跟蹤采集的隧道水平位移及管徑收斂也明顯增大,與成樁位置相距2.7m的土體測斜水平位移7mm。SJL16~SJL17測點對應(yīng)的管片環(huán)縫有輕微滲水現(xiàn)象。
對D76樁的異?，F(xiàn)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(tài)并且土質(zhì)已不同于未經(jīng)擾動的原狀土,變得較為密實,導(dǎo)致鉆進阻力加大(電流增大),速度緩慢,溝槽內(nèi)排出土量少且干稠,注入漿液方量遠(yuǎn)大于排出的土方量。施工過程中發(fā)現(xiàn)工況異常后雖然略微加大了水灰比,但未中止下鉆,采用提升復(fù)攪的措施釋放土體內(nèi)聚應(yīng)力,因此漿液的不斷注入使得樁周土體體積擴張相當(dāng)明顯,表現(xiàn)出與沉樁相似的擠土作用,土體發(fā)生遠(yuǎn)離樁身的水平側(cè)移,對應(yīng)的隧道結(jié)構(gòu)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(jié)而沉降。
4 結(jié)論及建議
1)SMW工法土體加固后造成相鄰的隧道結(jié)構(gòu)持續(xù)微量沉降,持續(xù)時間與加固參數(shù)、加固面積、加固體與隧道結(jié)構(gòu)的相對位置等因素有關(guān),本工程回沉?xí)r間長達1個月。
2)單樁施工期間相鄰的隧道結(jié)構(gòu)先隆起后沉降,一般情況下施工對應(yīng)的20m區(qū)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大。
3)周邊有類似地鐵隧道的重要保護對象時,施工參數(shù)的設(shè)定必須綜合考慮其存在的擠土作用,不能忽略施工對環(huán)境的影響。
4)施工參數(shù)設(shè)定后,施工期間發(fā)生異常工況如不及時調(diào)整參數(shù)會加大成樁期間的擠土作用,嚴(yán)重者可危及相鄰的保護對象。
1 SMW工法水泥土攪拌樁的擠土效應(yīng)
目前常用的三軸攪拌鉆機以水泥為固化劑,利用螺旋葉片強大的攪拌動力對地基土進行原位上下、左右旋轉(zhuǎn)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?jǐn)y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(yīng)力的增大,土層發(fā)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,超孔隙水壓力增大,有效應(yīng)力不斷減小,土體發(fā)生水平和垂直向移動。
2 盾構(gòu)隧道的結(jié)構(gòu)狀況
軟土地區(qū)用盾構(gòu)法施工而成的隧道結(jié)構(gòu)一般由管片拼裝成環(huán),環(huán)環(huán)串聯(lián),縱向和環(huán)向都由螺栓聯(lián)接;管片厚為350mm,環(huán)寬1m,管徑Ф6200mm。在上海地區(qū),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(jīng)擾動,強度明顯降低,且在長達數(shù)年的時間內(nèi)發(fā)生固結(jié)和次固結(jié)。隧道結(jié)構(gòu)受其影響會產(chǎn)生一定的結(jié)構(gòu)變形,主要表現(xiàn)為縱向隆沉及不均勻沉降、橫向水平位移、管徑收斂變形。當(dāng)變形超過設(shè)計承受極不僅會引發(fā)管片接縫滲漏水的現(xiàn)象,還會造成結(jié)構(gòu)損壞,影響列車的正常運行。
3 工程實例
某基坑工程圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計為深達39.5m的地下連續(xù)墻,墻厚1m,與地鐵隧道相距5.4m。為起到穩(wěn)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(cè)先采用Ф850mm三軸SMW工法水泥土攪拌樁進行預(yù)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(nèi)排相距約6.8m,共49幅。隧道結(jié)構(gòu)埋深-9~-15m,處于第④層灰色淤泥質(zhì)粘土層中,土層含水量高達50%,孔隙比為1.43,內(nèi)聚力為11kPa,內(nèi)摩擦角11°,壓縮系數(shù)1.19MPa-1。
3.1 試樁
本工程施工前期,為了掌握對周邊環(huán)境的影響程度采用不同的施工參數(shù)進行了多組試驗,試樁位置4m遠(yuǎn)處均有土體測斜數(shù)據(jù)的采集。針對試樁結(jié)果進行分析可知:與樁身相距越遠(yuǎn)擠土效應(yīng)呈衰減趨勢。如果距離相同,則SMW工法樁擠土作用的大小與土性參數(shù)、漿壓氣壓、施工參數(shù)(水灰比、攪拌速度)、注入與返出的量差都有關(guān)系。定性地來說:土層越軟弱,擠土效應(yīng)越明顯(第④層土體水平位移);漿壓氣壓越大,擠土效應(yīng)和影響范圍越大;水灰比越小、攪拌速度越快則擠土效應(yīng)越明顯;注漿量與排出量(原狀土含少量漿)之差越大則擠土作用越明顯。為控制施工過程對環(huán)境的影響及保證成樁質(zhì)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(jiān)測系統(tǒng)
加固區(qū)域平行于上行線隧道區(qū)段,累計長度90m為重點監(jiān)測范圍,在相鄰隧道對應(yīng)的道床及管片上每5m布設(shè)一個測點。為嚴(yán)密監(jiān)控工法樁施工期間隧道結(jié)構(gòu)的變形狀況,采用以自動化監(jiān)測系統(tǒng)為主,人工監(jiān)測系統(tǒng)為輔的監(jiān)測方案,監(jiān)測內(nèi)容以隧道結(jié)構(gòu)垂直位移為主,輔以水平位移及管片收斂監(jiān)測。其中自動監(jiān)測沉降系統(tǒng)采用靜力水準(zhǔn)儀系統(tǒng)。
3.3 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析
1)加固施工前后隧道區(qū)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(nèi)相鄰的隧道區(qū)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(jié)束后一個月內(nèi)隧道結(jié)構(gòu)繼續(xù)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(jiān)測沉降數(shù)據(jù)顯示:成樁期隧道相對應(yīng)的測點有一定量隆起,之后回沉且施工結(jié)束數(shù)日內(nèi)都有微量沉降,累計沉降總量大于施工期間的隆起值。針對100幅樁進行統(tǒng)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(nèi),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(jié)束。鉆進20m范圍內(nèi)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: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(nèi)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時電流異常增大達280A且持續(xù)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(nèi)無氣泡返出且漿土稠土很高。此時將水灰比略為調(diào)大,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(jié)束。鉆進17m范圍內(nèi)隧道變形微小,下部25m至底的鉆進過程有10個測點50m區(qū)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(qū)段隆起仍然相當(dāng)明顯。提升至距地面3m位置有4個測點20m區(qū)段(SJL15~SJL18)微量隆起,SJL16隆起達0.3mm。2∶00后隧道出現(xiàn)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(qū)段都有不同程度的回沉。施工結(jié)束后的次日用人工監(jiān)測方法跟蹤采集的隧道水平位移及管徑收斂也明顯增大,與成樁位置相距2.7m的土體測斜水平位移7mm。SJL16~SJL17測點對應(yīng)的管片環(huán)縫有輕微滲水現(xiàn)象。
對D76樁的異?，F(xiàn)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(tài)并且土質(zhì)已不同于未經(jīng)擾動的原狀土,變得較為密實,導(dǎo)致鉆進阻力加大(電流增大),速度緩慢,溝槽內(nèi)排出土量少且干稠,注入漿液方量遠(yuǎn)大于排出的土方量。施工過程中發(fā)現(xiàn)工況異常后雖然略微加大了水灰比,但未中止下鉆,采用提升復(fù)攪的措施釋放土體內(nèi)聚應(yīng)力,因此漿液的不斷注入使得樁周土體體積擴張相當(dāng)明顯,表現(xiàn)出與沉樁相似的擠土作用,土體發(fā)生遠(yuǎn)離樁身的水平側(cè)移,對應(yīng)的隧道結(jié)構(gòu)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(jié)而沉降。
4 結(jié)論及建議
1)SMW工法土體加固后造成相鄰的隧道結(jié)構(gòu)持續(xù)微量沉降,持續(xù)時間與加固參數(shù)、加固面積、加固體與隧道結(jié)構(gòu)的相對位置等因素有關(guān),本工程回沉?xí)r間長達1個月。
2)單樁施工期間相鄰的隧道結(jié)構(gòu)先隆起后沉降,一般情況下施工對應(yīng)的20m區(qū)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大。
3)周邊有類似地鐵隧道的重要保護對象時,施工參數(shù)的設(shè)定必須綜合考慮其存在的擠土作用,不能忽略施工對環(huán)境的影響。
4)施工參數(shù)設(shè)定后,施工期間發(fā)生異常工況如不及時調(diào)整參數(shù)會加大成樁期間的擠土作用,嚴(yán)重者可危及相鄰的保護對象。