盾构正穿振动、沉降敏感的热电厂主厂房主设备施工控制技术研究

盾构正穿振动、沉降敏感的热电厂主厂房主设备施工控制技术研究

郑贺广

中铁四局集团有限公司城市轨道交通工程分公司

摘要：随着都市化进程的加速，城市地铁网络的扩展不断推进，使得盾构法隧道施工所面临的环境条件变得越发复杂。特别是当施工接近或穿越对振动敏感的结构，如发电厂和古老建筑物时，由盾构作业引发的地面沉降和振动问题逐渐引起公众及专家的高度关注。目前，在国内外，关于如何有效控制和减轻盾构施工过程中产生的振动影响的研究仍较为有限。尽管有部分行业从业者和学者针对隧道爆破施工时的振动控制、盾构施工振动的传播机制，以及在地铁运行期间所产生的振动效应进行了一定的探讨，但这些研究还远远不够，需要进一步深入和完善。本文通过对下穿主厂房的研究，形成一套完善的振动、沉降敏感建筑物施工指南。

关键词：构建筑物，敏感设备，优化参数

引言

苏州市轨道交通8号线长江路站～时家桥站区间采用φ6760mm中铁装备盾构机掘进，管片外径6600mm，管片厚350mm。区间掘进地层均为软土，下穿多处重要构建筑物及河流，平面存在长距离小半径转弯。由于盾构施工过程中会引起地层移动而导致不同程度的地面沉降或隆起，可能造成地面构建筑物的变形、开裂和沉降较大等危害，需从施工过程前、中、后方面采取相应措施，控制地面构建筑物不均匀沉降值在±3mm范围内、主设备（汽轮机）沉降值±40um（±0.04mm），确保盾构顺利下穿构建筑物。

一、项目背景

长江路站～时家桥站区间区间隧道于DK2+476.798～DK2+575.191里程范围（544环~626环），以平面半径R=400m圆曲线、纵断面13.8‰的坡度正穿华能热电主厂房主设备（汽轮机），穿越主厂房区段地面地下无管线。热电厂主厂房为管桩基础，主厂房内配备有3台240t/h高温高压循环流化床锅炉配2台60MW单抽式供热汽轮发电机组，设备基础为φ600PHC预应力管桩、桩长9.5～11.5m，隧顶距离设备基础5.98～7.31m。主厂房主设备（汽轮机）对震动比较敏感、对沉降要求极其严格，其不均匀沉降累计报警值是±120um（±0.12mm）。

图1-1 盾构下穿华能热电主厂房平面          图1-2  剖面图

二、工程面临的主要技术难题

苏州市坐落于长江三角洲南部，是太湖平原的组成部分，水网密布、湖荡罗列，在此地质环境下正穿敏感构建筑物隧道主要面临以下技术难题：

1、工程场地以软土为主，地下水位高，水文地质条件恶劣；

2、工程综合了小半径不良工况，极易管片拼装破碎，进而渗漏可能对地面构建筑物结构受力和变形产生不利影响，导致其变形、开裂等；

3、小净距正穿敏感设备基础，采取洞内加固的方式，其加固效果无法详细明确，仅能根据不均匀沉降与隆起情况进行加固，加固较为滞后。

三、采取控制措施

1、盾构正穿主厂房前的准备工作

（1）对华能热电主厂房、主设备（汽轮机）进行施工调查，并对构建筑物既有裂纹等情况留存影像资料，确定建构筑物的原有状态；

（2）对盾构机进行检查、维保。主要包括：推进系统、管片拼装系统、螺旋机出土系统、管片运送系统、同步注浆、液压系统、气压系统、电气控制系统和后配套辅助系统、铰接密封以及盾尾刷进行检查，避免在该地段维修、停机。

（3）盾构掘进参数优化。主厂房主设备（汽轮机）振动、不均匀沉降的主控因素为地层条件，通过设置试验段，对比监测数据与土仓压力、掘进速度、推力、刀盘扭矩、出土量、注浆量、渣土改良等之间的关系，根据监测数据变化情况及时调整、优化施工参数指标，最大程度减少地层损失；正式下穿时根据试验段的参数指标做到振动、沉降值可控[3]。

（4）对机械设备振动采用自动化振动监测，厂房内外布设深层监测孔。在主厂房内部布设8个、外部布设24个，深度为管桩桩底以下1m，可用于监测建筑物的结构完整性、裂缝、变形和不均匀沉降等问题。施工前15天，完成初始值采集，并巡查地面、构建筑物及其主厂房主设备（汽轮机）由于其他因素造成的隆陷情况。

2、盾构正穿主厂房过程中的控制

（1）根据试验段总结的施工参数指标，每班由项目总工程师制定、下发施工任务派遣单，施工过程中严格执行。

表1 盾构下穿热电厂掘进参数

（2）盾构的轴线控制。盾构穿越段平面处于R=400m圆曲线，应提前调整管片选型与盾尾间间隙、盾构姿态、铰接油缸行程进行纠偏，加大对盾构姿态的复核频率，以减少盾构纠偏量和纠偏次数，遵循“勤纠偏、小纠偏”的原则，严格控制盾构机的前进方向。

（3）加强同步注浆的控制。根据盾构掘进速度调整同步注浆速率、注浆压力，考虑到浆液扩散等因素，施工中根据地面建（构）筑物的隆陷、出土等情况的信息反馈结果及时调整注浆量。优化同步注浆浆液的配合比，缩短凝结时间；严格遵循六字方针

“同步、均匀、足量”压注浆液。

表2 盾构下穿热电厂浆液配比及性能指标表

（4）严格保证推进速度均匀、连续的穿越构建筑物，为了降低在盾构推进过程中对前方及邻近土壤的挤压影响，进而减少土体受到的扰动，本研究建议采取以下措施：细致地管理土仓内的压力，并精确控制出土的数量，确保盾构作业中土压力的均衡。此外，应努力最小化盾构前进时的挤压效应以及同步进行的注浆操作，从而减轻对周边土壤环境的冲击。通过这些方法，我们旨在提高盾构施工技术的环境友好性，并保护地下土壤结构的稳定性。

（5）渣土改良及出土。主厂房下施工地层主要为粉砂夹粉土、黏土层，为确保盾构在推进过程中正常出土、减小沉降。从盾构刀盘正面注入泡沫剂、纳基膨润土、克泥效，通过刀盘后翼的搅拌进行渣土改良，起到保证刀盘及螺旋机正常出土的作用，有效的防止土仓土体闭塞，堵仓情况发生。对于④2粉砂夹粉土、⑤1粘土地层，使用4路泡沫、原液比例4%、流量400L/min，每环注入克泥效体积不少于0.51m³/R，发泡体积膨胀率为12～14倍，泡沫注入率为30%（即切削1m3渣土需注入泡沫300L）。同时加入1:6的膨润土浆液，膨润土浆液掺量以满足地层内细颗粒含量不小于30%为宜。出土量与掘进进尺平衡，严格控制出土量。

（6）安排熟练的操作人员拼装管片，尽量缩短拼装时间，并对管片螺栓拧紧进行三次复紧。过程中值班人员对管片拼装质量、防水等进行检查。

（7）根据自动化监测设备振动数据指导盾构掘进参数，并安排专人进行24小时巡视，监测人员按时进行地表、建筑物监测，管理人员进行总结分析。

图2-1 右线下穿最大轴承振动小于26mm/s

3、盾构下穿完成后的加强措施

（1）加强二次注浆的控制。同步注浆后，由于浆液的脱水，体积收缩会加剧地表的后期沉降量，须在盾构通过3～5环后，根据地面建（构）筑物的隆陷状况，及时进行二次注浆，以弥补同步注浆的不足；

（2）加强径向注浆的控制。由于二次注浆浆液扩散深度有限，如二次注浆后，地面构建筑物仍存在少量沉降，通过洞内径向注浆深层加固，加固有效范围隧道外周边3m。径向注浆采用施工DN25导管（t=2.75mm），导管材质为钢管，单根长度3.5m（注浆长度3m），径向注浆浆液采用水泥浆液，为单液浆，水灰比1：1（水泥强度等级P.0 42.5），单管注浆半径0.5m、土体注入率0.8、地层平均孔隙率0.46、浆液消耗系数1.1，注浆压力控制在0.5-1MPa。

（3）洞内二次注浆、径向注浆过程中，加强洞内及地面巡视，及时沟通。

（4）施工过程中，对右线的参数指标进行收集整理，左线施工参照右线参数指标再次进行优化。

（5）为了有效控制盾构渣土运输电瓶车在水平运输过程中的振动问题，需要采取一系列措施。首先，线路的平顺性是影响车辆振动的关键因素。当车辆在不平顺的线路上行驶时，振动会通过车轮传递到车辆的各个部分，进而引起车辆自身的振动。这些振动还会反作用于钢轨，导致更大的振动。减少水平运输系统中的振动，可以采用轻质、易堆放的装配式弧形轨枕。这种轨枕与管片弧面紧密贴合，并具有一定的弹性，有助于减少轨道的不平顺性，从而降低振动。此外，根据管片的高低错台情况，可以使用垫块来调整轨枕的高度，以减少轨面的高低起伏不平，进一步提高轨道的平稳性。为了确保轨道的稳定性并减少振动，可以采用压板形式的扣件将轨枕与轨道紧密紧固连接。扣件与轨道应保持面接触，以确保轨道的稳定性。同时，应缩小轨道连接间隙，使其小于5毫米，并在接头处增加轨枕，以提高轨道的稳定性。

减少轨道表面的凹凸不平，可以对轨面进行打磨，使轮轨接触面平滑。此外，在轨枕下铺设4毫米厚的橡胶板，并在轨道与轨枕之间垫2毫米厚的橡胶块，可以有效地吸收和分散振动能量，降低振动影响。在主厂房下方通过时，电瓶车的行驶速度应控制在3公里/小时以内，并保持均衡。严禁无故紧急加速、减速或制动，以避免造成额外的振动影响。总之，通过以上措施，可以有效控制盾构渣土运输电瓶车在水平运输过程中的振动问题，提高运输效率和安全性。

四、结束语

综上所述，盾构正穿华振动、敏感设施设备时，对施工技术要求较高，可结合以往盾构下穿重要构建筑物进行经验总结，并提高控制要求；通过提前策划、优化施工参数并严格落实、严格控制渣土改良及出土量等措施，及时监测并对数据分析、总结、指导盾构掘进，保证盾构平稳、顺利通过。

参考文献

[1]王鑫，韩煊，周宏磊，雷崇红．盾构施工引起环境振动的实用计算方法［J］．土木工程学报，2015(6):222－227．

[2]周宜，王海亮，张祖远，孙松．城市浅埋隧道下穿建筑物的微振动爆破技术研究［J］．隧道建设，2015(1):89－93．

[3]高峰．爆破施工引起的既有隧道振动监测与控制技术［J］．交通与运输，2014(7):175－178．