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1、1SMW 工法水泥土搅拌桩施工期间相邻隧道的变形监测摘要:目前运用 SMW 工法的设备进行土体加固在软土地区的深大基坑项目中运用前景广阔。虽然与高压旋喷桩等传统的加固方法相比其施工过程对周边土体扰动较小,有利于环境保护要求较高的工程实施。但在施工参数的设置上完全忽略其挤土影响,加之在施工过程中发现异常工况时未及时应对就很可能会对周边的保护对象构成威胁。文章结合工程实例对 SMW 水泥土搅拌桩施工期间相邻地铁隧道的自动监测数据进行分析,总结隧道结构受其挤土作用的变形规律。关键词:SMW 工法水泥土搅拌桩自动监测挤土作用运用 SMW 工法的机械设备进行土体加固具有抗渗止水、对周边土体扰动较小、成桩
2、深度大、精度高等优点,目前在上海的深大基坑项目中运用日益增多,尤其是在环境保护要求较高的轨道交通沿线。本文在对其挤土效应分析的基础上,结合工程实例对成桩期间相邻地铁隧道结构的变形进行分析和总结。1 SMW 工法水泥土搅拌桩的挤土效应目前常用的三轴搅拌钻机以水泥为固化剂,利用螺旋叶片强大的搅拌动力对地基土进行原位上下、左右旋转翻滚式的搅拌,然后在下沉搅拌、提升搅拌过程中喷浆,同时加入高压空气,使水泥土充分、均匀搅拌。钻进喷浆是对周围土体扰动的主要过程,施工中,注入地层的浆液会一部分携带地土体返回地面(冒浆)。下钻喷浆过程中搅拌机械的钻进不断挤压周围土体,造成孔隙水压力及土体水平向应力的增大,土层
3、发生径向位移及垂直向隆起。浆液的不断注入使得周边土体受到明显挤压,超孔隙水压力增大,有效应力不断减小,土体发生水平和垂直向移动。2 盾构隧道的结构状况软土地区用盾构法施工而成的隧道结构一般由管片拼装成环,环环串联,纵向和环向都由螺栓联接;管片厚为 350mm,环宽 1m,管径 6200mm。在上海地区,运营中的隧道基本位处饱和含水的流塑或软塑粘性土层。这类土层一经扰动,强度明显降低,且在长达数年的时间内发生固结和次固结。隧道结构受其影响会产生一定的结构变形,主要表现为纵向隆沉及不均匀沉降、横向水平位移、管径收敛变形。当变形超过设计承受极限时不仅会引发管片接缝渗漏水的现象,还会造成结构损坏,影响
4、列车的正常运行。3 工程实例某基坑工程围护结构设计为深达 39.5m 的地下连续墙,墙厚 1m,与地铁隧道相距 5.4m。为起到稳定地墙槽壁以防塌方及基坑开挖期间的防渗止水作用,地墙两侧先采用 850mm 三轴 SMW 工法水泥土搅拌桩进行预加固,桩间距 600mm,搭接250mm,桩深 32.5m。外排桩中心距离地铁隧道外边线 4.9m,共 51 幅;内排相距约6.8m,共 49 幅。隧道结构埋深-9-15m,处于第层灰色淤泥质粘土层中,土层含水量高达 50%,孔隙比为 1.43,内聚力为 11kPa,内摩擦角 11,压缩系数1.19MPa-1。3.1 试桩本工程施工前期,为了掌握对周边环境
5、的影响程度采用不同的施工参数进行了多组试验,试桩位置 4m 远处均有土体测斜数据的采集。针对试桩结果进行分析2可知:与桩身相距越远挤土效应呈衰减趋势。如果距离相同,则 SMW 工法桩挤土作用的大小与土性参数、浆压气压、施工参数(水灰比、搅拌速度)、注入与返出的量差都有关系。定性地来说:土层越软弱,挤土效应越明显(第层土体水平位移最大);浆压气压越大,挤土效应和影响范围越大;水灰比越小、搅拌速度越快则挤土效应越明显;注浆量与排出量(原状土含少量浆)之差越大则挤土作用越明显。为控制施工过程对环境的影响及保证成桩质量,钻机电流为 190240A,水灰比为1.2,钻进速度为 0.25m/min,提升速
6、度为 0.5m/min,气压为 0.5MPa,浆压为0.30.7MPa。3.2 隧道监测系统加固区域平行于上行线隧道区段,累计长度 90m 为重点监测范围,在相邻隧道对应的道床及管片上每 5m 布设一个测点。为严密监控工法桩施工期间隧道结构的变形状况,采用以自动化监测系统为主,人工监测系统为辅的监测方案,监测内容以隧道结构垂直位移为主,辅以水平位移及管片收敛监测。其中自动监测沉降系统采用静力水准仪系统。3.3 监测数据分析1)加固施工前后隧道区段的垂直位移地墙两则 SMW 工法桩累计 100 幅。在整个施工阶段内相邻的隧道区段基本呈沉降趋势,其沉降量介于-0.34-2.26mm,平均值-1.5
7、1mm;施工结束后一个月内隧道结构继续沉降,沉降量介于-0.62-1.25mm,平均值-0.82mm(见图 1)。2)单桩施工期间隧道垂直位移成桩时间基本为 3h,其中钻进喷浆 2h,提升阶段 1h。每 30min 跟踪采集的自动监测沉降数据显示:成桩期隧道相对应的测点有一定量隆起,之后回沉且施工结束数日内都有微量沉降,累计沉降总量大于施工期间的隆起值。针对 100 幅桩进行统计分析,93 幅施工期间隧道的竖向变形量较小,基本在0.5mm 之内,7 幅施工期间隧道的垂直位移介于0.5+3.2mm 之间,其中 D76 桩最为异常。D46 为外排桩,于 2005 年 10 月 26 日 032 下
8、钻至 19m 深处,131 下钻至32.5m,133 提升,240 结束。钻进 20m 范围内隧道变形十分微小。下部 12m 钻进过程中有 4 个测点(20m 范围)有 0.200.27mm 的隆起。提升至 21m 深度隆起值最大: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 为内排桩,于 2005 年 11 月 2 日 2337 下钻至 17m 深处,3 日 001 下钻至 23m 时电流异常增大达 280A 且持续不
9、下,下沉速度明显减慢,014 钻至 25m后排土返浆量异常少,沟槽内无气泡返出且浆土稠土很高。此时将水灰比略为调大,相对密度约至 1.43。050 钻进至底提升。130 提升至 21m,213 时施工结束。钻进 17m 范围内隧道变形微小,下部 25m 至底的钻进过程有 10 个测点 50m区段(SJL11SJL20)明显隆起,其中 SJL16 隆起量 2.3mm,提升开始至 21m 深度该区段隆起仍然相当明显。提升至距地面 3m 位置有 4 个测点 20m 区段(SJL15SJL18)微量隆起,SJL16 隆起达 0.3mm。200 后隧道出现沉降,至230,SJL16 下沉 1.14mm,
10、230300 下沉 0.24mm,300520 下沉0.42mm(SJL16 累计下沉 2.80mm)。施工过程中隆起的区段都有不同程度的回沉。施工结束后的次日用人工监测方法跟踪采集的隧道水平位移及管径收敛也明显增3大,与成桩位置相距 2.7m 的土体测斜最大水平位移 7mm。SJL16SJL17 测点对应的管片环缝有轻微渗水现象。对 D76 桩的异常现象进行了分析,由于其外排桩及相邻的两幅桩均已完成,四周土体呈封闭状态并且土质已不同于未经扰动的原状土,变得较为密实,导致钻进阻力加大(电流增大),速度缓慢,沟槽内排出土量少且干稠,注入浆液方量远大于排出的土方量。施工过程中发现工况异常后虽然略微
11、加大了水灰比,但未中止下钻,采用提升复搅的措施释放土体内聚应力,因此浆液的不断注入使得桩周土体体积扩张相当明显,表现出与沉桩相似的挤土作用,土体发生远离桩身的水平侧移,对应的隧道结构则明显隆起。施工过后由于孔隙水压力的消散,隧道随土层固结而沉降。4 结论及建议1)SMW 工法土体加固后造成相邻的隧道结构持续微量沉降,持续时间与加固参数、加固面积、加固体与隧道结构的相对位置等因素有关,本工程回沉时间长达 1 个月。2)单桩施工期间相邻的隧道结构先隆起后沉降,一般情况下施工对应的 20m区段有变形显示,异常情况下影响隧道的范围及变形量明显加大。3)周边有类似地铁隧道的重要保护对象时,施工参数的设定必须综合考虑其存在的挤土作用,不能忽略施工对环境的影响。4)施工参数设定后,施工期间发生异常工况如不及时调整参数会加大成桩期间的挤土作用,严重者可危及相邻的保护对象。
