盾構法穿越建筑物掘進技術

周雷

(中鐵十六局集團地鐵工程有限公司，北京市 100124)

盾構法穿越建筑物掘進技術

周雷

(中鐵十六局集團地鐵工程有限公司，北京市 100124)

以長沙地鐵1號線一期工程下穿建筑物施工為實例，介紹盾構隧道下穿建筑物時控制地層沉降的主要措施及掘進參數的控制。

盾構法;建筑物;參數控制;地層沉降

0 引言

長沙地鐵1號線一期工程南門口站至侯家塘站區間為盾構區間，下穿勞動路南側中意電器家屬樓和南區政府家屬樓。該建筑物修建于20世紀80年代，結構多處開裂。下面介紹盾構機穿越該建筑物過程中的參數控制要點。

1 工程概況

1.1 盾構機概況

從環境條件、施工條件、施工設備費用等多方面進行比較，選用土壓平衡鉸接式盾構機，刀盤直接6.28 m，盾構管片1.5 m一環。針對不同切削要求(包括不同地質要求)設置了8把17′單刃中心滾刀，31把17′單刃滾刀，40把切刀，32把邊緣刮刀，14把貝殼刀和1把超挖刀，其中滾刀和齒刀的刀座形式相同，根據不同的地質類型兩種刀具可以切換。刀盤開口形式為對稱的8個長條孔，刀盤的開口率為37%。

1.2 區間及建筑物概況

南門口站-侯家塘站區間右線，盾構平行下穿5層中意電器家屬樓。該建筑物建于20世紀80年代初，結構形式為5層磚混結構，基礎類型為人工磚砌樁基礎，深度為入巖0.5 m，區間右線隧道進入建筑物，距離樁底垂直距離4.64 m，盾構覆土14.7 m。房屋與隧道平面及縱剖面關系見圖1、圖2。

現場踏勘發現結構多處出現裂縫，原有混凝土碳化嚴重，部分有露筋現象，經過長沙城科檢測有限公司對房屋評估，房屋安全性能鑒定為Bu級。

由于隧道下穿結構物，地面加固空間狹小，加固難度較大，無法實施地面加固，只能通過盾構掘進參數及監控量測的反饋意見來控制建筑物的變形及地面沉降。

圖1 中意電器家屬樓與區間隧道平面示意圖

圖2 中意電器家屬樓與盾構隧道剖面示意圖

1.3 工程地質

根據地質資料，本區域自上而下地質情況描述如下:

通過危房區間盾構機主要穿越＜7-2-2＞泥質粉砂巖(Ks)和＜7-3-3＞ 礫巖(Ks)，上部為＜1-2-1＞雜填土、＜3-1＞粉質黏土、＜3-9＞卵石、＜5-1＞粉質黏土。＜7-2-2＞泥質粉砂巖(Ks):成巖風化嚴重，巖石結構大部分遭到破壞，巖石結構清晰，但遇水易軟化，屬極軟巖，巖體基本質量等級為Ⅴ類，頂面埋藏深度5.60～16.40 m。＜7-3-3＞ 礫巖(Ks):礫狀、角礫狀結構，泥質、鈣質膠結，巖屑成分主要為砂質、硅質或灰質，礫石呈棱角狀，粒徑2.0～4.0 cm，節理裂隙發育，屬軟巖，但巖芯完整呈柱狀，遇水易軟化，巖體基本質量等級為Ⅳ類，頂面埋藏深度8.40～37.40 m。地質條件相對較好。

1.4 水文地質

(1)地表水

區間線路位于城市中心地段，距湘江最近約0.44 km，地貌單元屬湘江Ⅱ～Ⅲ級階地，地表水對隧道施工影響較小。

(2)地下水

區間地下水類型主要為第四系孔隙潛水及基巖裂隙水。第四系孔隙潛水含水層頂面埋深介于地表下10.20～14.50 m，地下水具有弱承壓性，水量較豐富，常年水位變化幅度8～12 m，根據現場抽水試驗結果，砂卵層的抽水試驗滲透系數7.47～19.46 m/d，屬中等～強透水性地層。

2 施工監測點的布置

根據調查的實際情況，優化設計要求的參數指標，提高保護等級，設定地表沉降控制指標為-20 mm，沉降變形預警值為-10 mm。適當減小出渣量，防止土層損失和對地面沉降造成的影響。

2.1 地表沉降監測點布設

沿隧道方向每5 m布設一個斷面，每個斷面埋設10個地表沉降點。

2.2 建筑物沉降點布設

在建筑物四角的基礎上布設沉降監測點，在結構柱上布設沉降監測點。監測點布置見圖3。

圖3 建筑物沉降監測點布置圖(單位:m)

2.3 水位監測孔布設

由于地下水豐富，地下水位變化對建筑物影響也相當大，因此在建筑物旁左右線之間打設4個水位監測孔S2～S5，每個孔間距14.5 m監測水位變化。

2.4 巡視安排

(1)使用鉛垂安裝在建筑物四角的結構柱上，對建筑物的豎直度進行監測。

(2)安排專人對建筑物及附近地面進行巡視。

(3)提前50 m對建筑物及地表情況進行巡視，巡視小組24 h輪流巡視，并做好巡視記錄，每日對沉降情況進行通報，發現問題及時匯報。

2.5 監測頻率

在刀盤到達建筑物前20 m每天監測1～2次，下穿建筑物時實行24 h監控，盾構通過后50 m每周監測一次。

3 控制地層沉降的主要措施

盾構隧道下穿建筑物施工過程中，主要根據“勻速通過、嚴注漿、勤測量、二次注漿跟進”來控制建筑物的變形。

隧道內的盾構機在掘進過程中需控制好姿態，盾構機姿態變化應在允許范圍內，糾偏幅度不宜過大，保證管片能夠順利脫出盾尾，保持盾構機平穩推進，避免掘進過程中對周圍土體擾動過大從而引起超挖，控制地面沉降。

3.1 勻速通過

作業人員要做好出渣情況記錄，控制好出渣量，根據地層情況正確選擇掘進參數，力求“平穩、勻速推進、低扭矩、頂住正面、調整壓力、封住盾尾”，盾構司機要控制好刀盤扭矩、推進速度、泡沫參數、渣土情況等在合理范圍內。做好各單位間的協調配合，減少故障，從而避免發生意外造成停機，縮短圍巖的暴露時間和變形。圓形土壓平衡盾構機理論排土體積V為:V=π/4·r2·L(式中:r為開挖直徑，L為推進長度)。我部采用盾構機為6.28 m開挖直徑，理論出土量為46.5 m3。取松散系數為1.3，虛方量為60.5 m3，盾構掘進速度控制在20～30 mm/min，最快不大于40 mm/min。土艙上部壓力控制在0.08～0.12 MPa，以保證前方土體穩定，達到土壓平衡的狀態。

3.2 嚴注漿

同步注漿是對盾尾形成的施工空隙進行填充注漿，是控制地層沉降的一個重要環節之一。嚴格控制同步注漿量和漿液質量，主要做到以下幾點:

(1)保證每環注漿總量。

(2)保證盾構推進每箱土的過程中均勻合理地壓注。

(3)漿液的配合比必須符合標準，可以根據實際情況合理修改漿液配合比。

直徑為6.28 m的盾構，理論建筑空隙為: 1.5π(6.282-6.02)/4=4.05(m3)。實際的壓注量為每環管片理論建筑空隙的150%～200%，即每推進一環同步注漿量為5.4～8.1 m3，所以注漿量每環大于6 m3，控制在8 m3左右，注漿壓力約為0.2～0.24 MPa。同步注漿漿液1 m3用量為:水泥200 kg;水460 kg;砂779 kg;粉煤灰410 kg;膨潤土50 kg。漿液配比根據實際情況及時進行優化調整。

3.3 二次注漿

盾構機經過后，隨著同步注漿漿液逐步擴散穩定，管片壁后壓力逐漸釋放，在壓力釋放的過程中地層隨之沉降，所以會在一段時間內形成一個持續的沉降過程，一般在3 d之后達到穩定。盾構施工中為減小這種延續沉降，就需要對管片壁后進行二次注漿，繼續填充管片壁后與地層間的空隙。二次注漿漿液采用水泥漿，水灰比為1∶1，二次注漿的壓力、壓注量應根據實際情況而定，終孔壓力為0.4 MPa。二次注漿位置選擇在3、10、12點鐘的管片吊裝孔注入，將吊裝孔打穿，注漿頭擰緊后進行注漿，嚴禁從K塊小塊管片吊裝孔注入，管片脫出盾尾5環進行二次注漿。

注漿人員對注漿壓力、注漿量、注漿點位、注漿時間進行記錄。可對相同位置進行重復注漿，已確保空隙填充密實。

4 掘進參數的控制

盾構開挖面的地層以中、強風化礫巖及中、強風化泥質粉砂巖為主，節理裂隙發育、泥質物填充，粘結性好，抗變形性及穩定性較好。施工中出渣情況顯示，地層含水量少、泥質成分含量高，在掘進過程中選用以下掘進參數:

(1)盾構千斤頂油壓小于13 MPa，總推力小于1 100 t。

(2)刀盤扭矩小于2 600 kN·m，推進速度不大于40 mm/min，刀盤轉速約為1.5 r/min。

(3)上部土艙壓力控制在0.08～0.12 MPa，平均土壓為0.09 MPa以上，推進將要結束前將土壓設為0.09～0.13 MPa，以防在停機拼裝管片時土艙壓力下降過低。

(4)泡沫劑百分比為3.0%～6.0%，溶液與空氣的流量混合比為1∶12～1∶16，每4根泡沫劑流量為85%。

(5)使用質量較好的盾尾油脂，預防盾尾漏漿以保證注漿效果。

(6)掘進中嚴格控制出渣量，控制每環出渣總量的同時還要控制好每斗出土量。每斗渣土虛方約18 m3，出一斗渣土盾構機千斤頂行程不應小于35 mm。

(7)盾構機穿越地層含水量小，土艙內渣土較干，土體與刀盤摩擦產生的溫度較高，需向土艙內加水，防止刀盤結泥餅。

5 結語

嚴格按照以上措施組織施工，盾構順利穿越中意電器家屬樓，平均每天掘進6環(9 m)，從刀盤進入家屬樓基礎范圍至盾尾順利脫出基礎范圍用時8 d。地面沉降變化無異常，在DKY20+020位置沉降量最大，為2.65 mm，建筑物F4號監測點沉降最大，最大沉降量為-3.59 mm，地下水位S5號監測孔變化最大，最大變化量為-570 mm，盾構掘進過程中對家屬樓內居民沒有造成任何不良影響，取得良好的社會效益。

U455.4

B

1009-7716(2015)04-0189-03

2014-12-10

周雷(1982-)，男，北京人，工程師，從事市政工程施工安全管理工作。