盾構極限坡度極限半徑連續穿越建筑物施工技術

李彥輝（中鐵十八局集團有限公司，天津300222）

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盾構極限坡度極限半徑連續穿越建筑物施工技術

李彥輝
（中鐵十八局集團有限公司，天津300222）

[摘要]伴隨著盾構法施工在城市地鐵隧道中的廣泛運用，盾構法施工面臨的環境也越來越復雜，對其施工技術的要求也越來越高。本文以天津地鐵三號線水上北路站——吳家窯站盾構區間的施工為例，對這一工程進行了概括并對工程的具體施工過程進行了詳細分析。就極限坡度極限半徑連續穿越建筑物的施工技術開展了探討，以期形成進一步的深化認知。

[關鍵詞]盾構法；極限坡度；極限半徑；連續穿越建筑物

伴隨著城市化進程的加快以及社會經濟的迅猛發展，僅僅依賴地面交通已經無法滿足廣大人民對交通量的需求。在這一需求的推動下，大多數城市逐步將目光轉向地下，開始加大地下交通的發展力度與深度。盾構法正是在這一背景下迅速發展起來的一項施工技術。在進行軌道交通線路的選擇時，由于受到城市規劃與建筑物自身的限制，軌道交通的線形呈現越來越復雜的趨勢，在30‰的極限坡度、300米的極限半徑條件下，盾構連續穿越建筑物的技術性、安全性、科學性、可靠性成為值得關注的研究議題。

圖1 施工方案流程圖

一、工程簡介

天津地鐵三號線六標段水上北路站——吳家窯站區間基本情況如附表1所示。

另外需注意的是：這一區間左線盾構施工時，需要穿越的河流、建筑物包括衛津河、天塔湖、平山里、建國樓、德才里、氣象里，并且需要連續穿越15座居民樓（居民樓間距最大34.62米，最小13.64米，建筑物于20世紀70年代修蓋，多數是連體樓。）

在工程地質與水文地質條件方面，呈現的主要特征如附表2所示。

二、施工方案及其具體實施過程

（一）盾構穿越建筑物時施工方案的制定

綜合考察及分析發現，天津地鐵三號線六標段水上北路站——吳家窯站區間左線施工的重點與難點體現在：第一，要求盾構在極限半徑極限坡度下連續穿越建筑物群；第二，所需穿越的建筑物群基礎差、結構差；第三，地質條件相對惡劣，對施工極為不利。

圍繞施工的重點與難點，從施工的具體實際出發制定了如下施工方案流程圖：

（二）盾構穿越建筑物具體施工過程

具體施工時，施工質量與盾構推進、管片破損及滲漏水情況、盾構上方不同深度處土層的垂直位移量等直接相關。影響這些質量的主要指標包括：（1）盾構推進土壓力；（2）推進油缸行程；（3）同步注漿壓力及注漿配合比；（4）鉸接油缸行程；（5）轉彎及變坡過程中油缸行程差的設定等。因此，施工過程中主要指標的相關操作與控制要點具體如下：

1.盾構推進速度

就土體而言，在實際施工中推進速度過快/過慢均會產生很大程度的擾動，因此，為降低這一因素的不利干擾，要以盾構機整體性能為依據，確保掘進速度的提升是建立在推進盾構速度，同時滿足了掘進土壓力、同步注漿速度需求基礎上的，進而將對橋樁基的影響降到最低。經驗數據表明，盾構推進過程中為最大程度地減小其在小半徑環境中的推進壓力，避免造成管片錯臺及破損，因此盾構推進時速度不能過大，適宜的推進速度應以勻速20～30mm/min為宜。

2.盾構穿越建筑物時同步注漿及二次注漿壓力和注漿量的確定

（1）同步注漿

鑒于水泥砂漿具有極佳抗地下水侵蝕能力、高結石率、良好耐久性等優點，因此，注漿材料選用水泥砂漿。針對地下水會造成襯砌結構腐蝕的地段，為提升注漿結石體的耐腐蝕性能，應選用抗硫酸鹽水泥。同步注漿漿液的主要物理性能應滿足的指標具體有以下幾個方面：

①膠凝時間：膠凝時間通常維持在3～10h，根據本標段過建筑物時的需要，其實際膠凝時間在不超過4h，通過凝膠時間的縮短，進而促進建（構）筑物的沉降。②固結體強度：固結體強度的強度通常在0.1MPa及以上，其平均強度應達到0.45MPa。28天的強度應在5MPa及以上，平均強度達到6.5MPa。③漿液結石率：漿液結石率應超過95%。④漿液稠度：漿液稠度應保持在8～10cm/m為宜。

在同步注漿過程中，根據施工現場實際情況對注漿壓力、注漿量與注漿速度予以確定。本區段根據深度、土層性質與地下水位，確定注漿壓力在0.3MPa，綜合考慮上方建筑物的重力影響，在盾構穿過建筑物時其注漿壓力維持在0.35～0.5MPa。本區間盾構機每掘進一環，其盾尾的脫空量為（參考盾構法隧道施工與驗收規范）：。根據盾構在極限坡度與極限半徑中的糾偏過程，本區間隧道每環注漿量在3.08m3- 5.92m3，但實際產生的空腔比理論要大，因此確定適宜的盾構同步注漿量為8- 10m3。

（2）二次注漿

二次注漿的運用多在穿越筑物或地下管時段。一般而言，二次注漿在盾尾脫出5- 10環后進行，具體注漿量的多少要依照沉降監測數據來進一步確定。選取雙液漿實施二次注漿，并根據地層變形觀測等實際情況確定二次注漿的位置、壓力與壓入量。通常二次注漿壓力維持在0.5MPa，而漿液材料、配比與注漿壓力應嚴格根據設計文件執行。

3.盾構穿越建筑物時土壓力的判定

P1（土壓力）的計算分兩種情形：淺埋隧道、深埋隧道。詳細計算如下：

（1）H＜2D時，定性為：淺埋隧道。這種情況下，上覆水土產生的壓力全部作用在開挖面上。計算公式為：。公式中各字母的含義為P1：土壓力，φ：摩擦角，γ：土的容重，h：刀盤中心至土體面的高度。（注：H：隧道埋深，D：盾構外徑。）

（2）H＞2D時，定性為：深埋隧道。這種情況下，土體會在隧道上方形成拱效應，以致于上部土體產生的土壓力不會像淺埋隧道一樣完全作用于開挖面。土壓力計算按太沙基理論公式計算；當盾構穿越建筑物時，土壓力的計算均按淺埋隧道來算。按公式計算土壓力，可得：P1=（1- sin200）×0.019×16=0.20MPa由此計算結果，預先判定土壓力在0.20- 0.24MPa范圍。（注：H：隧道埋深，D：盾構外徑。）

需要注意的是：在盾構機掘進過程中，由上述一系列計算得到平衡壓力設定值，在實際施工中還應根據盾構機所處方位、地表監測情況、土層狀況等予以適當調整。綜合考慮到過建筑物時建筑物本身重力造成的影響，進而確定本標段過建筑物實際土壓力設定為0.25- 0.35MPa。

4.大坡度小半徑環境時盾構控制與姿態調整

當盾構進入到大坡度小半徑的環境中時，應對盾構機姿態進行嚴格控制，對推進偏差做出及時的糾正。在此過程中，需要重點做到以下幾個方面的問題：（1）及時根據掌子面地層情況對推進參數進行調整，在推進方向調整過程中要設置限制值與警戒值。（2）為防止管片局部發生開裂或者破損，應在推進油缸油壓時做到慢調、少量。（3）在盾構機激光導向系統的指引下開展推進、糾偏等工作。（4）盾構機每推進一環的糾偏量≤5mm。（5）蛇形修正及糾偏時應緩慢進行，勤糾、緩糾。（6）有效運用超挖刀調整開挖面阻力，實現糾偏（這一方法在調整盾構機推進油缸編組的方式不能實現糾偏目標時采用）。（7）在盾構機推進過程中，通過調整推進油缸使盾構機縱坡盡量接近隧道縱坡，在下坡的過程中盾構機姿態為稍仰頭姿態。

5.監控量測

盾構推進過程中，有可能由于施工需要，會造成隧道附近原有構筑物、管線等變形，甚至毀壞現象。基于此，在盾構推進施工時對距隧道30米以內的原有構筑物要進行沉降監測。監控點直接在構筑物外墻（樁）正負零以上10～15厘米處布設，測點間距8～12米左右。隧道沿線需要監測的建筑物較多，在穿越樓群過程中，隧道埋深在15米～- 21米。每棟樓房平均布點8～10個，共布點147個左右。同時，除了對構筑物開展沉降監測工作之外，還應注意對處于隧道30m范圍之內的原有建筑物開展裂縫觀測、記錄及量度操作。

城市化進程帶動了地鐵建設的飛速發展，而城市施工由于多方限制還不能完全跟上這一發展節奏，這就為本施工技術的應用與推廣提供了廣闊空間。通過以上研究與分析，可以發現：第一，土體擾動的影響程度主要由盾構機推進速度、注漿控制等因素決定；第二，盾構通過該工程施工區域后，盾構穿越對建筑物的影響十分小。研究中存在的不足主要體現為：僅對特定工程（天津地鐵三號線六標段水上北路站——吳家窯站區間）進行了研究，具有一定局限性。同時可以展望：盾構施工研究重點將向如何最大限度減少盾構施工對附近建筑物的影響方向偏移。

參考文獻：

[1]吳濤.大坡度并小半徑曲線盾構連續穿越建筑群沉降施工控制[J].探礦工程（巖土鉆掘工程），2013，11（40）：76- 80.

[2]住房與城鄉建設部科技發展促進中心.GB50446- 2008盾構法隧道施工與驗收規范[M].北京：中國建筑工業出版社，2008.

附表1 天津地鐵三號線六標段水上北路站——吳家窯站區間基本情況表

附表2 工程地質與水文地質條件特點表

[中圖分類號]TU

[文獻標識碼]A

[文章編號]1673- 0046（2016）1- 0153- 03