盾構下穿建筑物施工控制技術研究

劉明山

（中鐵十局集團第一工程有限公司，濟南 250001）

目前，土壓平衡盾構法隧道施工面臨著許多復雜條件下穿越建筑物施工的風險，盾構施工工法雖然在安全、快速、環保等方面具有獨特的優勢，但盾構施工長距離穿越建筑物，難免由于刀盤對地層的擾動導致地層位移，引起地面建筑物的不均勻沉降及結構失穩等風險。濟南軌道交通3號線王舍人站-裴家營站區間穿越建筑物群施工，通過施工措施、施工監測、施工參數控制等一系列手段，順利完成盾構穿越建筑物施工，未對建筑物造成任何影響。

1 工程概況

王舍人站-裴家營站區間隧道下穿的建筑物群有農行濟南東郊支行、蘇寧電器大樓、昌隆宿舍樓、濟南化肥廠宿舍樓群等建筑物。農業銀行濟南東郊支行大樓，3層磚混結構，無基礎，區間隧道結構與農行濟南東郊支行大樓在左XK15+724.349～XK15+772.260里程范圍最小垂直距離為13.10m；蘇寧電器大樓，4層磚混結構，1987年建造，基礎資料遺失，隧道與蘇寧電器大樓在左XK15+778.906～XK15+822.090里程范圍最小垂直距離為12.72m；昌隆公司宿舍樓為6層框架結構，獨立基礎，建造時間1999年，無地下室，隧道與昌隆公司宿舍樓在左XK15+900里程附近最小垂直距離為12.55m，化肥廠宿舍樓群為4～6層框架結構，獨立基礎，個別宿舍含地下一層，建造時間最早在1971—1980年，較久遠，無基礎，隧道與濟南化肥廠宿舍樓群在左XK16+038.069～XK16+161.709里程范圍最小垂直距離為13.22m，濟南第三人民醫院核磁共振室、CT室均為1層磚混結構，淺基礎，無地下室，隧道與濟南第三人民醫院核磁共振室、CT室在右SK16+238.400～右SK16+308.000里程范圍內垂直距離約為14.85m。隧道與建筑位置關系詳見圖1、圖2。

王舍人站-裴家營站區間盾構下穿建筑物群段地層分別為粉質粘土10-1層、粉質黏土14-1層、黏土14-2層、卵石14-4、碎石15-1層，隧道主要穿越粉質粘土層。地質剖面圖詳見圖3。

2 工程風險分析[1]

2.1 建筑物結構下沉位移，建筑物結構失穩風險

王裴區間盾構下穿建筑物距離較長，穿越建筑物存在側穿和下穿兩種形式，以化肥廠宿舍為代表的部分建筑物年代久遠，基礎資料遺失，隧道采用盾構法施工，盾構設備地層埋深較淺，盾構掘進施工中刀盤對地層產生一定擾動，易造成建筑物沉降，建筑物結構失穩風險。

圖1 隧道與建筑物平面位置關系

圖2 隧道與建筑位置關系立體圖

2.2 居民人身財產安全風險

區間下穿和側穿的建筑物修建年代久遠，部分房屋現狀殘破，地勘資料中部分建筑物無基礎，部分建筑物基礎資料遺失，大大增加了施工難度。盾構穿越過程中建筑物多為居民樓，穿越過程中地面沉降等因素對居民樓結構產生的影響，間接增加了居民人身財產安全的風險。

2.3 盾構施工掘進風險

盾構下穿建筑物段，部分隧道底部存在閃長巖凸起，影響掘進速度，同時地下水位較高，易發生螺旋機噴涌、盾尾漏水漏漿的風險；隧道上部以粉質黏土為主，上軟下硬地層不利于地層沉降控制，易發生盾構開挖掌子面沉降過大風險。

圖3 下穿建筑物段地質剖面圖

3 盾構施工主要技術措施[2-3]

（1）下穿建筑物前由建設單位牽頭、各參建單位參加進行現場踏勘，對建筑物現有情況數據等進行收集，保留原始資料。

（2）聯合區政府與各參建單位成立下穿建筑物工作小組，信息化管理，動態施工，能第一時間處理應急情況。

（3）聯合軌道交通集團、同濟大學、中鐵裝備研發并在盾構機上安裝壁后注漿監測系統，監測同步注漿的飽滿程度，第一時間進行補漿。

（4）嚴格控制土倉壓力，上下波動不超0.2bar。

（5）嚴格控制出土量，每斗土進尺不得低于400mm，總出土量不得大于3斗（54m3）。

（6）每環同步注漿量不得低于6.9m3，嚴格控制水泥砂漿質量，稠度控制在10～12mm，初凝時間控制在4～6h。

（7）建筑物下隧道管片選用無破損、無裂縫管片，并嚴格控制拼裝質量，如拼裝時發生破損影響防水效果，及時進行更換，保證建筑物下隧道不滲不漏。

（8）施工中根據下穿農業銀行、蘇寧電器的沉降分析，管片脫出盾尾后2d左右建筑物沉降開始增加，及時在管片脫出盾尾5到8環位置進行二次補漿，少量多次，并嚴格控制注漿壓力，地面監測和洞內注漿做好信息聯動，避免建筑物隆起及管片開裂。

（9）應急深孔注漿，如二次注漿后建筑物沉降得不到控制，洞內采用花管深孔注漿，控制建筑物沉降，如有需要采用地面袖閥管注漿加固房屋。

4 施工控制[4-5]

4.1 施工參數控制

4.1.1 土倉壓力控制

區間左右線下穿建筑物埋深相近，計算左右線各自的土倉壓力：

土倉壓力選取常用的土力學公式按水土合算計算靜止土壓力，計算深度選取盾構中心位置。

式中：P—隧道中心水土壓力值；P1、P2—分別指水土壓力、變動荷載（選取為20kPa）；K0—靜止土壓力系數；h—在盾構中心上方的各土層厚度（m）；γ—在盾構中心上方的各土層容重（kN/m3）。

區間右線下穿建筑期間土倉壓力在1.25±0.1～1.63±0.1bar，下穿施工至化肥廠宿舍2#樓位置時，刀盤扭矩開始有變大的趨向，取渣樣發現含有碎石，且含水量增加，為降低扭矩增大對土體的擾動，調整泡沫比例，加大泡沫的注入量，減小刀盤扭矩。區間左線穿越該段建筑物時采取相同措施，保證了掘進施工的連續性。從掘進過程中建筑物的實施數據分析，影響很小。

4.1.2 掘進速度

區間左、右線在下穿建筑物期間，掘進地層全斷面粉質黏土速度控制在40～50mm/min，掘進地層為粉質黏土和卵石層時速度控制在30～40mm/min，根據不同的地層及時調整掘進參數，通過渣土改良保證掘進的勻速性，縮短開挖土體對地層的擾動時間。

4.1.3 總推力

區間左、右線在下穿建筑物期間，全斷面粉質黏土掘進總推力在1000～1100T，粉質黏土和卵石層掘進隨著卵石層逐漸增多總推力在1200～1300 T，通過掘進施工泡沫量調整，避免了卵石在土倉內的堆積，沒有出現推力持續增大的情況。

4.1.4 其他掘進參數

穿越建筑物期間為減小對土體的擾動，刀盤轉速調整為1.0±0.1rpm，掘進施工對建筑物影響較小。出土量嚴格控制在54m3以內，未出現超挖對線路的影響。

4.1.6 同步注漿配合比及注漿參數

根據以往經驗盾構機注漿管壓力本工程暫取2～3bar，待盾構機進場后再根據現場實測數據進行修正。在建筑物下注漿量為理論建筑空隙的200%，本工程理論間隙為1.2π（6.682－6.42）/4＝3.45m3，考慮到下穿建筑物期間區間隧道掘進方向為曲線，適當增大注漿量，嚴格控制漿液的質量，下穿建筑物段注漿量不低于6.9m3。注漿速度需與掘進速度相結合。建筑物沉降較小，未對建筑物產生影響。同步注漿漿液配比如表1所示。

表1 同步注漿漿液配比

圖4 化肥廠4#樓沉降監測變化曲線

4.2 監控測量[6]

根據王裴區間設計藍圖要求區間建筑物沉降控制值為20mm，傾斜控制值0.002L。

盾構下穿建筑物施工期間采取人工測量與全自動監測儀器相結合的方式進行監測，人工監測建筑物監測點共布置130個，全自動監測點布置22個。

下穿建筑物中化肥廠宿舍4#樓較具有代表性，建造年代較久遠，無基礎，右線穿越完成后建筑物沉降變化速率正常，最大沉降點累計沉降值0.8mm，左線完成穿越施工后建筑物沉降監測數據累計變化量正常速率及均未超設計控制指要求，累計變量最大點JGC14-09累計變量為1.12mm。

5 結語

選擇合理的盾構掘進參數，保持連續平穩的掘進施工，對沉降控制有利；盾構同步注漿漿液采用“水泥砂漿”，保證充足的注漿量，能夠較好地控制盾構掘進通過后的沉降，對施工沉降的控制起著重要作用。盾構長距離下穿建筑物依靠盾構自身施工工藝及施工控制措施在濟南地區粉質黏土及卵石地層中施工可滿足施工沉降控制要求。