富水砂層區盾構下穿建(構)筑物風險控制技術研究

炊 鵬 飛

(北京安捷工程咨詢有限公司, 北京 100037)

盾構法作為一種常用的地鐵區間施工工法，在地鐵工程建設中得到廣泛應用，已積累了豐富的施工和安全風險管理經驗[1-2]。楊振偉等[3]、朱海軍等[4]、白云飛[5]、周江等[6]和喬秀兵等[7]對土壓平衡盾構機在富水砂層中施工技術進行研究，提出在盾構掘進施工過程中，通過對掘進參數優化，可有效控制地層損失和周邊環境變形。秦學波[8]、楊喜等[9]和吳文斌[10]從盾構下穿建(構)筑物風險控制方面，對安全影響性評估、盾構選型、加固措施方面，提出了相關風險控制措施和建議。

太原軌道交通2號線一期工程為山西省第一條軌道交通工程建設線路，如何快捷有效的積累施工及安全風險管理經驗意義重大。太原市地下水位埋深淺，地層敏感性強[11]，區間盾構施工主要穿越地層有黏質粉土層、粉細砂及中砂層，其中局部黏質粉土層和粉細砂層具有液化性，富水砂層受施工擾動易產生砂土液化，對周邊環境影響強烈。

本文以太原地鐵2號線一期工程雙塔西街站—大南門站區間為研究對象，從盾構掘進前的預加固措施，掘進過程中的盾構施工參數選擇與優化、建(構)筑物跟蹤注漿，后期的洞內補充注漿等風險控制措施，研究富水砂層區盾構近距離下穿施工對10個建(構)筑物Ⅱ級環境風險源的變形影響，結合現場監控量測情況，在盾構選型、盾構施工參數制定，加固措施的適用性及施作時機、風險專項設計措施的可操性等方面作經驗總結，可為后續類似盾構區間設計、施工、風險管理工作提供經驗借鑒。

1 工程概況

1.1 設計及施工概況

太原地鐵2號線一期工程雙塔西街站—大南門站區間，左線隧道長度1 098.933 m，右線隧道長度1 171.880 m，左右線間距14.2 m～18.2 m，線路為V型坡，最大坡度為25‰，區間覆土厚度11.7 m～24.3 m。左右線分別采用中鐵裝備Φ6440、日立Φ6350土壓平衡盾構機施工，2018年8月左線盾構機從雙塔西街站北端頭下井組裝，于2019年5月雙線貫通。

1.2 工程地質

區間線路地層由上而下分別為：雜填土(1-1)，結構松散，層厚2.90 m～13.00 m、素填土(1-2)、黏質粉土(2-3-1)、粉質黏土(2-2-1)、黏質粉土(2-3-3)、粉質黏土(2-2)、粉細砂(2-4)，飽和，層厚0.80 m～11.00 m、中砂(2-5)，飽和，層厚1.00 m～13.50 m、粗砂(2-6)、礫砂(2-7)、細圓礫土(2-8)。

區間盾構掘進地層主要為中砂(2-5)和粉細砂(2-4)，詳見圖1。

1.3 水文地質

本區間地下水為孔隙潛水，位于雜填土(1-1)層，埋深2.30 m～7.50 m，標高約為779.22 m～781.45 m，盾構隧道在水位線以下。場區范圍內地層富水情況如下：2-2粉質黏土、2-3-1黏質粉土屬弱透水層；2-4粉細砂屬中等透水層；2-5中砂屬強透水層。

圖1 區間下穿建(構)筑物段地質縱剖圖

1.4 地層特點

本區間掘進地層以中砂(2-5)，粉細砂(2-4)為主。盾構在飽和砂層中掘進時，在往復剪切作用下，會發生瞬間滑移破壞，孔隙體積減小，趨于振密，而不可壓縮的孔隙水不能及時排出，導致孔隙水壓力上升，上升到等于上覆壓力時，抗剪強度喪失，粉細砂轉變為流體狀態，產生振動液化流動現象。盾構掘進施工中對渣土改良、刀盤轉速、開挖面土壓力及盾尾回填注漿壓力等參數控制要求較高，易出現開挖掌子面坍塌、盾尾和螺旋輸送機后艙門涌水涌砂等風險事件，導致地層損失，地面沉陷甚至坍塌。

2 環境風險源情況

雙大區間盾構施工下穿建(構)筑物風險源情況描述[12]見表1。

3 風險控制措施

3.1 風險控制措施清單

雙大區間盾構下穿各建(構)筑物采取的風險控制措施如表2所示。

3.2 鑒定、評估

雙大區間掘進施工前，經專家咨詢，建設單位委托專業鑒定、評估單位，對公交公司宿舍、迎澤苑7號樓開展了安全性鑒定和影響性評估，鑒定評估結果[13-15]見表3。

3.3 預控措施

區間左線側下穿公交公司宿舍樓、晉城大廈、太原市電信局宿舍前，沿樓體鄰近隧道一側斜向打設雙排150@300復合錨桿樁進行地層預加固，樁豎向斜角為30°，總長約22 m～23 m，進入45°滑移面破裂線以內5 m，見圖2。

表1 雙大區間建(構)筑物風險源描述

表2 雙大區間下穿各建(構)筑物風險控制措施清單

表3 公交公司宿舍、迎澤苑7號樓鑒定評估結果

注：兩棟建筑物施工安全影響性評估時均已考慮上述預加固措施，同時將洞內徑向注漿按照預加固措施考慮。

圖2 太原市公交公司宿舍復合錨桿樁預加固圖

3.4 過程中控制措施

3.4.1 盾構施工參數控制

(1) 盾構掘進參數。掘進過程中，根據監測成果，對推力、刀盤扭矩、上部土壓力等施工參數不斷進行動態調整，最終掘進參數見表4。

表4 盾構掘進參數表

下穿建(構)筑物時嚴格控制土艙壓力波動幅度，減少對掘進地層的擾動。正常掘進過程中，根據上覆土厚度變化情況及時調整盾構上部土艙壓力控制值。

(2) 姿態控制。下穿前將姿態調整到最佳狀態，保證推進速度的穩定、恒定，嚴格控制盾構推進方向，減少糾偏，特別是嚴禁大量值糾偏。下穿過程中將軸線高程和平面偏差控制在30 mm內，并及時進行人工復核，出現偏差，遵循“勤測勤糾”原則，杜絕大量的糾偏，關閉超挖刀。

(3) 出渣量控制。每環出土量的控制是盾構掘進過程中周邊環境變形控制的關鍵，保證控制地層損失率的最直接、最有效的手段。出土量控制以渣土體積控制為主，重量復核為輔。盾構施工中，做到出土量量測的精細化管理，對掘進所排出的渣土樣本進行分析，判斷地質情況，根據地質情況，確定合理的出土量。

(4) 同步注漿。盾構機左線的刀盤開挖直徑為6 460 mm，右線的開挖直徑為6 380 mm。管片外徑為6 200 mm，當管片在盾尾處安裝完成后盾構機向前推進，管片與土層之間形成的建筑間隙時，及時采用漿液材料通過4組管路填充此環形間隙有利于防止和減少地層變形，提高隧道結構的穩定性。

采用水泥砂漿(可硬性漿液)作為同步注漿材料，具有凝結時間短、強度高、耐久性好和抗腐蝕性好等特點，同步注漿配比見表5。

表5 同步注漿材料配比

同步注漿參數如下：

① 注漿壓力：控制在0.2 MPa～0.3 MPa。

② 注漿量：施工單位根據施工經驗取環形間隙理論體積的1.4倍～1.6倍，左線每環壁后注漿量4.3 m3～5.0 m3，采用4.5 m3/環。右線每環3.0 m3～3.4 m3，采取3.2 m3/環。

③ 注漿速度：同步注漿速度應與掘進速度相匹配，按盾構完成一環1.2 m掘進的時間內完成當環注漿量來確定其平均注漿速度。

(5) 渣土改良。渣土改良效果好，可方便螺旋機的出渣，減少刀具、刀盤的磨損，穩定土艙壓力等參數，同時可減少螺旋機噴涌現象，雙大區間下穿建(構)筑物區段采用泡沫進行土體改良。

3.4.2 地表跟蹤注漿

為有效控制下穿施工對建(構)筑物的影響變形，對側下穿的公交公司宿舍、公交公司新建住宅樓、晉城大廈、太原市電信局宿舍，正下穿的迎澤公園內單拱橋和八角亭采用地表深孔跟蹤注漿。注漿采用1∶1水泥水玻璃漿液，注漿壓力控制在0.2 MPa～0.4 MPa。

3.5 后處理措施

3.5.1 二次注漿

為提高充填密實性，更好地控制地層沉降，掘進施工中在盾尾后3～5環處利用管片吊裝孔進行二次補注漿。二次注漿漿液采用水泥漿，注漿壓力不超過0.4 bar。二次注漿可以快速阻斷地層涌水，削弱其對同步灌漿的沖刷，提高同步灌漿效果，強化管片環與圍巖的固結，改善接縫防水，提高結構防滲效果，保持盾構通過后的地表穩定。

3.5.2 洞內徑向注漿

盾構區間側穿(下穿)多棟房屋，采用多孔管片，對管片周邊3 m、拱頂135°范圍采取鋼花管進行主動填充式注漿，注漿漿液采用水泥-水玻璃漿液，見圖3。

3.6 信息化管理

太原地鐵自2016年2號線一期工程全面建設以來，采用安全風險監控與管理信息系統(見圖4)、盾構實時監控系統(見圖5)，實現了安全風險的信息化管理，盾構實時監控系統能實時顯示盾構施工參數并自行進行預警，結合風險系統的安全監測數據模塊，實現盾構下穿施工對周邊環境風險源變形情況的綜合判斷。

圖3 盾構下穿房屋徑向注漿加固橫斷面圖

圖4 安全風險監控與管理信息系統

圖5 盾構掘進參數實時監控

4 實施效果分析

4.1 監測數據分析

4.1.1 側下穿建(構)筑物沉降監測數據統計分析

區間側下穿建(構)筑沉降變形及異常情況統計表見表6。

表6 側下穿建(構)筑物沉降變形及異常情況統計表

監測結果分析：

(1) 上述側下穿建(構)筑物中除公交公司宿舍外，沉降變形控制指標為累計沉降≤30 mm，不均勻沉降≤2‰。其中，晉城大廈、電信局宿舍樓采取復合錨桿樁隔離+地表跟蹤注漿，公交公司新住宅樓采取地表跟蹤注漿措施后，建筑物整體未超控制指標，且未出現預警狀況。

(2) 公交公司宿舍監測點布置平面圖及累計沉降時程曲線見圖6和圖7。該建筑物最大累計沉降27.7 mm，不均勻沉降2.2‰，超評估給出的累計沉降12 mm，不均勻沉降1‰的控制值，現場巡視過程中除個別住戶門窗洞口有新的細微裂縫外，結構整體和構件變形情況無明顯異常。

該建筑沉降變形超標原因分析如下：①建筑物老舊，鑒定結果顯示個別構件嚴重開裂，結構整體性相對較差；②基礎為條形基礎，抗變形能力弱；③較其他側下穿建筑，距離區間最近；④公交公司宿舍位于左線始發段，盾構掘進參數尚需摸索總結。

圖6 公交公司宿舍沉降監測點平面布置圖

圖7 公交公司宿舍累計沉降時程曲線

4.1.2 正下穿建(構)筑物沉降監測數據統計分析

區間正下穿建(構)筑下穿建構筑物沉降變形及異常情況統計表見表7。

監測結果分析：

(1) 上述正下穿建(構)筑物中迎澤苑7號樓沉降變形控制指標為累計沉降≤15 mm，不均勻沉降≤1.2‰，其余建(構)筑物沉降變形控制指標為累計沉降≤30 mm，不均勻沉降≤2‰。由表7可以看出，所有建(構)筑物的最大累計沉降值及不均勻沉降值均超控制值。迎澤苑7號樓監測點布置平面圖及累計沉降時程區間見圖8和圖9。

表7 正下穿建(構)筑物沉降變形及異常情況統計表

圖8 迎澤苑7號樓沉降監測點平面布置圖

圖9 迎澤苑7號樓累計沉降時程曲線

(2) 由表7還可以看出，除南沙河快速路南、北箱涵外，隧道內巡視無異常情況，需結合盾構施工參數進行分析，正下穿施工時盾構施工參數建(構)筑物沉降變形超標原因分析見表8。

(3) 正下穿施工前，上述建(構)筑物均未采取預加固處理措施。

表8 正下穿盾構施工參數異常對應沉降變形超標原因分析

4.2 效果評價

盾構區間側下穿建(構)筑物施工，在采取上述預控制、過程中控制、后處理措施后，對建(構)筑物安全性影響較小，下穿施工風險可控，措施有效。正下穿施工時，采取目前的過程中控制措施和后加固處理措施，下穿施工風險較大，措施欠佳。后續類似工程施工可通過盾構機選型優化，對建(構)筑物地基預加固、地層超前預加固，施工中嚴控盾構同步注漿量，保證填充效果，同時加強渣土改良和掘進姿態等方面的措施，保證下穿施工的安全順利。

5 結 論

(1) 渣土改良效果、掘進參數合理性、同步注漿的及時和有效性是富水砂層中盾構掘進防周邊環境變形超標的主要控制要素，施工中應不斷摸索和優化。

(2) 采用隔離樁、地表跟蹤注漿對盾構側下穿建(構)筑物變形控制效果良好，可在后續類似工程施工中采用。

(3) 對于長距離穿越富水砂層，且近距離下穿重要建(構)筑物或水體等對沉降控制要求較高的區間，盾構機選型時應考慮采用泥水平衡式盾構機，以降低工程施工風險。