軟弱地質條件下土壓盾構穿越建構筑物關鍵技術措施

潘璐

（中交隧道工程局有限公司，南京210000）

1 引言

盾構法施工對我國建筑行業起到了良好的推動作用，能有效提升施工質量與效率。但是，盾構機在軟弱地層中下穿建構筑物施工時，沉降控制仍存在一定的難度，為避免引起地面沉降與塌方現象，造成地下管線破裂與房屋開裂等不利影響，本文針對軟弱地質條件下土壓盾構下穿建構筑物施工技術措施進行研究。

2 工程概況

紫～五區間隧道覆土厚度為8.95～14.10m，線路縱斷面呈V 形坡，區間穿越地層主要為②4-4 淤泥夾砂和②4-5 淤泥質粉細砂層，局部位于②4-3 淤泥中細砂交互層和②5（含泥）中細砂層上。該區域水位變化主要受天氣影響，地表水與承壓水豐富，歷史最高地下水位標高為7.50m。地表兩側主要為市場、居民住房、公司辦公樓等。在道路兩側存在眾多雨水、污水、電力、煤氣等地下管線。周邊建筑物部分位于隧道正上方，部分與隧道邊線水平距離僅有0.5～15.0m。

3 施工設備

選用海瑞克土壓平衡盾構機進行掘進作業，盾構機刀盤直徑6 480mm，刀具配置以撕裂刀為主，刀盤開口率38%，主驅動額定功率950kW，額定扭矩為6 220kN·m，配備2 臺同步注漿泵。針對刀盤前方土體改良，配置有6 個泡沫管路，并采用單管單泵設計。

4 下穿建筑物安全控制措施要點

由于盾構下穿段地層較為薄弱，粉砂層分布普遍，區間施工容易誘發地面沉降和塌陷、飽和砂土液化等地質災害。因此，在針對該項目開展盾構施工時，首先對地質條件進行評級，提前采用理論方式進行計算，制訂合理、切實可行的施工方案，通過試掘進形成具體完善的安全技術措施，從而對現場施工安全提供保障[1]。

施工中密切關注施工區域周圍的水文情況，對地質條件與地表建構筑物進行測定與確認，使操作人員準確掌握施工特點，并采取必要的施工措施避免上述地質災害的發生。例如，采用地基處理增加土層強度；采用注漿密實處理進行抗液化；改良盾構機周邊土體等方法。重點加強施工中監控量測，優化盾構掘進參數。通過試掘進段參數總結分析，進一步在穿越段加強控制措施，從而確保盾構順利下穿建構筑物[2]。

5 施工控制措施

5.1 掘進參數

施工前，應先確定以下參數：

1）土倉壓力。盾構掘進過程中應根據靜止土壓力的變化及時進行調整，使土倉壓力始終保持在靜止土壓力與被動土壓力之間。以該項目為例，依據地勘報告中最小覆土厚度土層物理力學參數，由靜止土壓力計算公式得出：

式中，γ為天然重度，kN/m3；h為分層厚度，m；ki為靜止側壓力系數。

下穿時被動土壓力：

式中，c為土體黏聚力；kp為被動土壓力系數。

因此，根據埋深，土倉壓力設定值為0.16～0.30MPa，并根據刀盤處地表監測結果調整上限值，調整原則為不發生沉降且隆起值不超過5mm。土壓保持恒定，變化不超過±0.01MPa。正常停機時，通過油缸前頂進行保壓，不低于0.18MPa。

2）總推力：900～1 800t。

3）刀盤扭矩：1 800～2 400kN·m。

4）刀盤轉速：1.0～1.2rad/min。

5）盾構姿態：水平控制在±30mm、垂直-20～-50mm，趨勢≤±4mm。嚴格控制盾構機的糾偏量，最大限度減少糾偏頻率。

6）推進速度：30～45mm/min，允許浮動±5mm，盡量減少停機時間，加快拼裝速度。

7）出渣量：39～40m3，對每環渣土進行渣樣分析（含泥量、含沙量），將測出的數據進行反饋，以便及時調整掘進參數。

5.2 同步注漿

采用水泥砂漿作為同步注漿材料，該種漿液可泵性好，有結石體強度高、耐久性好的特點，能有效減少成形管片上浮和地面后期沉降。漿液配比如表1 所示。

表1 同步注漿系統水泥砂漿材料配比情況kg

膠凝時間：一般為3～8h，對于需要漿液具備較高早期強度的地段，可通過現場試驗進一步調整配比或加入早強劑，縮短膠凝時間。

固結體強度：不小于0.2MPa/d，28d 不小于1.0MPa。

漿液結石率：＞95%，即固結收縮率＜5%。

漿液稠度：8～12cm。

式中，V為注漿量，m3；L為管片長度，m；D1為開挖直徑，m；D2為管片外徑，m；λ為注漿率。

在盾構掘進中，通過控制注漿壓力和注漿量確定注漿效果，注漿壓力最大不超過0.3～0.4MPa。分析注漿泵泵送能力與掘進速度的關系，要做到掘進與注漿同步，并結合管片姿態與地表周邊建筑物監測結果進行綜合評價注漿效果，反饋指導下次注漿。

5.3 全斷面二次注漿加固

盾構下穿建筑物施工中，采取跟進注漿的方法進行二次補充注漿，將二次注漿設備前移至控制室車架前的通道平臺上，在管片脫出盾尾5～10 環后，向管片壁后注入單液漿，使管片壁后填充保護層迅速強化，補充地層開挖損失并承載壓力。漿液采用普通硅酸鹽42.5R 純水泥漿，水灰比為0.6～1，初凝時間為1～2h，注漿速率不大于20L/min。注漿壓力設定為外界水壓0.3～0.7MPa。

根據沉降數據變化速率與大小，也可對管片壁后注入雙液漿，根據現場試驗得到多組不同凝固時間的試驗配比，可視情況選用：（1）水灰比1∶1，水玻璃溶液密度30°Bè，水玻璃：水泥漿1∶1，凝結時間24s；（2）水灰比2∶1，水玻璃溶液密度25°Bè，水玻璃：水泥漿1∶2，凝結時間47s；（3）水灰比1.5∶1，水玻璃溶液密度25°Bè，水玻璃：水泥漿1∶1，凝結時間45s。每環均注，注入量為1m3，壓力不超過0.3MPa，若沉降未得到有效控制，則加大注入量。壓注過程中需密切關注管片變形情況和地表監測數據，并做好相關數據記錄。原則為多點少量，不可在一個孔內持續壓漿。

5.4 渣土改良

添加膨潤土、泡沫等添加劑具有隔水、降低扭矩、增加開挖面穩定和確保土壓平衡的優點，使土體改良后具有和易性好、高黏性、低滲透性。泡沫原液比例宜控制在約3%。當盾構機處于富水含砂地層中施工時，加入優質鈉級膨潤土，膨化后可以達到改良土體，保護刀盤、增加開挖面的隔水效果，同時更容易建立土壓平衡。

5.5 沉降控制輔助措施

使用“克泥效”，通過盾構機的中盾徑向孔或超前注漿孔注入，可有效填充推進過程中盾體上方的間隙，對刀盤周邊土體有改良作用。使用材料及配合比為：

A 液（kg/m3）為：克泥效∶水=350∶865，A∶B=20∶1（體積比），

其中，B 液為40°Bè 水玻璃原液，每環土體空隙：（刀盤半徑的平方—盾體半徑的平方）×3.14×1.2=0.487m3，每環使用量0.6m3/0.9m3，注入壓力0.6～1.1MPa，注入率：123%/185%。

5.6 設備保障

盾構機穿越建筑物前，選擇合理的地質區域對盾構設備全面維修保養。避免設備“帶病”作業，做好備品備件工作，為盾構機穿越建筑物做好前提保障。

5.7 監控量測

地面監測頻率控制在每6h 一次，當數據異常，如單次數據變化超過2mm 或累計超過8mm 時，加密監測，及時調整掘進參數并采取相應措施。

在構建筑物上安裝液壓式靜力水準儀和傾角傳感器，分辨率0.01mm，通過網絡接入，可24h 動態遠程監測，實時計算建筑物變形數據，便于快速采取響應措施。

數據收集分析，經過對建筑物監測點數據總結對比，在試掘進段，地表累計沉降量可控制在2cm 以內。下穿建構筑物施工中，對推進參數加以優化，并配合輔助措施，地表累計沉降量可控制在1cm 以內，建構筑物累計沉降量均在2mm 內，且后期變化趨于穩定。

6 結語

通過監測數據的反饋結果看出，在軟弱地層中穿越建筑物時，采取以上參數和措施方法是合理的。總之，盾構機在穿越建構筑物時需充分考慮周邊土體與水位情況，研究地質特點，并根據現場施工需求制定科學合理、切實可行的方案措施與掘進計劃，從而為工程整體質量與安全做出保證。