盾構長距離穿越老舊建筑物群微沉降控制技術

劉文志

（中鐵十四局集團大盾構工程有限公司， 江蘇 南京 210000）

0 引言

近年武漢市的軌道交通建設一直在有序進行，盾構法地鐵隧道穿越技術日趨成熟。地鐵建設的施工環境決定了地鐵隧道線路通常在城市既有建筑或道路下方，盾構穿越施工極易引起穿越區間建筑物的不均勻沉降以及傾斜。特別是長穿越區間高密度棚戶區時，由于棚戶區建筑上部結構多為磚混或磚木結構，基礎多為天然基礎或條形磚基礎，外觀破損嚴重，大部分存在墻體有裂縫、墻體變形、墻面掉皮等現象，在施工過程中風險較高，因此盾構在掘進施工過程中要嚴格控制地表沉降。由于所穿越的建（構）筑物面積比較大，所以對地面沉降控制要求高，如何順利通過，盾構掘進采取何種控制措施，保證建（構）筑物沉降滿足現狀要求，是施工的重點[1]。據監測結果及時有效地采取處理措施，控制地表沉降，確保房屋安全，是此類工程的難點之一。

1 工程概況

司門口站～曇華林站盾構區間采用兩臺開挖直徑Φ6.48m的土壓平衡盾構機施工，自司門口站大里程端頭始發，穿越楚才社區16#樓（樁基礎已拔除），然后長距離穿越高密集棚戶區（穿越總長約580m），到達曇華林站小里程端頭接收。左線設兩個半徑分別為2km和3km的曲線,右線設三個半徑分別為2km、1.5km和1km的曲線，線間距11.2m～15.2m。區間左右線均采用“V”字坡，左右線縱坡最小坡度為2‰，最大坡度為4.8‰。管片外徑6200mm，管片內徑5500mm，管片厚度350mm。區間掘進約100米后即穿越得勝橋街棚戶區，共計下穿房屋85戶，側穿房屋116戶，多為磚混和磚木混合結構，絕大部分是在七十年代以前建筑完成的，另外還存在著一些百年老建筑。造成在地下盾構施工過程中存在較高風險。該里程段隧道覆土厚度10.5～11.8m。

2 控制措施

2.1 盾構掘進參數控制

在盾構掘進過程中，應參照地質情況和地面建筑物的保護要求，制定具體掘進方案，根據掘進方案嚴格盾構掘進參數[2]。掘進過程中，應時刻掌握盾構機運轉情況、掘進參數的數值變化、泥土進排情況，及時對數據進行匯總和分析，根據分析出結果調整掘進參數，對盾構姿態進行調整控制。在盾構掘進施工過程中，要嚴格進行現場管理，隨時調整數據，現場實際土壓要略大于土壓計算值。充分利用信息化系統及時調整和修改掘進參數，使土壓力值處于規定的范圍之內[1]：

2.1.1 土的受力值計算

土的壓力值用朗肯原理公式算得:

計算得出土壓力理論值。

土的壓力值在施工中通過刀盤和土倉的壓力計測定，根據地質情況、埋設深度和地面監控量測信息進行匯總分析，同時還要考慮掘進過程中，螺旋機轉速根據推進速度與土壓控制，螺旋機轉速要滿足土壓平衡。要適時調整土壓力到合適數值、掘進速度大小、盾構掘進力值大小和背后注漿量的多少，要確保地面沉降量控制在合理的范圍內。

為達到在刀盤切入土體后土壓平衡條件，在進入加固區，開始建立土壓。根據朗肯原理及在相關地層掘進的相關經驗得出的土壓力為1.0～1.2MPa之間。

2.1.2 刀盤速度

在掘進過程中，刀盤要根據不同的地質情況選擇適宜的轉速，在掘進速度相同的前提下，機器轉速的高低將直接影響錐入度的大小，從而可能影響盾構機扭矩的大小。如果在推進過程中刀盤轉速過大，可能將會引起刀盤刀具的磨損速度過快，并且高轉速還加大對地層造成擾動，為減少刀盤對地面的影響，刀盤轉速不易過快，盾構機施工到棚戶區地下的刀盤速度應控制在0.8rpm和1.2rpm之間。

2.1.3 開挖速度控制

為保證盾構機能對土體進行正常切削，防止推進軸線偏位、刀盤磨損加快，在始發時不易以較快速度推進，應使盾構機在保持緩慢穩步中推進，盾構機全部進入加固區域后的開挖速度應控制在5～10mm/min，只有在盾構機全部脫離加固區域后，才可以逐步增加推進速度到30mm/min。

2.1.4 刀盤扭矩

刀盤在穿越棚戶區時，扭矩應控制在2000KN/m。因為在相同的地質情況下，錐入度越大扭矩就越大，所以在錐入度、速度等掘進參數一定時，當扭矩出現明顯增大時，我們就要考慮到刀具磨損情況是否嚴重，如果刀具的磨損是直接造成扭矩明顯增大的原因，此時需關掉盾構機查看刀具磨損情況[3]。

2.2 盾體和土體間隙填充克泥效

2.2.1 調整最佳克泥效配比。

克泥效使用方法是將高濃度的泥水材料（克泥效水溶液，常用濃度為380～420KG/m3）與塑強調整劑（水玻璃40be）兩種液體分別通過配管壓送到盾體徑向孔處，再將該兩種液體以體積為20：1的比例混合，形成高黏度塑性具有支撐力擋水性膠體后，在盾構掘進過程時所引起的第三階段沉降，輔助第四階段沉降控制[2]。

2.2.2 選擇合適注入孔。盾構機開挖直徑為6.48m，盾尾直徑為6.39m。注入孔點位布置在前盾徑向孔處。按以往經驗，該尺寸盾構機在11點～1點區間任意一點注入均可保證上方2/3圓填充密度。

2.2.3 優化施工工藝。

盾構機在進入風險源前要在第十環前開始，通過從盾構機中間位置的徑向孔處同步注入克泥效溶液，及時填充盾構施工過程中超挖部分，具體施工過程中要根據盾構機上方地面的下沉量隨時進行調整。克泥效的注入點的位置是11點到1點鐘之間，由于克泥效有良好的流動性，小盾構可以只需要單點注入。在克泥效的注入過程中，也會向盾體周圍的地層中滲透一部分溶液，這樣就形成了泥膜，可以有效的減少同步注漿的漿液向土層中滲透量[4]。

2.3 同步注漿質量控制

2.3.1 注漿材料

同步注漿材料為水泥砂漿，此材料具有強度高、耐久性好、粘結力強和防水效果好等特點。

2.3.2 漿液配合比及主要物理力學指標

同步注漿材料應具有較好的流動性和抗水分散性。凝結時間長短應根據地質條件確定，并與掘進速度和注漿作業功效相適應，應根據現場試驗確定。終凝一般不超過6小時，使早期強度得到提高，以便注漿取得良好效果。注漿材料的1天強度應不小于0.2mPa，28天強度值應等于或大于1.0mPa。確定盾構機穿越棚戶區地段的同步注漿配合比。

2.3.3 注漿壓力

為確保能對環向空隙的進行充分的填充，不留空隙，同時又能保證管片結構不會因注漿壓力而產生變形和損壞，借鑒以往經驗，注漿壓力應設定為0.2～0.3MPa，再根據推進過程的實際情況不斷進行調整優化。

2.3.4 注漿量

盾構機開挖半徑與管片外徑之間形成3.57m3/環的空隙，參照以前施工的工藝參數，盾構穿越棚戶區地段同步注漿量填充系數應在150%～200%范圍內。還應同時考慮覆蓋土較淺，并且還有盾構機的上浮影響，這樣盾構機上部和底部注漿量都應按2:1控制。在進行曲線段施工時，曲線段內側的注漿量要小于外側的注漿量[3]。

2.3.5 注漿速度

在確定同步注漿速度時，應先確定與掘進速度相適應，且應按盾構機完成推進一環1.5m，正好是當環注漿同時完成來確定它的注漿速度。

2.3.6 注漿結束標準

通過采用注漿量和注漿壓力兩個指標來判斷注漿是否結束，當注漿量達到設計注漿量的80%以上同時注漿壓力達到設計壓力時結束注漿。

2.3.7 注漿混合料質量檢驗

檢驗數量：所有完成環同步砂漿進行檢測。

檢驗方法：檢查原材料質量檢驗報告、出廠合格證、檢測報告、計量方法和注漿記錄。

檢測儀器：漿液稠度用稠度儀檢測，漿液初凝時間及結石率用量筒檢驗。

2.3.8 同步注漿效果檢驗

注漿結束后，及時采用超聲波探測法和地質雷達法對注漿質量進行檢測，對不符合要求的部位，及時進行補充注漿。對于物探檢測異常部位，可采用鉆孔法來破檢進行驗證，鉆孔時要注意主筋位置，且鉆孔位置距離管片接縫的距離不應小于0.6m[4-5]。

3 監控量測措施

監測是能直接反映施工情況，也是隧道施工中對重要建筑物進行保護的重要手段。通過監控量測數據的反饋分析，可以判斷當前的施工方案是否可行，及時發現施工中存在的問題，并為采取有效的應對措施提供基本信息，指導工程安全順利完成。

應對地層表面建筑物進行加強監控量測工作。所以在盾構掘進過程中，應對受施工影響的地表建筑物實時沉降監測、傾斜監測、不均勻沉降監測和建筑物裂縫開展監測等，然后對監測數據進行匯總，根據匯總的數據進行分析，再根據分析結果，對建筑物的安全隱患進行風險評估，實行動態管理。還可以根據地面監控量測取得的數據來指導施工，隨時調整盾構掘進施工中所需的各項參數。同時在進行監測的情況下，也可以根據地表起伏狀況及時調整掘進速度和注漿壓力[5]。

在監控量測過程中，如發現數據異常，應立即停止施工，并對建筑物進行評估,如果評估存在不安全因素，這時要及時進行拆除。

3.1 盾構隧道掘進時監測內容

（1）地面沉降；（2）建（構）筑物沉降與傾斜；（3）建（構）筑物裂縫寬度；（4）建（構）筑物附近的既有管線監測；（5）盾構隧道的收斂、沉降等

3.2 監測頻率

表3.2-1 監測頻率

監測部位監測對象開挖面到監測點或監測斷面的距離檢測頻率

開挖面前方周圍土體和周邊環境 8D～5D 1次/3d

5D～3D 1次/2d

≤3D 1次/1d

開挖面后方管片結構、周圍地層和周邊環境 ≤3D 1-2次/1d

3D～8D 1次/1d

＞8D 1次/3～7d

注：D——盾構法隧道開挖直接；監測數據趨于穩定后，監測頻率為1～2次/月

4 結束語

本工程的施工原則為“精細化控制、平穩中推進、拼裝快速、禁止停機、一次通過”；主旨是嚴控地表沉降；宗旨是確保工程范圍內建（構）筑物安全。通過加強監測，嚴格控制土倉壓力、刀盤轉速、掘進速度等參數，重點采用克泥效工藝，并且把控同步注漿量，及時進行二次注漿，必要時采取地面加固措施，提前籌劃應急預案等措施達到既定目標。