盾構近距離穿越房屋群施工技術研究

梁景一，王 建

(1.中鐵隧道集團三處有限公司，廣東 深圳 518052；2.南昌大學 工程建設學院，江西 南昌 330031)

0 引言

南昌地鐵軌道交通4號線桃苑路站—繩金塔站區間隧道近距離下穿建筑物群，該區段所處地層為富水圓礫、粗砂、中風化泥質粉砂巖地層，如何將地面的沉降、建筑物群的沉降及傾斜控制在一定的安全范圍內是必須解決的重大技術和安全問題。

王謙等[1]通過對盾構近距離下穿建筑物進行數值模擬，指導施工保護了建筑物的完整性與安全性；魯茜茜等[2]對軟弱地層盾構隧道側穿房屋進行研究，得出了軟弱地層中盾構對周圍建筑物沉降的影響；丁智[3]對杭州地區的地鐵盾構進行分析，得出了杭州地區盾構對建筑物的變形作用影響；車風等[4]研究了盾構過程中對淺基礎的影響；胡斌[5]研究了工程建設過程中房屋的一般保護措施；葛世平等[6]通過研究上海地區的地鐵盾構，得到了地鐵施工過程中對房屋的沉降影響。

針對南昌地區地鐵盾構施工的研究很少，尤其是針對南昌地區地鐵盾構穿越建筑物群的研究更少。

本文以南昌地鐵軌道交通4號線壇子口站—繩金塔站區間隧道下穿建筑物群為例，分析該區間盾構近距離下穿建筑物群施工技術，為類似工程施工提供參考。

1 工程概況

南昌市軌道交通4號線一期工程五工區段桃苑站—繩金塔站區間位于南昌市西湖區，本區間出繩金塔站明挖區間后，沿金塔西街(美食街)向西，于海關橋南側下穿撫XK23+581.227，左線長鏈7.350 m，左線總長646.500 m；右線起終點里程為SK22+941.200～SK23+588.364，右線總長647.176 m。盾構段區間線路平面最小曲線半徑為325 m，線間距11.5～19.2 m。區間縱斷面最大縱坡為28%，采用“V”字坡。

桃苑站—繩金塔站采用土壓平衡盾構機，本工程刀盤采用四牛腿、四主梁+四副梁結構形式，刀盤開挖直徑6 280 mm。南昌4號線的管片形式是外徑6 000 mm、內徑5 400 mm地鐵管片的一種典型結構，采用錯縫拼裝的形式。

2 施工安全風險分析

2.1 工程地質風險

桃苑站—繩金塔站區間地層主要為人工填土、粉質黏土、淤泥質土、細砂、中砂、粗砂、礫砂、強風化泥質粉砂巖、中風化泥質粉砂巖、中風化鈣質泥巖(見圖1)。

圖1 桃苑站—繩金塔站區間地質及地下水位線斷面

盾構隧道洞身主要穿越地層為粗砂、礫砂、中風化泥質粉砂巖。粗砂分選性較差，級配良好，呈飽和、稍密-中密狀態；礫砂分選性較差，級配良好，呈飽和、中密狀態；中風化泥質粉砂巖遇水易軟化，巖體破碎。各土層的力學性質差距較大，不利于盾構機的施工。

2.2 與房屋特殊相對下穿位置風險

本區間沿繩金塔美食街敷設，下穿撫河中路及撫河向西前行，據統計下穿建筑物5棟，側穿12棟建筑物。臨近最近的金塔西街新建7#樓為地上2層框架結構，人工挖孔樁基礎(見圖2)，樁徑0.9～1.4 m，樁底標高11.55 m(樁頂標高21.55 m)。左線隧道下穿建筑，建筑物基礎底距離隧道最小垂直距離7.05 m(見圖3)。

圖2 建筑實景

圖3 金塔西街新建7#樓基礎與隧道位置關系

3 盾構下穿房屋建筑群的安全控制措施

3.1 盾構掘進參數的設定

根據區間工程巖土工程勘察報告提供的地質情況及隧道埋深等情況，進行理論計算切口平衡壓力。

正面平衡土壓力公式p=k0γh，其中：p為平衡壓力，γ為土體的平均重度，h為隧道埋深，k0為土的側向靜止平衡壓力系數[7]。隧道穿越礫砂層(根據巖土工程勘察報告)土容重約為20.5 kN/m3；地層靜止側壓力系數取值k0=0.38,h取20.5 m，土壓力p=k0γh=160 kPa。其他位置根據不同的埋深、水位另行計算，盡量減少土壓波動，減少對地層的擾動。

盾構在掘進施工中均參照以上方法來取得平衡壓力的設定值。具體施工設定值根據盾構埋深、所在位置的土層狀況以及監測數據進行不斷調整。正常推進時速度宜控制在3～4 cm/min。

3.2 渣土改良技術

在上軟下硬地層主要采用膨潤土和泡沫作為主要渣土改良劑，泡沫的支撐作用使開挖土的流動性提高，土壓室內泥土不會產生擁堵，刀盤及螺旋輸送機的驅動扭矩減小，刀具磨損減小，從而有利于盾構機掘進。泡沫原液比例為每環注入量約70～100 L，每環膨潤土為5～6 m3，根據渣土情況調整注入量，使渣土保持良好的和易性，便于出渣，掘進過程中當出現噴涌現象時，采用聚合物進行改良。

本文進行了不同膨潤土配比及泡沫配比試驗，共9組，礫砂層改良試驗結果如圖4所示。

圖4 礫砂層改良試驗結果

從圖4可以看出：當泡沫比一定時，塌落度和膨潤土配比呈反比；當膨潤土配比一定時，塌落度與泡沫配比呈反比。

第2組、第5組和第7組膨潤土和泡沫比分別為1∶8，0.2∶10；1∶8，0.4∶10和1∶10，0.6∶10，根據現場試驗結果來看第2組、第5組和第7組塌落度分別為19 mm，18 mm和19 mm，且流塑性較好，可以用于指導本工程區間渣土改良。

從經濟性看，數據上直接觀察出第2組的經濟性優于第5組。對第2組與第7組，每環管片可出土量為74 308 kg，按照第2組渣土改良配比，每環膨潤土應耗量為660.52 kg、泡沫劑應耗量為14.86 kg；按照第7組渣土改良配比，每環膨潤土應耗量為540.42 kg,泡沫劑應耗量為44.58 kg。根據廠家提供的膨潤土和泡沫劑單價，分別計算第2組和第7組需用膨潤土和泡沫劑費用為627.32和743.32元，因此，第2組的經濟性優于第7組。

綜上所述，第2組試驗可以用于指導本工程區間渣土改良，即渣土、膨潤土溶液和泡沫劑溶液質量比為10∶0.8∶0.1，膨潤土和泡沫比分別為1∶8，0.2∶10。

盾構前還進行了中風化泥質粉砂巖層改良試驗。根據現場試驗確定渣土改良中風化泥質粉砂巖和泡沫劑溶液質量比為10∶1。改良后的渣土塌落度和流塑性整體效果較好，塌落度在18 mm，盾構渣土改良可選取泡沫混合液為0.2∶10的溶液，渣土與混合液質量比可取1∶10。每環所需泡沫劑用量為148.616 kg，需用費用為1 055.17元。

3.3 姿態控制

在實際施工中，盾構機推進方向可能會偏離設計軸線并超過管理警戒值；在穩定地層中掘進，因地層提供的滾動阻力小，可能會產生盾體滾動偏差；在線路變坡段或急彎段掘進，有可能產生較大的偏差。因此，應及時調整盾構機姿態、糾正偏差。

根據以往盾構施工經驗，結合本區間的具體情況，采取以下方法控制盾構掘進方向。

(1)采用自動測量系統和人工測量輔助進行盾構姿態監測。

(2)采用分區操作盾構機推進油缸控制盾構掘進方向。

(3)當滾動超限時，盾構機會自動報警，此時應采用盾構刀盤反轉的方法糾正滾動偏差。

(4)利用管片安裝調整盾構姿態。

3.4 同步注漿技術

3.4.1 同步注漿

采用水泥砂漿同步注漿。同步注漿一般與盾構掘進同時進行，通過同步注漿系統及盾尾的內置4根注漿管，在盾構向前推進盾尾空隙形成的同時進行，采用雙泵四管路(四注入點)對稱同時注漿，同步注漿如圖5所示，漿液配合比如表1所示。

圖5 同步注漿

表1 同步注漿漿液配合比 單位：kg

砂層、巖層及上軟下硬注漿壓力控制在200～400 kPa。為有效控制注漿量及注漿壓通過管片吊裝孔注漿，注漿前，先加工注漿管。注漿管一端采用與管片吊裝孔同徑的鋼管，一端采用Φ25鍍鋅鋼管,不同直徑鋼管連接時,采用變截面接頭連接。

3.4.2 拌制漿液

二次注漿漿液采用單液漿,水泥漿漿拌桶攪拌。水泥通過渣車運至施工位置，現場攪拌?，F場根據隧道沉降數據采取合理的配合比，配合比由試驗室調配。

3.4.3 二次注漿

二次注漿采用自備的KBY-50/70雙液注漿泵，注漿壓力控制在0.20～0.35 MPa。二次注漿量以壓力控制，達到設計注漿壓力則結束注漿，視注漿效果可再次進行注漿。二次注漿漿液配合比如表2所示。

表2 二次注漿漿液配合比

4 施工監測

4.1 監測報警值

(1)地表沉降、隆起最大允許值:沉降≤-30 mm, 隆起≤10 mm，且土層損失率不得超過5%。

(2)盾構施工期間,穿越區域內框架結構、樁基礎最大傾斜度不大于0.002；對穿越區域內淺基礎多層和高層建筑物基礎的斜度不大于0.004。

4.2 監測點位布置圖

該盾構區間穿越建筑物的一段監測點位平面示意圖如圖6所示，建筑物1為2層建筑，建筑物2為4層建筑，建筑物3為2層建筑，建筑物4為11層建筑，建筑物5為6層建筑。

圖6 監測點位布置

4.3 監測結果

地表沉降的監測結果為：監測點A的沉降-1.32 mm，監測點B的沉降為-2.46 mm，監測點C的沉降為-2.02 mm，可以看出，越靠近隧道地表沉降越大。

房屋沉降監測結果如表3所示，可以看出，同一棟房子離隧道越遠處沉降越小，同一水平位置的不同房屋由于自身情況不同，沉降也不同；離隧道越遠處地表沉降越小，由于該隧道為先進行右線施工再進行左線施工，所以在隧道左線附近地表沉降最大。實際監測所得到的結果均符合規范要求，證明該施工技術是可行的，有利于地鐵盾構施工。

表3 房屋沉降監測

5 結語

本文通過綜合分析本項工程的地質風險、環境風險，采用適合配合比的渣土改良技術，即渣土、膨潤土溶液和泡沫劑溶液質量比為10∶0.8∶0.1，膨潤土和泡沫比分別為1∶8，0.2∶10；控制推進速度在3～4 cm/min；采用合適的報警值進行姿態控制；同步注漿等施工技術有效地控制了地表沉降。

施工過程中未出現風險，保證了施工的安全并且未對周邊建筑物造成損害，可為未來南昌地區的地鐵建設施工提供借鑒方案。