大直徑盾構連續側穿多種建筑物安全施工控制技術研究

姬澤斌 JI Ze-bin

（中鐵十二局集團第二工程有限公司，太原 030032）

0 引言

目前隨著城市建設的不斷發展，地下空間不斷開發利用，各類大型工程不斷涌現，采用的施工工藝也日新月異[1]。盾構法因其安全性高、施工速度快、對周邊影響小等優點，越來越多的在城市隧道施工中采用[2]。一些大城市近年來拓展了城際列車交通系統，因在市區內施工，又隧道斷面尺寸較大，因此安全風險較高[3]。如何能快速有效、安全穩定的推進大直徑盾構施工，而又不影響周邊建筑物沉降變形，值得我們深入的研究[4]。

針對以上問題，近年來眾多學者進行了探索研究，南華大學博士吳志強進行了水下大直徑淺埋盾構隧道施工風險分析與控制研究[5]。廣東工業大學張世健研究了上軟下硬地層大直徑盾構下穿密集房屋群沉降影響[6]。北京交通大學黃樹爐針對砂卵石地層，分析了淺埋暗挖隧道近橋樁施工注漿加固技術[7]。李振武研究了軟土地質大直徑泥水盾構施工引起地面沉降變化[8]。為確保盾構掘進過程中沿線建筑物的安全，我們需進一步研發一種大直徑盾構連續側穿多種建筑物安全施工控制技術[9]。

1 工程

1.1 工程背景

京津城際延伸線解放路盾構隧道位于天津市塘沽區中心城區，隧道長2248m，最小覆土約7.5m，最大覆土約為15.6m，最大縱坡20‰，最小為1‰，采用1 臺直徑為12m 的泥水平衡盾構機施工。工程所處地區為沖海積平原，地層以淤泥質黏土、淤泥質粉質黏土為主，土質不勻，成分復雜，土體靈敏度高、強度低，極易發生蠕動和擾動。

盾構隧道連續側穿解放路商業街23 棟各式商業建筑，經評定，極高風險點8 處，高度風險點4 處，中度風險點11 處，需采取加固措施進行保護的風險點建筑物共計19 處，有18 處管線需進行加固處理。經清華大學評估，大部分建筑物的再允許沉降值為20～30mm，再允許差異沉降值為3～6mm。經過試掘進，盾構通過時地表沉降可控制在10mm 以內，但工后沉降量最大可達到50mm，沉降槽寬度約2.5～3.5 倍洞徑，沉降穩定期約為90d，因此，工后沉降對建筑物安全影響較大。掘進期間如何準確控制地面隆沉，確保各建筑物的安全是工程的技術難點。

1.2 技術提出

采取安全控制技術的前提是允許建筑物變形，但必須控制變形量在評估允許范圍內。可通過采取地面預注漿加固措施，將隧道與隧道隔離，在盾構通過期間，可延緩隧道測土體變形對建筑物的影響。通過對掘進參數的調整和控制，在盾構機穿越建筑時，最大限度地減少對土體的擾動，維持地層原有的穩定性。通過實施地面預注漿加固和掘進參數控制，建筑物從開始變形到變形量超出允許值的過程減緩，為后期實施洞內深孔注漿補償地層損失提供了充足的時間。通過在成型隧道內實施深孔注漿，補償地層損失，可有效解決盾構機穿越建筑物后的工后沉降問題[10]。

圖1 為盾構側穿建筑物安全施工控制技術工藝流程圖。

圖1 工藝流程圖

通過建模分析不同的地層和隧道埋深，盾構掘進對土體的沉降變形曲線，用以指導施工。研究發現：盾構掘進時沉降最大值基本上發生在隧道中心線對應的位置，越鄰近隧道開挖處沉降值越大，在遠處沉降值越來越小，隧道中心處沉降變化迅速，梯度較大。地層沉降具有空間效應的同時還表現為時間效應。隧道的最大主應力發生管片退出盾尾的拱頂位置，并隨著盾構的不斷推進，隧道襯砌的最大主應力逐漸減小。

1.3 技術實施

1.3.1地面預加固技術

根據隧道埋深及沿線工程地質，結合工程措施的可操作性，對隧道沿線風險點采取地面隔離注漿加固地層，延緩建筑物變形。根據盾構線路，在盾構將要穿越的房屋基礎周邊進行注漿孔的打設，為了防止打設過程中破壞房屋基礎，孔位選擇在距離房屋墻腳2m 以外。為保證注漿效果和注漿的時效性，孔位選擇在線路軸心9m 左右的范圍。孔與孔之間的間距為3m，孔位深度至隧道頂1～2m，以保證漿液能夠完全填充至房屋基礎下方，注漿孔采用地質鉆機進行打設。圖2 為注漿管布置圖。

圖2 注漿管布置

1.3.2雙模式盾構掘進技術

一般情況下的土壓設定為避免盾構掘進時刀盤扭矩過大，減小對地層的擾動，采用適當的欠壓掘進。每環進行前半環掘進時，由于土倉內土體較為松散、和易性和流動性較好，刀盤扭矩相對較低，掘進速度相對較快，為防止地面沉降可將土壓適當提高至0.4bar。在進行后半環掘進時，卵石破碎率較高、粒徑較大，渣土和易性和流動性較差，為防止刀盤扭矩過大造成自動保護停機和地面的沉降，應適當降低土壓至0.3bar。

在過房屋時，因為地面存在外加載荷，因此，需要保持土壓平衡的模式通過。為平衡地面的外加荷載，將土倉壓力提高至0.5～0.6bar，在通過自身抗壓強度較小的建筑物時將土倉壓力提高至0.7bar。

1.3.3三步式洞內注漿技術

在盾構機推進過程中，保持一定壓力不間斷地從盾尾直接向管片壁后注漿，當盾構機推進結束時，依據注漿量和注漿壓力的情況選擇是否停止注漿。注漿過程注漿量的控制是重點，通過計算實際出土量，從而把握加固漿液實際需要的充填量，保證土體充填密實，防止地面塌方的出現。注漿原理圖見圖3。

圖3 注漿原理示意圖

在管片增設5 個注漿孔，利用注漿孔（包括吊裝孔）打設注漿管注漿，保證洞內加固的效果，見圖4、圖5。

圖4 盾構隧道洞內增設預留注漿孔布置

圖5 盾構隧道洞內增設預留注漿孔平面布置

當盾構正常掘進時，根據出渣量、同步注漿量等數據分析，對于未閉合的每環均進行二次注漿。在連接橋處搭設平臺已拼裝管片后15～20m 進行跟進式二次注漿，阻止盾尾來水。當盾構側穿建（構）筑物出現大的超挖量時，在連接橋處搭設平臺在已拼裝管片后6 環進行注漿，防止建筑物下沉或地面塌陷，還可以起封堵作用防止后面的二次注漿漿液擠入盾尾。圖3 為注漿原理示意圖，圖6 為二次注漿示意圖。

圖6 二次注漿示意圖

1.3.4二次補注漿技術

對建（構）筑物、超挖點及地面跟蹤注漿難以到達的地方進行二次補注漿，尤其是地面監控量測仍顯示沉降的地方。由于之前的同步注漿及跟進式二次注漿，在漿液擴散范圍內砂石被膠結，在隧道輪廓線外圍形成一層硬殼，經過多次鉆孔確定在隧道上方有約2.5m 厚的硬殼層，因此二次補注漿應采取深孔注漿。

對建（構）筑物進行二次補注漿，應根據地面監測從建（構）筑物沉降量大的一側向沉降量小的一側開始注漿，實施施工一環跳一環的跳環形式施工，每環施工1 個孔，選擇管片上方120°范圍以內的孔位進行交叉注漿。隨時根據地面監測調整注漿壓力與注漿量，防止建（構）筑物因注漿抬高量過大。

1.3.5地面跟蹤注漿

對照盾構的出渣記錄和地面監測數據，對存在超方量的房屋基礎和出現大于8mm 的沉降且仍有沉降趨勢的房屋（構筑物）附近，通過前期的預注漿孔進行地面跟蹤注漿。地面跟蹤注漿采用水泥水玻璃雙液漿，因雙液漿凝固快、強度上升也快，為防止漿液包裹盾體，同時為了保證跟蹤注漿的時效性，注漿時機一般選擇在距離盾體8m 的位置。

1.4 質量控制措施

各種機電機械應安裝安全防護罩、電機防漏電、觸電，加強機電設備維修和運轉中的保養，確保機械的完好性。施工過程中，要加強統一指揮，集中精力，發生異常現象要組織全力及時排除。施工區域內材料、設備要堆放整齊，保證隧道內的運輸道路暢通。注漿過程中若要維修注漿泵、疏通漿管，都要先卸去注漿管道內的壓力。水泥等粉細散裝材料，采取封閉存放或嚴密遮蓋，減少揚塵。施工后的廢料采用容器吊運，不得隨意拋撒。建立并執行施工現場環境保護管理檢查制度。

1.5 沉降變形監測

建筑物沉降觀測點使用強力膠將預制好的監測點粘結在建筑物上。臨時水平基點用?22 的螺紋鋼埋入地面以下30cm，地面以上10cm 用水泥砂漿澆筑，加保護蓋，并用紅色油漆標記。建筑物傾斜采用差異沉降值進行計算。建筑物沉降數據采用公式進行處理：

Δhi=（fi-f0）-（f1-f0）

其中，Δhi 為該測點第i 次測量時的沉降值；fi 為該測點第i 次測量時的讀數；f0 為基準點的讀數；f1 為該測點的初始讀數。

在上述沉降值計算的基礎上，通過各測點沉降值轉化為各測點的測點沉降值變化圖，可直觀的反映出測點的變化趨勢。

建筑物傾斜數據采用公式進行處理：

其中，I 為該建筑物在測點i 與i-1 所決定的建筑物平面的傾斜度；hi，hi-1 為第i 點與i-1 點的沉降值；D 為i與i-1 兩點之間的直線空間距離。

2 價值效果

2.1 沉降變形

經評定，鄰近隧道的大部分建筑物的再允許沉降值為20～30mm，再允許差異沉降值為3～6mm。經過試驗，盾構通過時地表沉降可控制在10mm 以內，但工后沉降量最大可達到40mm，穩定期約為90d。盾構通過期間，地表隆沉約+10mm～-15mm，建筑物差異沉降約1.5～2.5mm。通過采用該安全施工控制技術及時實施深孔注漿，地表最終沉降最大19.5mm，鄰近的建筑物最終差異沉降最大2.9mm，盾構安全穿越了商業街所有建筑群，且未對地表環境造成任何影響。

2.2 經濟社會效益

京津城際延伸線盾構隧道位于塘沽區繁華地段，沿線極高風險點8 處，高度風險點4 處，中度風險點11 處，需采取加固措施進行保護的風險點建筑物共計19 處，有18處管線需進行加固處理。若由于盾構施工引起沿線建筑物開裂、傾斜、坍塌等事故，所造成的經濟損失是不可預估的，本控制技術的成功應用避免了因事故而產生的一系列費用。該安全控制技術對建筑物的安全施工控制效果明顯，使盾構施工造成的地層沉降得到了最大限度的降低，避免了由于地層沉降造成建筑物開裂、傾斜、坍塌等不良社會影響，社會效益十分顯著。

3 結語

通過應用“大直徑盾構連續側穿多種建筑物安全施工控制技術”，確保了盾構隧道施工期間上方相鄰建筑物的安全，地表最終沉降最大18.8mm，鄰近的建筑物最終差異沉降最大2.3mm，盾構安全穿越了所有風險點，且未對地表環境造成任何影響。安全施工控制技術提高了管片的拼裝質量，減少了隧道內的滲漏水現象的發生，保證了隧道施工質量。技術成本較低約為傳統保護方法的1/3～1/2，且對環境影響小，施工期間基本無廢水排放，噪聲小。另外與傳統保護方法比較，對商業活動影響輕微。安全施工控制技術的實施確保了施工安全和周邊建筑物安全，能有效控制地面沉降和土體沉降，從而有效控制建筑物變形，可廣泛應用于埋深小于35m 的城市內施工的直徑大于6m 的盾構隧道工程。