盾构长距离穿越民房沉降控制措施
摘 要：以北京地铁 15 号线一期工程 03 标段崔各庄—马泉营站盾构区间为例，论述了盾构长距离穿越民房的控制措施，使盾构机在黏土、粉土、粉细砂及粉质黏土层中顺利穿越了 770 m 民房区域，将地面沉降控制在 10 mm 以内，并创造了单线月掘进1 047 m 的记录。
关键词：隧道；盾构；长距离；穿越；控制
1 工程概况
北京地铁15 号线一期工程 03 标段崔各庄—马泉营站隧道区间起点为来广营东路上的崔各庄站，隧道出崔各庄站后继续向北延伸，下穿大片民房后，右线以R=400 m 半径转入香江北路向东延伸，至马泉营西路路口设马泉营站。区间采用盾构法施工，内径 5.4 m，外径6.14 m。
1. 1 工程地质与水文地质条件
1. 1. 1 工程地质概况
该工程所在的土层，自地表以下依次为人工填土层、第四纪全新世冲洪积层、第四纪晚更新世冲洪积层。区间隧道主要穿越黏土、粉土、粉细砂及粉质黏土层。
1. 1. 2 水文地质概况
①上层滞水（一）：水位标高 28.45～35.75 m，水位埋深为0.7～7.60 m，含水层为粉土填土①层 ，粉土层③层，补给来源为大气降水、农田灌溉及侧向径流补给，以蒸发、侧向径流、向下越流补给的方式排泄。
②潜水（二）：水位标高 19.33～22.95 m，水位埋深为13.00～17.10 m，含水层为粉细砂④3 层，粉土④2 层，主要接受侧向径流及越流补给，以侧向径流、向下越流方式排泄。
③承压水（四）：水位标高 9.95～14.20 m，水位埋深为22.10～26.00 m，含水层为中粗砂⑦1 层，粉细砂⑦2 层，主要接受侧向径流及越流补给，以侧向径流、向下越流方式排泄。
1. 2 民房情况
在桩号K20+235—K21+005 范围， 盾构双线下穿民房，穿越长度为 770 m。 在盾构施工影响的范围内包括崔各庄村民房（多为 1 层、2 层）、温榆河双语实验学校、新建高压线塔等。
根据对现况民房的调查，现况崔各庄村 1～2 层民房多建于20 世纪八九十年代 ，主要为石灰土砖砌结构，基础埋深不超过 0.5 m，抗变形和差异沉降能力很差，一般情况下地表差异沉降超过 10 mm 房屋会发生开裂变形。部分盾构穿越区域原为排水明沟，当地居民对排水明沟回填后建房。 盾构穿越前房屋已经开裂严重， 经北京市房屋安全鉴定总站鉴定存在局部危房，这给盾构施工造成困难。
2 盾构接近施工控制措施
2. 1 严格管理制度，做好详细的技术交底
在穿越民房区之前严格施工生产管理制度，精心准备，精心施工，做到详细的技术、安全交底，施工现场有关人员围绕穿越民房区施工开展服务工作，确保穿越施工安全、顺利，保质保量。
2. 2 严格保证施工的连续性
为穿越民房区做好各项保障工作，其中物质保障包括：管片储备与供应，注浆材料水泥、粉煤灰、水玻璃、膨润土、发泡剂以及道轨、枕木等的进场检验与储备；设备保障包括：确保盾构设备本身的良好状态，施工现场的龙门吊、电瓶车、充电机等设备的完好与良好的工作状态，电闸箱等供电设施的安全与稳定。 严格保证穿越民房区施工的匀速、连续性，确保在民房区附近不停机。
2. 3 严格控制掘进土压力
该工程民房区段盾构隧道覆土深度为11～14.5 m，正常情况下盾构掘进时控制土压为90～110 kPa。 土压升高或降低对地面建筑物都是不利的，容易造成地面的隆起和沉降，所以，在掘进过程中要严格保持掘进面的土压稳定。 一般在穿越民房区段控制掘进土压为100～130 kPa，便能保证土仓内的土压力和控制盾构掘进开挖引起的沉降。
2. 4 严格控制出土量
根据设计图纸，盾构每环的掘进长度为 1.2 m，每环的原状土计算量为35 m3。根据以往施工经验和该段的土质情况，按扩大 1.25 倍计算，即每环需运输土方量为43.75 m3。 在每个土斗上标注刻度，使每环的出土量均在规定的范围内，严禁控制多出土。
2. 5 加强注浆工作
2. 5. 1 严格控制盾尾同步注浆
该工程盾构施工同步注浆材料采用AB 液双液注浆，其中 A 液为水泥浆，B 液为改性水玻璃双液浆，浆液凝固时间为15～25 s，可以最大程度减少由于浆液凝固时间造成的沉降和浆液损失。 在民房区段同步注浆采用双控措施，以注浆压力控制为主 ，注浆量控制为辅，确保浆液饱满。 同步注浆量为 1 400～1 800 L，注浆压力为0.3～0.5 MPa。 为确保盾尾密封良好，保证同步注浆效果，盾尾密封油脂加入量增加 2 倍，保证不漏水，不漏浆。
双液注浆的防堵措施有：
1）盾构机具有 2 套输送浆液的管路，平时只需要1 套，另 1 套留做备用。
2）开始注浆时，要先注 A 液，当注入量达到 150 L时再开始注入B 液。
3）在停止注浆时，要先停 B 液 ，待 A 液继续注入150 L 时再停止 A 液。
4）每次注浆完毕 ，都要对管路进行冲洗 ，冲洗包括混合管、A液注入管、回水管。作业队交接班前要对管路进行彻底冲洗。
2. 5. 2 严格控制二次补注浆
为保证沉降控制效果，在民房区段加强补浆，对已完成结构外侧进行二次补注浆，以控制地面的后期沉降。 二次补注浆采用后方注浆方式，即在后几环注浆孔进行壁后注浆，注浆量同样以注浆压力控制为主。 补注浆量为800～1 000 L。
2. 6 严格控制盾构掘进轴线
盾构轴线的控制是盾构工法的重点，是保证盾构顺利施工的重要因素。 掘进时必须注意以下几点：
1）控制好掘进的技术参数，如土压、推速等。 当土压过低时，不仅容易造成地层的沉降，而且对盾构轴线的控制也有影响，容易造成盾构下沉；注浆压力过大，会对地层的扰动较大，也会使盾构向注浆位置的反方向移动，不利于盾构的轴线控制。
2）正确进行盾构千斤顶的编组及分区油压的控制，针对各种不同的盾构轴线位置，详细列出千斤顶编组及分区油压控制对盾构轴线控制的作用，保证盾构轴线的设计轨迹。
3）合理使用盾构的铰接装置，当盾构偏离隧道设计轴线较多、盾构进行小半径曲线施工或者盾构姿态极差时，通过调整千斤顶的选择与编组以及分区油压控制都较难以达到目的时，可通过开启盾构铰接装置进行调整。 具体的操作为：根据盾构的偏离程度计算盾构中折每一步的转折角度，先开启盾构的仿形刀进行超挖施工，超挖的长度一般为 0.5～1 个盾构机身长度，然后根据计算值调整盾构的中折装置，再辅以千斤顶编组及分区油压控制，进行掘进施工，直到盾构回到设计轴线上来。
2. 7 严格管片拼装质量控制
管片拼装质量直接影响盾构的施工进度、质量，必须注意以下几点：
1）合理使用管片，管片拼装手必须熟悉各种管片特征；
2）做好管片的运输、保存。
2. 8 做好人员准备
在民房区段，要选择最优秀的设备操作手，包括盾构司机、设备的维修与保养人员、管片拼装手等，在人员素质上保证盾构穿越的顺利实施。 施工中要进行详细技术交底，并做好推进记录、注浆记录、拼装记录、设备状况记录等。
2. 9 加强监测工作
对居民区房屋及地面沉降等部位的监测，是该段监测的重点。施工前，对一些特殊构筑物均进行系统调查，制定专门的施工监测方案，建立完善的监测网络，确保监测成果的准确及高效。
2. 9. 1 监测布点
用冲击钻在建筑物的基础或墙上钻孔，然后放入长200～300 mm，直径 20～30 mm 的半圆头弯曲钢筋，四周用水泥砂浆填实（见图 1）。 测点的埋设高度应方便观测，对测点应采取保护措施，避免在施工过程中受到破坏。
2. 9. 2 测量方法
使用全站仪，棱镜、精密水准仪，采用精密水准测量的方法，对地面监测点进行观测。 执行 GB 50308-2008《城市轨道交通工程测量规范 》Ⅲ等变形测量的精度要求[1]，监测主要技术指标见表1。
地面变形监测时，基点和附近水准点联测取得初始高程。 观测时对各项限差严格控制，每个测点读数高差不超过0.3 mm，对不在水准路线上的观测点，1 个测站监测点不超过3 个，超过时，应重读后视点读数，以作核对。 首次观测时对测点进行连续 2 次观测，2 次高程之差小于1.0 mm 时，取平均值作为初始值。
开挖面距离量测面0～2D 时，2 次/d；开挖面距离量测面2～3D 时，1 次/d；开挖面距离量测面 3～5D 时，1 次/2 d，开挖面距离量测面>5D 时，1 次/7 d。 （D 为覆土厚度）。
2. 9. 3 沉降计算与数据处理
在条件许可的情况下，尽可能地布设高程网，以便进行平差处理，提高观测精度。按照测站进行平差，求得各点高程。施工前，由基点通过水准测量测出沉降观测点的初始高程H0，在施工过程中测出的高程为 Hn。则高差△H＝Hn－ H0即为沉降值。
对沉降观测数据进行如下处理：绘制时间-位移曲线散点图，当时间-位移曲线趋于平缓时，可选取合适的函数进行回归分析，预测最大沉降量。 对倾斜观测数据进行如下处理：建立倾斜观测数据库，及时将测量数据输入数据库，并进行数据回归分析处理，绘制时间-倾斜量变化曲线图。
设专人负责监控量测及数据处理，如果监测过程中发现时间-倾斜量变化曲线及时间-位移曲线出现异常时，必须增加监测频率，分析原因，及时将信息反馈给施工人员，以采取必要措施，确保民房安全。
2. 10 制定安全应急预案，加强对风险源监控
项目部成立穿越民房应急预案领导小组，建立现场值班制度，值班人员负责及时处理、上报突发险情，确保盾构平稳、顺利通过崔各庄民房区。
结合盾构施工特点，对穿越民房过程中可能发生的施工风险点进行分析，有针对性地制定应急预案。
2. 10. 1 盾构穿越过程中突然停电
1）可能原因
①供电局在该地区停电检修；
②附近电网遭到破坏；
③盾构设备本身供电设备损坏。
2）产生的不利影响
盾构较长时间停机，盾构刀盘前土压易损失，引起地面较大沉降。
3）应急措施
①启用盾构本身具备的应急照明设备（自动）；
②利用盾构出土阀门储备的能量关闭出土口；
③关闭盾构顶镐的回油阀（自动）；
④利用千斤顶顶紧盾构顶镐和盾尾管片，确保前方土仓压力。
2. 10. 2 地面建筑物沉降或隆起超标
1）可能原因
①盾构掘进控制土压过低或过高；
②同步注浆、二次补浆不饱满；
③出土量过多；
④地面建筑物下部存在空洞。
2）产生的不利影响
地面建筑物沉降量超过预计值，造成地面建筑物的结构变形较大，可能影响地面建筑物的使用性能。
3）应急措施
地面建筑物沉降或隆起超标，达到预警值、报警值或导致地面民房裂缝严重时，要立即启动应急预 案，判明险情，及时报告相关单位，并区别情况采取不同的应急措施。
①地面建筑物沉降（隆起）达到预警值
a.严密、连续监测地面建筑物变化，请专家判断地面建筑物沉降变化趋势；
b.请专业建筑物评估单位确定地面建筑物沉降对使用性能的影响；召开专家会，决定是否对地面建筑物进行加固；
c.调集抢险物资和设备，运送到险情现场，组织抢险队到达现场；
d.确定下一步方案。
②地面建筑物沉降（隆起）达到报警值
a.严密、连续监测地面建筑物变化，请专家判断地面建筑物沉降变化趋势；
b.马上确定抢险方案，并调集抢险队伍及抢险物资，同时向上级部门反映情况，组织抢险队到达现场；
c.召开专家论证会，确定下一步方案。
③地面建筑物沉降（隆起）导致地面民房裂缝严重
a.一经发现险情，立即疏散房屋住户至附近宾馆住宿，尽力抢救住户财产；
b.马上确定抢险方案，并调集抢险队伍及抢险物资，同时向上级部门反映情况，组织抢险队到达现场；
c.召开专家论证会，确定下一步方案。
3 结语
由于采取上述措施，盾构长距离穿越民房施工进展顺利，未发生民房基础及承重梁、承重墙开裂现象，地表沉降也控制在10 mm 以内。
盾构左线自2009 年 8 月 20 日始发，2009 年 10 月20 日至崔各庄村北侧开始穿越，于 2009 年 11 月 20 日抵达崔各庄站；盾构右线自2009 年 9 月 7 日始发 ，2009 年 11 月 20 日至崔各庄村北侧开始穿越 ， 于2009 年 12 月 22 日抵达崔各庄站。 该工程不仅安全、优质、高效、迅速完成长距 离盾构穿越，并且创造了单线月掘进1 047 m 的记录。
参考文献：
[1] 北京城建勘测设计研究院有限责任公司． GB 50308-2008 城市轨道交通工程测量规范[S]． 北京 ：中国建筑工业出版社 ，2008．
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