盾构在不良地层中穿越别墅区施工技术
摘 要: 在轨道交通建设中，盾构工法由于其优越性在国内的应用越来越多。伴随地铁建设的沿线开发的增多，穿越障碍物或近距离通过既有建( 构) 筑物的情况也越来越多。但是，对于盾构施工过程中穿越障碍物或近距离通过既有建( 构) 筑物的施工，经验相对也较少。针对盾构在上软下硬地层中穿越别墅区施工进行分析研究，提出具体的施工应对措施和施工方案，为类似工程施工积累经验。
关键词: 地铁隧道; 盾构施工; 风险分析; 既有建筑保护
1 工程概述
1. 1 工程概况
某工程区间盾构隧道，盾构下行穿过碧涛苑别墅区、怡景阁、工业二路、沿太子路接暗挖区间。线路左线里程 ZDK2 + 788. 7 ～ ZDK3 + 235. 35，全长439 m; 右线里程 YDK2 + 798. 0 ～ YDK3 + 235. 35，全长 437 m。左线在 ZDK2 + 992 ～ ZDK3 + 075( 长约 83 m) 和右线在 YDK3 + 018 ～ YDK3 + 110( 长约92 m) 范围内，隧道下行穿过碧涛苑别墅区; 左线在ZDK3 + 135 ～ ZDK3 + 161 ( 长约 26 m ) 和右线隧道在 YDK3 + 140 ～ YDK3 + 158( 长约 18 m) 范围内，下行穿过怡景阁公寓楼。隧道与建筑物平面关系见图1，隧道与建筑物纵剖面关系见图 2、图 3。
1. 2 工程地质情况
依据线址区已有地址资料，结合本区间场地的工程地质特征及工程特性，地层岩性为: 覆土表层为人工填筑的 ( Qml) 素填土 ( 填 石) 、填砂，厚度 约4. 4 ～ 5. 1 m; 其下为第四系全新统海积层 ( Q4m) 淤泥质黏土、粗砂( 含淤泥) 、冲洪积( Q4al + pl) 黏土、圆砾，厚度 约 4. 3 ～ 8. 5m; 第四系上更新统冲洪积( Q3al + pl) 黏土、淤泥质黏土、砾砂，中更新统残积( Qel) 砾( 砂) 质黏土，厚度约 1. 4 ～ 10. 2 m; 下伏基岩为燕山晚期粗粒花岗岩( γ53)。
盾构机施工区域上层覆土深度约 7. 2 ～ 8. 2 m，过别墅区段前 60 m 范围内，隧道全断面为⑧3砾质黏土，上覆土层主要为 ①1素填土和 ⑤2圆砾。后80 m范围内，隧道断面内上半部分为 ⑧3砾质黏土，下半部分主要为⑨1全风化花岗岩、⑨2强风化花岗岩和⑨3中风化花岗岩，局部可能存有⑨4微风化花岗岩，上覆土层主要为①1素填土和⑤2圆砾。地质情况见图 2、图 3。
1. 3 水文地质情况
场地内地下水主要有两种类型: 一是松散土层孔隙潜水，二是基岩裂隙水。孔隙水主要赋存在第四系全新统粗砂( 含淤泥) 、圆砾，上更新统砾砂层中，此外黏性土、残积砾( 砂) 质黏土、全风化岩也赋存。上述各砂层之间一般无连续的隔水层。基岩裂隙水主要赋存在基岩强风化层 ～ 中等风化岩的裂隙中，其上覆残积砾质黏土和全风化岩，二者渗透性相近。本次勘察期间，滨海砂堤地貌单元，地下水位埋深 1. 5 ～ 2. 6 m，水位高程 － 1. 52 ～ 1. 81 m; 低丘地貌单 元，地下水位埋深 6. 7 ～ 8. 5 m，水位高程14. 94 ～ 23. 86 m。
2 地面建筑物状况及周边环境
通过调查建筑物设计资料，地面建筑物建成于20 世纪 80 年代。位于线路上方碧涛苑别墅建筑为2 ～ 3 层钢筋混凝土框架结构，基础类型为浆砌块石 + 钢筋混凝土条形扩大基础，基础埋深在地面下2 m，其建筑物承重墙、柱均在原地表天然砂层上。位于线路上方怡景阁公寓楼建筑为 6 层钢筋混凝土框架结构，基础类型为毛石混凝土 + 钢筋混凝土扩大基础，基础埋深在地面下2 m，其建筑物的承重墙、柱均在原地表天然砂层上。
根据市政管网，碧涛苑别墅区和怡景阁公寓楼周围分布有小型雨水、污水管道、电力、电信管线［7］，无市政主电力、电信管线和污水、雨水管道。
3 风险分析及应对措施
3. 1 泥饼成因及防治措施
3. 1. 1 风险分析
盾构机过别墅区和怡景阁段，洞身主要处于砾质黏性土中，局部有下伏基岩。地面建筑物密集，为防止地面沉降，盾构机在土压平衡掘进过程中设定较高的出土压力; 上软下硬段掘进缓慢，盾构机产生高温高热。上述原因导致盾构机产生泥饼后，将引起地面沉降、隆起、塌陷等工程事故。
3. 1. 2 防治措施
在易结泥饼的地层中掘进时，应考虑采取以下措施［1 － 2］: 1) 根据地质条件，有针对性的向密封土舱和刀盘面板适量加注高质量的泡沫或聚合物或膨润土或其中 2 种混合液甚至 3 种混合液等，以改善土体的“和易性”和“塑性”。2) 在浅埋隧道施工、刀盘开口率小于 40% ，并且地层贯标值大于 20 的情况下，即地层相对自稳时，设定的出土压力不易超过主动压力，并且最好控制在 1. 0 kg/cm2以下，即宜采用欠土压平衡模式［3］。3) 采用冷却措施，避免密封土舱高温高热。4) 避免密封土舱饱满是长期停机，宜以泥饼或黏性差的砂土代替部分土体充填密封土舱［4］。
3. 2 地质条件
3. 2. 1 风险分析
工程地质条件复杂、上软下硬，盾构机在上软下硬地层中掘进时，土压力难以控制，上部软地层较易进入密封土舱，而下部较硬岩体不易破碎。此时，往往会使上部软地层过量切削进入舱内，一旦密封土舱内有一点土压失衡，上部的松散地层很容易土体流失，进而发生较大沉降。
3. 2. 2 应对措施［5 － 6］
在推进过程中关键是设法保持上部软底层的平衡，在施工过程中主要采取以下措施: 1) 结合现有地质资料和补充地质勘探资料，摸清上软下硬地层的分层及软硬情况。2) 在刀具的布置上，增加边缘滚刀的数量，增强边缘的破岩能力。3) 仔细观察土仓出碴土的变化情况，了解工作面软硬不均程度; 根据掘进情况判断刀具状态，以确定掘进推力的大小，避免刀具超载工作受损。4) 在软硬不均地层掘进，为保护盾构及其刀具，不宜追求太高的施工进度。在此地层掘进必须控制掘进参数，推力不宜太大，刀盘转数不宜太快( 一般为 1. 0 r/min 左右) ，刀具贯入量不宜太深( 一般为 5 ～ 10 mm/r) 。5) 加强盾构机推进线路和姿态控制。6) 选择土压平衡掘进模式。7) 通过向土仓和刀盘添加泡沫或 TAC 高分子材料改良碴土，防止形成泥饼。8) 控制出土量，尤其是上部为软土时更为关键，防止坍塌。
3. 3 地面建筑物保护
施工过程中采取如下措施进行控制: 1) 通过优化掘进参数保持开挖面稳定: 设定推进速度、调整排土量或设定排土量调整推进速度，以求得土仓压力与地层压力平衡，保持掘进面稳定。2) 尽快在脱出盾构后的衬砌背面及时注浆，控制地面沉降。3) 盾构在曲线上推进及盾构纠偏时，推进速度放慢，纠偏幅度不要过大，加大注浆量，以注浆压力控制注浆量; 加强纠偏测量等，减少地层损失，降低地面沉降量。4) 通过对盾构机中盾上开设径向孔，及时向其中注入聚氨酯以弥补地层损失，控制地面沉降。5)继续加强盾构掘进过程中的沉降监测，通过监测结果调整掘进参数，控制地表隆起、沉降。
4 施工方法
4. 1 建筑物加固方案
根据地质特点，采用袖阀管注双液浆( 水泥 +水玻璃) 对建筑物地基进行预加固，加固对象为别墅区隧道施工影响范围内的所有建筑物和怡景阁，加固平面范围沿建筑物周围布设两排注浆孔，由外侧向里侧间隔注浆［8］。
袖阀管在加固范围设计间距 1 m，内侧注浆孔距建筑物 1. 5 m，外侧注浆孔距内侧 1 m; 为减少盾构施工对建筑物地基土体扰动，加固深度为地面以下 10 m。建筑物加固平面见图 4。
施工顺序: 在袖阀管套壳料达到强度要求后开始进行注浆施工，采取先外后内的施工顺序，即先施工外围的袖阀管，后施工内部的袖阀管，以使加固浆液固结在加固区内，确保加固质量。注浆参数选择见表 1［9］，在 20 ℃ 左右温度下，双液浆凝胶时间约为 6 min。通过一次性注浆，增强了盾构下穿房屋时隧道上方土体的整体性和抗扰动能力，为盾构穿越提供较好条件。
4. 2 采取土压平衡模式掘进，严格控制掘进参数
1) 始发前，对于盾构机各个组成部分进行全面维修保养，并经调试确保盾构机各系统、线路、管路等处于良好的工作状态( 尤其注意泡沫系统和同步注浆系统的通畅，土压传感器准确显示土压值) 。
2) 盾构掘进时应及时根据地层情况进行添加剂的加入以改良土体( 注意泡沫剂及 TAC 高分子材料的质量和添入量) ，防止结泥饼的产生，同时减少对地层的扰动，控制好掘进各项掘进参数［10］。
3) 严格控制出土量，详细记录每一碴斗的出土量和掘进长度的关系，根据计算确定每一斗需要掘进的长度，在掘进中严格控制。
4) 根据以往类似工程施工经验，盾构掘进参数选择见表 2。
4. 3 设置径向孔
掘进发现超挖时，及时利用径向孔向地层中注入聚氨脂，然后穿透聚氨脂注入水泥浆，将超挖部分填充密实。具体实施措施为:
1) 在中盾位置沿圆周位置均布径向钻孔 8 个(Ф16) ，见图 5，孔位安装不锈钢管、球阀和快速接头备用。
2) 盾构机每环掘进中和每环掘进完成后拼装管片前利用径向孔探测围岩情况，如发现超挖、富水、砂层，或已知软弱重点地层，立即通过径向孔注入水溶性聚氨脂封堵。
3) 如发现超挖或围岩空洞较大( 大于100 mm) ，在注入聚氨脂后，再次使用二次注浆机通过径向孔穿透聚氨脂注入双液( 水泥 － 水玻璃) 浆封堵。
4. 4 二次注浆及时补充
针对盾构机的工作原理和特点，将确保同步注浆饱满的基础上，采取二次注浆措施及早弥补地层损失以防止围岩失稳、塌落。
1) 预先在管片上设置注浆孔和接口。 掘进中同步注浆机的注浆管通过盾构机中盾的注浆孔进行水泥砂浆注入，同时通过管片注浆孔在管片脱出盾尾后，同步注入水泥砂浆。
2) 在管片脱出盾尾的当环，同时用二次注浆机向管片壁后注入双液浆，使管片壁后填充保护层迅速强化，补充围岩开挖损失并承载压力。
3) 同步注浆机的 2 号、3 号水泥砂浆注入管和二次注浆机的双液浆注入管在管片脱出盾尾的当环形成强有力的二次跟进注浆，该 3 个管路的交替注入填充物，使脱出盾尾的当环快速固结。
4. 5 地面监测措施
1) 对所涉及到的桩、柱布置监测点，同时在建筑物集中处( 沿纵向每 5 m) 一个断面布 5 个地面监测点，间距根据现场情况控制在 5 m 左右，左右线纵断面上各布置 1 点( 图 6) ，地面和建筑物沉降预警值 ± 10 mm，报警值 ± 24 mm，警戒值 ± 30 mm。在施工过程中加强地面点及桩、柱点观测，并及时指导施工，一旦发现沉降过大或超过警戒值，及时进行跟踪注浆加固。
2) 提前确定盾构机掘进的准确时间，实时了解盾构掘进状况及盾构机在地面上的具体位置。
3) 监测人员和监测设备提前到位，用全站仪实时监测房屋及地面的沉降情况，用高精度水准仪每隔 2 h 监测一次，监测完后的 10 min 内，将监测结果报现场负责人并反馈到洞内操作室; 同时根据沉降情况进行加密监测。
4) 对于目前存在裂缝的建筑物，掘进通过前对裂缝处张贴薄纸或其他方法以观察裂缝是否有扩大趋势，现场专人观察房屋情况，出现较大变化时，及时报告现场负责及洞内操作室以指导施工。
5 施工效果分析
根据监测方案，在盾构机通过监测区域前 20 m开始集中监测，通过后 15 d 监测数据基本稳定，停止集中监测。对地面及房屋进行统计数据分析，绘出左、右线断面累计沉降量图进行比较分析。从图中数据可见，盾构机通过房屋区域沉降量较大，但未出现明显不均匀沉降，沉降控制在警戒值以内。监测点左、右线纵断面累计沉降量见图 7。施工完成后半年监测房屋沉降数据基本稳定，未出现开裂等影响建筑使用的问题［11］。以上结果说明，盾构施工在通过房屋集中区时，除根据地质参数严格执行掘进速度外，采取地面建筑物周围进行袖阀管加固辅助方案，同时根据监测数据，进行中盾注浆孔注浆和二次注浆的及时跟进，对于保证盾构施工顺利通过取得了比较明显的效果。
6 结 语
盾构施工穿越既有建( 构) 筑物等障碍物时，主要应做好以下几点:
1) 充分了解具体边界条件后，做好风险性分析和制定应对措施。
2) 由于沉降及变形监测相对有一定的滞后性，故需做好一些特别重要的建( 构) 筑物的实时监测环节。
3) 确保盾构机通过过程中设备正常运转和连续性。
4) 做好同步注浆量和差异沉降的控制，保护既有建筑物。
5) 制定相应的应急预案，以保证在出现意外情况时仍然可以按预案进行处理而不致失误。
参考文献
［1］ 张凤祥． 盾构隧道施工手册［M］． 北京: 人民交通出版社，2005．
［2］ 周文波． 盾构法隧道施工技术及应用［M］． 北京: 中国建筑工业出版社，2004．
［3］ 吴惠明． 盾构法隧道施工应用技术文集［M］． 上海: 同济大学出版社，2006．
［4］ 张凤祥，朱合华，傅德明． 盾构隧道［M］． 北京: 人民交通出版社，2004．
［5］ 竺维彬，鞠世健． 复合地层中的盾构施工技术［M］． 北京: 中国科学技术出版社，2006．
［6］ 陈馈，洪开荣，吴学松． 盾构施工技术［M］． 北京: 人民交通出版社，2009．
［7］ 彭基敏，张孟喜． 盾构法施工引起邻近地下管线位移分析［J］． 工业建筑，2005，35( 9) : 50 － 53．
［8］ 华科． 地铁盾构施工对邻近结构物的影响预测与控制方法［M］． 成都: 西南交通大学，2008．
［9］ 张民庆，韩忠存，施宏峰． 超细水泥 － 水玻璃双液浆的研究及应用［J］． 铁道工程学报，1998( 4) : 132 － 141．
［10］ 何炬，杨有海，陈达． 深圳地铁盾构施工注浆机理与参数分析［J］． 低温建筑技术，2009( 10) : 108 － 109．
［11］ 苏卜坤，石玉华，张洪彬． 地铁盾构施工对上部房屋的影响及加固效果分析 ［J］． 人民珠江，2010( A01) : 48 － 51．
京公网安备 11010202007575号