土压平衡盾构机长距离穿越平瓦房施工
摘 要:土压平衡盾构机因其施工安全可靠、适应地层广泛、对地层扰动较小、沉降易于控制等特点在城市地铁施工中被广泛应用，但盾构机参数的合理选择对隧道施工效果影响巨大。本文以北京地铁八号线隧道顺利穿越平瓦房区施工为例，介绍了盾构施工的相关技术措施及对地层的影响，为城市地铁施工提供了重要借鉴。
关键词:土压平衡 盾构机 长距离穿越 平瓦房
1 工程概况
北京地铁 8 号线鼓什区间采用土压平衡盾构机进行施工，区间正穿 101 栋房屋等建筑，在影响线内近距离穿越 389 户居民及商铺。穿越建筑物区段总长 600 余米，占到整个区间总长的 70% 左右。沿线穿越房屋多为无基础的老式四合院，结构主要以砖木、砖混为主。隧道线路走向见图 1。
2 重点难点分析
盾构施工影响线范围内平瓦房及旧铺式瓦房为一级风险源，房屋等地面建筑整体情况较差，盾构机出加固区仅11 m 进入平瓦房区域，无盾构施工参数试验段，且受施工场地影响，盾构始发时不具备整体始发条件，采用盾体下井、后配套在地面的分体始发方式进行掘进施工。因此如何正确选择盾构掘进参数，减小房屋沉降，确保平瓦房区房屋、居民安全是本工程的重点和难点。
3 穿越平房区施工技术措施
为减小盾构施工对周边地层扰动、降低对地表建构筑物影响、确保隧道上方建构筑物及人员安全，在盾构通过前对影响范围内地面所有建筑物布设沉降观测点，并对建筑物墙角、既有裂缝进行了拍照记录，获取初始值，并制定盾构通过建筑物的具体掘进措施和参数，降低或减少对地面老旧房屋的影响。
3. 1 刀盘改进措施
本区间主要穿越地层为⑤9 卵石圆砾层、⑥粉质粘土层、⑥1 粘土层⑥2 粉土层，地表为大面积老旧平瓦房。针对本区间地层特点及复杂地面施工环境，经过专家论证，确定本区间盾构机采用半弧拱型复合式刀盘，并将刀盘开口率由 42% 增大为 61%。以利于控制沉降及减小振动。刀盘形式见图 2。
3. 2 土压力设定
通过对朗肯土压力、太沙基理论等计算方法比选［1］，结合盾构施工试验段监测情况，选取朗肯土压力计算公式按水土分算来进行计算。
设定土压力 = 土压力 + 水压力 + 地表荷载，地表荷载通过试验段选取。施工中拟定每环土压力值以刀盘前端零沉降或隆起 1 mm ～ 2 mm 为标准，结合监测数据确定。本区间土压力控制在 1． 2 bar ～1． 5 bar。
3. 3 刀盘转速控制
刀盘转速根据出土量、土压力，结合盾构机设计情况综合确定，本区间盾构穿越风险源施工刀盘转速为 1． 0 rpm ～1． 1 rpm。
3. 4 推进速度
盾构穿越平瓦房期间，为减小刀盘对周边土体的扰动，确保地表沉降可控，将掘进速度控制在 30mm / min ～ 50 mm / min 之间，防止出现较大波动，确保盾构穿越平瓦房期间匀速、平稳掘进。
3. 5 同步注浆
3． 5． 1 注浆配比
在施工中，根据本区间地层条件、地下水情况、盾构机注浆系统情况及周边条件等综合考虑，通过现场试验进行同步注浆配合比的优化，最终确定本区间同步注浆配比见表 1。
3． 5． 2 注浆量
根据盾构机型号及穿越一级风险工程同步注浆控制标准，不同地层同步注浆量为:
卵石圆砾层: 注浆量不小于 1． 8 倍理论注浆体积，盾构注浆量≧ 5． 83m3/ 环。
砂层: 注浆量不小于 1． 6 ～ 1． 8 倍理论注浆体积，盾构注浆量≧ 5． 2 －5． 83m3/ 环。
粘土、粉质粘土: 注浆量不小于 1． 5 倍理论注浆体积，盾构注浆量≧ 4． 86m3/ 环。
实际穿越地层为粘土、粉质粘土、卵石圆砾层的复合地层，结合地表沉降监测数据，同步注浆量控制在 5 ～7m3/ 环，地表沉降控制较好。
3． 5． 3 注浆压力
为保证达到对环向空隙的有效充填，同时又能确保管片结构不因注浆产生变形和损坏，注浆压力取值为: 2 bar ～3 bar ( 注浆压力比土压力高 0． 5 bar～ 1 bar) ，分体始发还应考虑管道摩阻力。
3． 5． 4 注浆速度
同步注浆速度应与掘进速度相匹配，按盾构完成一环1． 2 m 掘进的时间内完成当环注浆量来确定其平均注浆速度。
3． 5． 5 注浆结束标准
采用注浆压力和注浆量双指标控制标准，即当注浆压力达到设定值，注浆量达到设计值的 85% 以上时，即可认为达到了质量要求。
3. 6 二次注浆
同步注浆存在浆液注入盲点，为确保隧道上方建筑物安全，需对脱出盾尾的管片及时进行二次注浆，有效控制地面建筑物沉降。
3． 6． 1 注浆方式
二次注浆在管片脱出盾尾 5 ～8 环后进行。注浆点位为: 12 点、3 点、9 点。二次注浆频率为隔环开孔、每环均注。管片开孔深度以打穿同步注浆层为宜，自管片内表面向外约 50 cm。
3． 6． 2 浆液配比
注浆材料采用双液浆: 即水玻璃 + 水泥砂浆，浆液配比见表 2。
浆液扩散半径 0． 7 m，初凝时间 1 min30s; 3 天抗压强度 7． 8 MPa，7 天抗压强度 11． 2MPa，28 天抗压强度 13． 3 MPa。
3． 6． 3 注浆压力
二次压力宜控制在 0． 35 MPa ～ 0． 45 MPa。压力过大宜对成型管片产生不利影响。
3． 6． 4 注浆量
注浆量以注浆压力控制为标准，根据穿越平瓦房区施工经验，每孔注浆量约 0． 7m3。
3. 7 渣土改良
对于圆砾 － 卵石、粉细砂层，使用浓度 3% 的泡沫原液，发泡体积膨胀率为 8 倍，泡沫注入率一般为5 ～ 65% ，根据经验，泡沫注入率粉土中 25% 、砂粒中 37%、砾石中 65%。则每环泡沫剂的用量为:
砾石中:
V砾=1． 2 ×3． 14 ×3． 19 ×3． 19 ×0． 65 /8 ×0. 03 =93． 5L
砂粒中:
V砂= 1． 2 × 3． 14 × 3． 19 × 3． 19 × 0． 37 /8 × 0. 03 = 53L
粉土中:
V粉= 1． 2 × 3． 14 × 3． 19 × 3． 19 × 0． 25 /8 × 0. 03 = 40L
同时注入膨润土浆液，配合比为:
水∶膨润土 =8∶1
黏度不小于 20 s、比重 1． 05。膨润土浆液掺量以满足底层内细颗粒含量不小于 20% 为宜。约 为出土量的 5% ～ 20%。考虑到地层的渗漏损失，对于中粗砂地层，暂定掺入量为 10%，对于卵石地层，暂定掺入量为 15%。每环膨润土浆液用量:
V1= 1． 2 × 3． 14 × 3． 19 × 3． 19 × 0． 1 = 3． 83m3
V2= 1． 2 × 3． 14 × 3． 19 × 3． 19 × 0． 15 = 5． 75m3
泥浆和泡沫的流量根据每环设计加量和掘进速度确定:
理论流量 = 每环设计加量 × 掘进速度/1． 2。在加入过程中，根据土压力变化和螺旋机的出渣状况及时调整。
3. 8 出渣控制
密封仓内土压力以螺旋输送机转速和出土闸门的开度控制。
理论出土量( 根据经验，虚方系数取 1． 2) :
V = π × ( D /2)2× L × S= π × ( 6． 28 /2)2× 1． 2 × 1． 2= 44． 6m3/ 环
其中: D—刀盘直径; L—管片宽度; S—松散系数。
实际出土量控制在理论的 98% ～ 100% 之间。掘进施工时按三个阶段进行，第一、二阶段掘进不超过 463 cm，出渣控制 17 方，第三阶段 274 cm，出渣控制约 10 方左右。
3. 9 盾构机姿态控制
根据导向系统反映的盾构姿态信息及线路条件，结合隧道地层情况，通过控制盾构机的推进油缸来控制掘进方向。在曲线段掘进时，按照曲线半径计算铰接角度，调节铰接油缸伸长量辅助曲线施工。
由于同步注浆浆液需要一段时间才能初凝，因此管片都会有一定程度的上浮。因此掘进姿态宜控制盾构在设计轴线稍靠下位置，并保持一个大致不变的俯仰角。
纠偏时推进油缸油压的调整不宜过快、过大，切换速度过快可能造成管片受力状态突变，而使管片损坏。
3. 10 管片拼装
严格控制管片拼装质量精度，确保无错台、无渗漏现象，防止管片错台及渗漏水造成隧道上方土体的沉降。成型隧道照片见图 3。
当盾构掘进方向偏离中线超出规范要求时，需根据盾构掘进姿态制订纠偏方案，衬砌环任意位置宽度的计算公式为:
J = L + r × δ × sinθ / D
式中: J － 衬砌环特定位置宽度; L － 衬砌环基本宽度; r － 特定位置所在弧面半径; δ － 衬砌环楔形量，标准环为0; θ － 特定位置与铅垂线夹角; D － 衬砌环外径。
3. 11 其他控制措施
1) 加强盾构机的维修保养，将盾构机的维修保养工作穿插在掘进施工中，保证盾构长距离穿越平瓦房施工期间不停机，匀速、安全通过;
2) 推进过程中在盾壳外侧加注膨润土，以减小盾壳通过过程中上部地层沉降;
3) 加强监控量测，及时掌握地面沉降情况，根据监测数据及时调整盾构掘进参数，并确定是否需要采取地面加固措施等其他的保护措施［2 －3］;
4) 严格控制掘进技术参数，尽量减小对地层的扰动［4］。
严格控制盾构机的推力，避免推力波动变化幅度过大，减小对盾构掘进地层的扰动。
严格控制注浆浆液质量，在盾构推进过程中及时填充隧道壁后建筑空隙; 并采用水玻璃 + 水泥砂浆进行二次注浆。若监测数据表明地面沉降仍较大，进行多次补浆，并按“多点、均匀、少量、多次”的原则有序进行，直至土体变形稳定。
4 穿越平房区施工沉降控制情况
根据上述盾构施工控制措施，鼓什区间左线盾构已成功穿越了平瓦房区，沉降控制良好，未出现因盾构施工沉降量过大造成的房屋开裂、倒塌等事故。区间地表最终沉降量基本控制在 +2 mm ～ －6 mm之间。区间沉降点沉降监测结果见图 4。
通过对大量地表建构筑物沉降数据分析，地表沉降主要分为三个阶段: 盾构刀盘到达前沉降约为1 mm ～ 2 mm，盾构机盾体通过过程中沉降 2 mm ～ 4mm，盾尾通过后变形仍有一定幅度的发展，沉降量约为 2 mm ～4 mm。
盾构影响范围: 径向方向为距隧道中线20 m 左右，20 m 之外沉降量 ＜1 mm。轴线方向影响范围为刀盘前方 12 m 左右，盾尾穿越后 20 m 左右。
5 结束语
近年来地铁隧道在城市发展迅猛，因受城市施工环境影响，如地表建筑物众多、施工场地狭小、无地面加固条件、拆迁、周转困难、施工环境复杂、地质条件多变等，为盾构在城市中施工造成了一定的不利影响。本区间盾构施工在缺少地面加固措施、无整体始发条件、无盾构施工参数试验段、冬季始发等不利条件下成功完成了长距离穿越大量老旧平瓦房等风险工程隧道施工，为城市隧道施工提供了新的经验。
参考文献
［1］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
［2］尹俊涛． 与 TBM 相关的主要工程地质问题研究［D］．中南大学，2005 年
［3］杨书江，孙谋，洪开荣． 富水砂卵石地层盾构施工技术［M］． 北京: 人民交通出版社，2011． 4
［4］北京市轨道交通工程盾构施工管理相关规定( 汇编)［S］． 2012． 3
京公网安备 11010202007575号