巖溶地層盾構機穿越建筑物施工措施研究

鄭大閏　李君立

摘要：盾構工法目前已廣泛應用于各國城市地鐵的建設中。文章通過總結巖溶地層盾構機穿越建筑物的各項施工措施，得出適用于該地層中一套有效的施工措施，為同類工程的施工提供了參考。

關鍵詞：巖溶地層；盾構機；穿越建筑物；盾構工法；施工措施 文獻標識碼：A

中圖分類號：U445 文章編號：1009-2374（2015）31-0120-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.31.060

1 概述

盾構工法目前已廣泛應用于各國城市地鐵的建設中。隨著社會的進步和法律的完善，建設過程中征拆的難度越來越大，代價也越來越高。現(xiàn)代城市中建筑物密集，地鐵施工中盾構機穿越建筑物的情況頻繁，一旦控制不當，極有可能造成建筑物沉降開裂變形，影響結構安全和正常使用，甚至會引起建筑物坍塌造成人員傷亡，因此盾構機穿越建筑物是盾構施工項目中的重大風險，需嚴格控制各項施工技術措施。廣州地鐵九號線主要位于花都區(qū)，區(qū)內水文地質條件復雜。地質情況的復雜多變給盾構法地鐵施工帶來巨大的難度和不確定性。而花都區(qū)又地處巖溶發(fā)育地段，由于溶蝕作用造成巖面起伏變化大，巖土層交界面附近發(fā)育土洞，巖層表層和上部溶溝、溶槽、溶隙及溶洞等發(fā)育強烈，巖溶及土洞發(fā)育呈無序狀態(tài)，其形態(tài)特征、規(guī)模和分布范圍難以確定。盾構機在巖溶地層掘進可能造成盾構機坍落、刀具磨損、刀盤崩裂等事故。如何在保證盾構施工質量安全的同時，確保地面建筑物的安全，給盾構法施工提出了新的挑戰(zhàn)。本文以成功完成的盾構機穿越秀全中學宿舍樓和新華鎮(zhèn)教辦集資教師樓的實例，研究分析巖溶地層盾構機穿越建筑物的各項技術措施。

2 工程概況

2.1 房屋基礎及地質情況

廣州地鐵九號線某標段位于花都區(qū)繁華中心，采用泥水盾構法施工，盾構隧道需穿越多棟房屋。其中一區(qū)間隧道主要穿越秀全中學宿舍樓、新華鎮(zhèn)教辦集資教師樓風險較大，如圖1所示。

秀全中學宿舍樓為1988年建造的8層框架結構，條形基礎。下方的地質情況依次為：<1>人工填土層，<4N-3>沖積-洪積硬塑粉質黏土層，<5C-1B>可塑狀炭質泥巖、灰?guī)r、炭質灰?guī)r殘積土層，<9C-2>微風化灰?guī)r。建筑物下方隧道穿越地層主要為<9C-2>微風化灰?guī)r層。

新華鎮(zhèn)教辦集資教師樓為1991年建，框架7層，獨立基礎，地質為：<1>人工填土層，<4N-2>可塑粉質黏土，<5C-1B>可塑狀炭質泥巖殘積土，<8C-2>中風化炭質灰?guī)r，<9C-2>微風化炭質灰?guī)r。隧道埋深約17.3m（隧道中心線），左線隧道洞身掘進范圍均為微風化灰?guī)r<9C-2>，右線隧道洞身掘進范圍為微風化灰?guī)r<9C-2>及中風化灰?guī)r<8C-2>。

工程勘察及巖溶處理階段均在這兩棟房屋下方發(fā)現(xiàn)溶洞。

2.2 水文情況

根據(jù)區(qū)間水文地質資料及地下水賦存條件，盾構穿越這兩棟房屋區(qū)域地下水主要為孔隙水和巖溶（土洞）水。其中孔隙水主要賦存于沖積-洪積砂層，滲透系數(shù)為5～15m/d。巖溶（土洞）水部分與砂層中的地下水呈互補給狀態(tài)，地下水水量很大，一般具有承壓性，但灰?guī)r的透水性、富水性均較弱。

3 盾構穿越房屋施工措施

3.1 溶洞處理措施

巖溶地層中掘進最主要的影響因素是溶（土）洞的存在，雖然通過地面鉆探和CT掃描能夠大致確定溶（土）洞的位置及形態(tài)，但對于溶（土）洞的具體邊界很難精確探明。而較大溶（土）洞如未經(jīng)處理或者處理過程中未填充密實，則盾構機通過時極有可能整體下陷，且因為部分溶洞富含水且與外界相連通，還可能因為擊穿溶洞而導致大量承壓水涌入盾構機，導致地面沉降、上方建筑物損壞，產(chǎn)生災難性的后果。因此對于溶（土）洞的處理及應對措施是盾構施工能否取得成功的前提。溶（土）洞形態(tài)各異，與盾構隧道的空間關系也不盡相同，因此對盾構施工的影響也不同，如何對溶（土）洞進行處理、處理范圍如何界定、處理效果是否滿足盾構施工的要求等問題均是泥水盾構在巖溶地層中施工安全首先要解決的問題。

3.1.1 處理原則。根據(jù)工程類比和施工經(jīng)驗，確定以下溶（土）洞處理原則：（1）隧道洞身范圍的土洞，不需處理；（2）全填充溶（土）洞內充填物的標貫大于5，不需處理；（3）需處理的溶（土）洞，應在隧道平面輪廓線外3m范圍以內；（4）位于隧道上方或隧底下方10m范圍或10m范圍外但上部無不透水層的土洞需處理；（5）位于隧道頂以上或隧底以下5m范圍內或隧底以下5～10m范圍內但上部為砂層的溶洞需處理；（6）盾構管片安裝時，隧道底部要預留好隧底加固注漿管，以便在盾構施工完后處理新發(fā)現(xiàn)的溶（土）洞。

3.1.2 處理措施。

第一，注漿參數(shù)。處理范圍的外排注漿孔注雙液漿，雙液漿質量配比為水∶水泥∶水玻璃=（0.8～1）∶1∶（0.08～0.20），水玻璃波美度為38～43Be′，模數(shù)為2.4～3.0；內側注漿孔注普通水泥漿，漿液水灰比為0.8∶1～1∶1，施工中根據(jù)現(xiàn)場試驗確定；注漿壓力控制在0.4～1.0MPa，注漿速度30～70L/min。水泥漿拌制采用42.5級普通硅酸鹽水泥。

第二，施工步驟。

第一步：鉆機成孔。采用XY-150地質鉆機成孔，成孔直徑為91mm，如鉆進過程出現(xiàn)孔壁坍塌，則采用泥漿循環(huán)護壁成孔。

對于鉆探發(fā)現(xiàn)的溶（土）洞，按照2m×2m方格狀布置鉆孔查找洞體邊界，查找范圍至溶（土）洞邊界，如圖2所示，由已揭露溶洞的鉆孔向周圍擴散布孔探查，鉆孔的順序為按列為①→②→③……，每列的鉆孔順序為由內至外，如圖域2中箭頭所示。在查找洞體邊界時，若外圍鉆孔未發(fā)現(xiàn)溶、土洞，則暫時不處理，采用回填處理。在鉆孔過程中揭露的溶、土洞要做好記錄，以供注漿作業(yè)參考。

第二步，下注漿管。根據(jù)詳勘、超前鉆及洞體邊界探查取得的洞體數(shù)據(jù)，在溶、土洞頂板以上的部位用實管，在溶、土洞范圍內使用花管，注漿管底部加下悶蓋。溶洞注漿管下至溶洞底。endprint

將實、花管根據(jù)要求連接后，在管內注滿清水檢查密封性能。立即將注漿管沿鉆孔下至設計標高，上端露出地面40cm左右，并加蓋上悶蓋。為保證順利下管，管中要注滿清水，以重力抵消套殼料的浮力。下管后在孔壁間隙靠近地面1～2m范圍內充填水泥砂漿加固。

第三步：注漿漿液配制。根據(jù)溶洞面積及高度估算預配制漿液的體積，按水灰比計算出所需的水泥和水的用量，在攪拌機內加入計算好的用水量，邊攪拌邊加入計算好的水泥用量，攪拌均勻后倒入儲漿池內備用。

第四步：注漿。開注前先進行注水試驗，以檢查注漿管路是否正常和判斷地層的吸漿能力等，并防止堵管；灌漿量按拌漿桶桶數(shù)進行計量。

對于注漿壓力的控制應注意以下情況：（1）外圍孔采用雙液漿注漿時，初期采用小壓力注漿慢速注漿，并采用間歇往復注漿，以有效控制漿液流失；（2）內排孔主要以壓力控制終孔，灌至注漿壓力后穩(wěn)壓10min為止。若孔內注漿量已達到設計值但注漿壓力仍無明顯上升時，停注單液漿，改注水泥漿+水玻璃雙液漿。

注漿施工的操作方法為：（1）注漿方式采取后退式分段注漿工藝，即在注漿帶內由孔底自下而上進行注漿，每次注漿段長0.5m，注完第一段漿段后，上提注漿芯管，進行第二注漿段注漿施工；（2）在芯管拔出長度大于一節(jié)管長時，停注拆取該節(jié)芯管及接頭，將接頭接在未拔出的芯管上繼續(xù)注漿，依此進行直至完成注漿；（3）注漿過程中如需暫停注漿時，必須先將水泥漿管拿出放入清水桶中，并同時將注漿芯管提升0.4m，向孔內注清水后再停止注漿，這樣既保持管路暢通，又保證注漿不受注水影響；（4）對于雙液注漿，需暫停注漿時或每次注漿完成前，改用單液漿注漿1min，提出注漿芯管后，用鋼管插入注漿管底部用清水由下至上沖洗注漿管，單液漿則直接停注后進行沖洗，并在管頂蓋上悶蓋；（5）為保證注漿效果，一般采用重復注漿方法。兩次注漿時間間隔為6～10h，注漿3次，滿足終孔壓力時停止注漿，并用水泥砂漿封孔；（6）注漿過程中填好注漿工作記錄表，注漿孔的注漿工作情況及注漿工序作業(yè)時間。注漿過程中隨時分析和改進注漿作業(yè)，并且認真記錄實際孔位、孔深、孔內地下物、涌水等，當與地質報告不符時，應采取措施進行修正。

3.1.3 盾構機超前鉆探、加固。對于泥水盾構在巖溶地層中的施工來說，受制于地面場地條件，導致部分隧道區(qū)域內的溶（土）洞無法探明或者無法加固，此時可在盾構機前體設置超前鉆探和加固系統(tǒng)，以保證盾構在掘進過程中，通過超前探測、超前加固及時處理隧道下部的溶（土）洞。

3.2 增設試驗段

為了使盾構能安全順利下穿這兩棟建筑物，對下穿前30環(huán)范圍采用新的技術參數(shù)進行試驗掘進（選30環(huán)范圍作為試驗段主要受工程條件限制，若非如此，應選擇100環(huán)范圍作為試驗段）。

在試驗段掘進期間，對盾構施工的各個工藝流程進行24小時不間斷監(jiān)控，實時記錄各項數(shù)據(jù)和異常情況。通過對試驗段掘進參數(shù)的統(tǒng)計分析，為下穿這兩棟建筑物提供了可靠的施工技術參數(shù)和措施，主要包括盾構總推力、扭矩、切口水壓、刀盤轉速、掘進速度、注漿量和地面沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)。

隧道洞身主要穿越灰?guī)r地層，施工過程中為保護刀具，保證盾構刀盤的切削能力，盾構施工應堅持“多開倉、勤開倉檢查刀具”的原則。為全面準確掌握開挖面情況和確保盾構機處于最佳狀態(tài)，在每一次穿越房屋之前，都開倉檢查刀具及進行必要的更換，并盡可能徹底地清理土倉內殘留的大塊巖石，為盾構逆循環(huán)掘進提供條件，逆循環(huán)掘進更有利于維持切口壓力平穩(wěn)，同時在開倉的過程中對設備進行保養(yǎng)，確保設備處于良好

狀態(tài)。

3.3 盾構下穿建筑物的控制措施

3.3.1 盾構施工措施。在盾構下穿建筑物時，除了根據(jù)試驗段得出的各項施工參數(shù)結合實際進行設置外，還采取了以下專項措施：（1）在巖溶地層中巖層破碎，大塊的石頭造成環(huán)流堵塞十分嚴重，每日頻繁拆管，施工效率低下，針對于此，采用盾構掘進過程中需要正、逆循環(huán)交替進行，防止大塊巖石堵塞排泥口引起切口壓力突變，影響地面建（構）筑物安全；（2）嚴格控制盾構掘進時的切口壓力波動，防止因切口水壓突變造成對地下土體的擾動，減小對地面建（構）筑物造成的影響；（3）盡量控制盾構機以均勻的速度掘進，在推力、扭矩各項數(shù)據(jù)正常情況下，控制盾構掘進速度為10mm/min左右；（4）保證注漿質量，盾構機掘進時同步進行壁后注漿以填充管片與地下土體間的間隙。同時通過二次注漿提高注漿效果，同步注漿以140%空隙率控制，每環(huán)注入量約5.6m3，二次注漿按照“量、壓雙控”原則，正常情況下注入量不超過1.5m3，注漿壓力控制在0.5MPa以下；（5）每5環(huán)施作一道止?jié){環(huán)，把管片注漿孔全部打開，注入雙液漿；（6）加強巖樣管理，每環(huán)收集巖樣進行分析，判斷地質條件，及時調整施工參數(shù)；（7）加強泥漿管理，適當增大泥漿黏度，并保證足量的后備泥漿儲存量，以應對突發(fā)的巖溶空洞導致漿液流失；（8）做好單液漿離析率試驗，根據(jù)漿液離析損失量及時進行二次注漿；（9）掘進過程中做好盾尾密封管理工作，嚴防因盾尾漏漿過大造成地下水壓力瞬間失衡。掘進過程中根據(jù)每環(huán)掘進進度，在盾尾密封艙注入油脂，每環(huán)盾尾油脂注入量為50kg左右；（10）合理安排掘進與洗倉時間，掘進過程中若刀盤扭矩持續(xù)增大，可判斷土倉內可能殘留大量渣土，應及時將殘留渣土洗出再進行掘進，避免土倉內殘留渣土過多，容易對刀盤造成破壞；（11）在保證質量的前提下，提高管片拼裝速度，減少盾構機停機時間，使盾構機以盡快的速度通過建筑物下方。

3.3.2 監(jiān)測措施。（1）對這兩棟建筑物增加裂縫監(jiān)測項目，選取結構柱、伸縮縫等布設監(jiān)測點；（2）增加震速監(jiān)測項目。獲取震速對房屋沉降的影響，以信息化反饋指導施工；（3）過房屋階段，地面監(jiān)測點的橫斷面布設，由圖紙要求的50m一個斷面改為10m一個。地面監(jiān)測點根據(jù)現(xiàn)場實際條件，盡量加密布置；（4）施工監(jiān)測和第三方監(jiān)測均為每4小時一次，二者錯開時間進行監(jiān)測，保證每2小時獲取一組監(jiān)測數(shù)據(jù)，實時反饋至中控室用于指導盾構操作；（5）安排專職人員現(xiàn)場24小時值班，保證及時掌握現(xiàn)場地面及房屋、監(jiān)測等情況，發(fā)現(xiàn)異常，及時匯報項目經(jīng)理部。

3.4 盾構通過建筑物后的控制措施

在盾構掘進通過建筑物后，繼續(xù)對該建筑物進行監(jiān)測，可根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化幅度適當調整監(jiān)測頻率。同時，房屋和地面的巡視工作在監(jiān)測數(shù)據(jù)未穩(wěn)定之前不能間斷，一旦發(fā)現(xiàn)異常，及時進行二次補漿或多次補漿，對于情況嚴重的情況，可采取地面注漿加固。

4 結語

在盾構機穿越房屋期間，項目部落實了各項技術和管理措施，確保了盾構機安全順利地通過了這兩棟房屋，盾構穿越過程對房屋幾乎無影響。通過總結施工過程的經(jīng)驗，結合相關的理論，得出以下結論：（1）巖溶地層溶洞處理的范圍關系到工程施工質量和投資，本工程實例的溶洞處理原則既保證了工程施工質量，又控制了投資。盾構管片安裝時，隧道底部要預留好隧底加固注漿管，以便在盾構施工完后處理新發(fā)現(xiàn)的溶（土）洞。在盾構機前體設置超前鉆探和加固系統(tǒng)，以保證盾構在掘進過程中，通過超前探測、超前加固及時處理隧道下部的溶（土）洞；（2）通過試驗段獲取的施工參數(shù)對盾構機穿越房屋的指導意義明顯，需做好試驗段的數(shù)據(jù)收集和分析；（3）盾構機穿越房屋施工的關鍵是采取多項措施控制地面和建筑物的沉降，采用全面的信息化施工手段可以取得較好的效果。

參考文獻

[1] 董生才.盾構機穿越建筑物技術措施探討[J].北方交通，2009，（8）.

作者簡介：鄭大閏（1984-），男，湖北咸安人，供職于廣東華隧建設股份有限公司，研究方向：市政工程施工管理。

（責任編輯：黃銀芳）endprint