淺談盾構(gòu)下穿建筑物掘進(jìn)參數(shù)控制

王磊

摘要： 文章結(jié)合重慶地鐵5號(hào)線5106標(biāo)盾構(gòu)機(jī)下穿重慶地鐵一號(hào)線等建筑物的工程實(shí)例，研究分析了盾構(gòu)隧道下穿施工對(duì)城市建筑物的影響機(jī)理，提出了相應(yīng)的盾構(gòu)機(jī)下穿建筑物施工的掘進(jìn)參數(shù)和控制地層沉降的技術(shù)措施。

Abstract： Combined with the engineering example of shield machine 5106 of Chongqing Subway Line 5 underpass Chongqing Line 1 and other buildings， this paper studies and analyzes the influence mechanism of the underpassing construction of shield tunnel on the city buildings， puts forward the corresponding tunneling parameters of the underpassing construction of shield machine and the thecnology measures of controlling stratum settlement.

關(guān)鍵詞： 盾構(gòu)隧道；下穿施工；地層變形；掘進(jìn)參數(shù)；控制措施

Key words： shield tunnel；underpassing construction；ground deformation；tunneling parameters；control measures

中圖分類號(hào)：U455.43 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2016）08-0107-04

0 引言

盾構(gòu)法作為地下空間拓展的一種工法，具有施工占地小、對(duì)周邊環(huán)境影響小、施工環(huán)境好、機(jī)械化程度高、開挖速度快、安全性高、成型隧道質(zhì)量高等特點(diǎn)。然而，由于盾構(gòu)機(jī)所穿越地層具有不可預(yù)見性和復(fù)雜多變等特點(diǎn)，施工中往往存在著許多不可預(yù)見的風(fēng)險(xiǎn)，特別是在不良地質(zhì)條件下穿越建筑物時(shí)，施工風(fēng)險(xiǎn)極大，可能會(huì)造成對(duì)建筑物的損壞和破壞，造成重大財(cái)產(chǎn)損失或人員傷亡事故。所以，在盾構(gòu)下穿建筑物施工中一定要嚴(yán)格把關(guān)，控制好一切不利因素。 本文將從盾構(gòu)法施工對(duì)周邊建筑物的影響機(jī)理出發(fā)，依托重慶地鐵5106標(biāo)歇石區(qū)間施工，尤其是盾構(gòu)下穿一號(hào)線工程實(shí)例，詳細(xì)介紹盾構(gòu)下穿建筑物的掘進(jìn)參數(shù)控制。

1 建筑物變形控制基準(zhǔn)值

盾構(gòu)施工隧道通過(guò)的地層是復(fù)雜多變的，在一定范圍內(nèi)會(huì)引起土體的位移和變形，在影響范圍內(nèi)的地表建筑物，由于地基土體的變形會(huì)導(dǎo)致其外力條件和支承狀態(tài)發(fā)生變化，可能會(huì)造成既有建筑物發(fā)生沉降、傾斜和斷面變形等情況，如果不嚴(yán)加控制，就可能出現(xiàn)嚴(yán)重的后果。

為了使下穿建筑物的隧道質(zhì)量得到保證，以及鄰近建筑物的結(jié)構(gòu)安全，國(guó)家和一些地區(qū)根據(jù)表1所示的巖土參數(shù)，制定了合適的變形控制基準(zhǔn)值。通常地表沉降控制基準(zhǔn)值應(yīng)綜合考慮地表鄰近建筑物、地下管道及地層結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性因素，分別確定其地表沉降允許值，并取其中最小值作為控制基準(zhǔn)值。

盾構(gòu)隧道鄰近施工時(shí)，應(yīng)以不造成原有構(gòu)筑物的不良影響為前提，能定量表示出不對(duì)建筑物造成傷害的影響值。

2 工程概況

2.1 區(qū)間概況

歇臺(tái)子站～石橋鋪站區(qū)間（以下簡(jiǎn)稱歇～石區(qū)間）采用復(fù)合式TBM法施工，區(qū)間設(shè)計(jì)右線起訖里程為YCK28+264.960～YCK29+513.100，右線全長(zhǎng)1248.140m；左線起訖里程ZCK28+264.960～ZCK29+513.100（其中ZCK28+300.000～ZCK28+400.000為長(zhǎng)鏈，實(shí)際長(zhǎng)度14.057m），線路實(shí)際總長(zhǎng)1262.215m。全區(qū)段為雙洞單線隧道，左右線并行，邊線間距約9m，設(shè)計(jì)縱坡19‰～34.567‰，軌面標(biāo)高283.788～320.188m，隧道擬采用單心圓截面，巖石全斷面掘進(jìn)法（復(fù)合式TBM隧道法）施工。

2.2 周邊建筑物情況

本標(biāo)段區(qū)間下穿既有一號(hào)線及地面周邊建（構(gòu)）筑物，做好地下及地面周邊建（構(gòu)）筑物的保護(hù)是本工程的重點(diǎn)，沿線主要建筑物見表2～表3。

2.3 管線情況

沿線區(qū)域主要分布的管線有污水管、上水管、煤氣管、工業(yè)管線及通信管線等，埋深較淺均為1.5m～8.5m，區(qū)間隧道軌面埋深為13m～39.2m，對(duì)管線影響較小。

由于下穿建筑物施工比較多，主要以下穿運(yùn)行的一號(hào)線為例來(lái)進(jìn)行分析說(shuō)明。

2.4 與即有一號(hào)線位置關(guān)系

重慶軌道交通五號(hào)線土建5106標(biāo)項(xiàng)目部歇臺(tái)子站～石橋鋪站區(qū)間復(fù)合式TBM施工410～495環(huán)為下穿地鐵一號(hào)線掘進(jìn)，與一號(hào)線最小凈距為2.062m（掘進(jìn)環(huán)號(hào)為439環(huán)，拼裝環(huán)號(hào)為435環(huán)，切口環(huán)里程為YDK28+860），屬于重慶地鐵首個(gè)特級(jí)風(fēng)險(xiǎn)源。按照?qǐng)D1所示的拼裝435環(huán)刀盤與一號(hào)線的相對(duì)位置示意圖，一號(hào)線礦山法隧道為馬蹄形斷面，按新奧法原理設(shè)計(jì)，采用復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)，鉆爆法施工。隧道斷面為11.08×8.358m，初支220mm，二襯450mm，目前已投入運(yùn)營(yíng)。該風(fēng)險(xiǎn)工程位于渝州路下方，為一號(hào)線歇臺(tái)子站～石橋鋪站區(qū)間隧道，下穿過(guò)程中一號(hào)線列車是載客行駛。

該段掘進(jìn)過(guò)程中縱坡為34‰通過(guò)R=5000m豎曲線變?yōu)榭v坡為19‰單面下坡；平面曲線為R=1500m半徑曲線段（410～452環(huán)），緩直段（452～488環(huán)），直線段（488～495環(huán)）組成。

根據(jù)圖2所示下穿段平面詳勘圖，區(qū)間隧道下穿一號(hào)線區(qū)段以中風(fēng)化砂質(zhì)泥巖為主，局部范圍有中風(fēng)化砂巖侵入，復(fù)合式TBM掘進(jìn)風(fēng)險(xiǎn)大。為防止開挖拱頂下沉而引起既有線變形、開裂等安全問題，在復(fù)合式TBM通過(guò)前，對(duì)既有一號(hào)線內(nèi)結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)查分析，以進(jìn)一步了解該段隧道范圍內(nèi)部情況，同時(shí)在受影響的區(qū)段隔環(huán)預(yù)埋注漿管，當(dāng)沉降變形超限時(shí)，及時(shí)組織補(bǔ)強(qiáng)注漿；在復(fù)合式TBM通過(guò)時(shí)，洞內(nèi)加強(qiáng)掘進(jìn)參數(shù)控制，主要是掘進(jìn)速度、土倉(cāng)壓力和復(fù)合式TBM姿態(tài)控制，加強(qiáng)同步注漿和二次注漿，地層變形，確保復(fù)合式TBM快速、平穩(wěn)通過(guò)該地段。加強(qiáng)監(jiān)測(cè)和對(duì)既有線的觀察，通過(guò)監(jiān)測(cè)信息及時(shí)反饋，對(duì)各項(xiàng)施工參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，以減小既有結(jié)構(gòu)的變形。

3 盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)的確定及盾構(gòu)施工過(guò)程

實(shí)際盾構(gòu)隧道施工過(guò)程中，要求盾構(gòu)在通過(guò)該特殊段時(shí)主要根據(jù)“勻速通過(guò)、嚴(yán)注漿、勤測(cè)量等”來(lái)控制建筑物的變形。

3.1 準(zhǔn)備工作

①工前對(duì)沿線盾構(gòu)施工影響范圍內(nèi)的建筑物進(jìn)行全面調(diào)查，列出需重點(diǎn)保護(hù)的對(duì)象名稱及反映其所處里程、地面位置、類型、結(jié)構(gòu)等詳細(xì)參數(shù)的清單，提前作出預(yù)案，準(zhǔn)備相應(yīng)材料設(shè)備。②根據(jù)地質(zhì)勘察情況或盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程中的地質(zhì)變化情況，對(duì)建筑物周邊地質(zhì)進(jìn)行補(bǔ)充詳細(xì)勘察，明確地形情況、基礎(chǔ)土層結(jié)構(gòu)、各土層土體性質(zhì)、地下水情況等。③加強(qiáng)施工過(guò)程中建筑物和土體監(jiān)測(cè)。按其沉降要求做全面的統(tǒng)計(jì)，計(jì)算出沉降預(yù)警值、允許最大沉降量和不均勻沉降要求，為以后施工提供指導(dǎo)。④將始發(fā)后的20環(huán)列為試驗(yàn)段，在試驗(yàn)段階段，對(duì)盾構(gòu)的各個(gè)工藝流程和施工參數(shù)，尤其是注漿工藝進(jìn)行24h監(jiān)控，做好過(guò)程記錄，為盾構(gòu)安全、順利的下穿建筑物提供切實(shí)可行的技術(shù)參數(shù)和措施。⑤針對(duì)需要重點(diǎn)保護(hù)建（構(gòu)）筑物，提前作出預(yù)案，并準(zhǔn)備相應(yīng)材料設(shè)備。

3.2 勻速通過(guò)

掘進(jìn)施工中，地層的變形主要是隧道開挖所造成的，不同的地層和不同的掘進(jìn)參數(shù)對(duì)地層的變形影響很大。工作人員需密切關(guān)注土艙出土情況，根據(jù)刀盤前的地層正確選擇盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)參數(shù)，以“平穩(wěn)、勻速推進(jìn)、低扭矩、頂住正面、調(diào)整壓力、封住盾尾”的技術(shù)內(nèi)涵為基礎(chǔ)，以“保頭護(hù)尾”的技術(shù)為方針，控制好刀盤扭矩、推進(jìn)速度、泡沫參數(shù)、滲入尺度、碴土情況等施工參數(shù)，盡量減少故障，避免發(fā)生意外造成停機(jī)?？焖賱蛩偻ㄟ^(guò)鄰近建筑物，可縮短圍巖的暴露時(shí)間和變形。在掘進(jìn)時(shí)，控制好土艙內(nèi)的壓力平衡，控制好出土量，防止超挖。圓形土壓平衡盾構(gòu)理論排土體積V 為：V=■？仔·d2·L·a=■×3.14*6.8852×1.5×1.8=100.4m3

式中：d為開挖直徑，L 為推進(jìn)長(zhǎng)度，a為土的天然密實(shí)體積與虛方體積系數(shù)。

3.2.1 嚴(yán)注漿

由于刀盤直徑比盾構(gòu)直徑大， 開挖出來(lái)的隧道與盾體或隧道襯砌之間形成一定量的空隙；而且由于盾殼與地層之間的摩擦阻力作用，必然會(huì)產(chǎn)生一個(gè)滑動(dòng)面。臨近滑動(dòng)面的土層中會(huì)產(chǎn)生剪切應(yīng)力，當(dāng)盾構(gòu)剛通過(guò)受剪切破壞的地層時(shí)，因受剪切而產(chǎn)生的拉應(yīng)力導(dǎo)致土壤立刻向盾構(gòu)后面的空隙移動(dòng)；當(dāng)管片脫出盾尾后，如不及時(shí)充填該空隙，就會(huì)被周圍土體占領(lǐng)，最終形成較大的地面沉降。壁后注漿是對(duì)盾尾形成的施工空隙進(jìn)行填充注漿，是控制地層沉降的一個(gè)重要環(huán)節(jié)之一。

嚴(yán)格控制同步注漿量和漿液質(zhì)量，務(wù)必做到以下三點(diǎn)：

①保證每環(huán)要達(dá)到注漿總量。②保證盾構(gòu)推進(jìn)每箱土的過(guò)程中均勻合理地壓注。③漿液的配合比必須符合標(biāo)準(zhǔn)，可以根據(jù)實(shí)際情況合理修改漿液配合比。

在硬土層中，如硬土泥板巖層中，沒有大的裂縫，漿液不會(huì)流失到周圍土體中去，所以在硬土層中漿液滲透量較軟土層??；同時(shí)，硬土層的強(qiáng)度大，穩(wěn)定性比軟土層好。當(dāng)管片脫離盾尾后，產(chǎn)生較大的建筑空隙，會(huì)造成管片上浮等多種問題。所以注漿時(shí)，應(yīng)適當(dāng)加大注漿量、降低注漿壓力，因漿體中的膠凝材料可充分進(jìn)行水化作用，提高漿體強(qiáng)度，有利于減小對(duì)地層的擾動(dòng)、減小地層應(yīng)力釋放。如果壓力過(guò)高，盾尾空隙填充完后，漿液會(huì)流向盾體、刀盤，嚴(yán)重時(shí)會(huì)裹往盾體、包裹刀盤刀具。

注漿量

q=■（D■■-D■■）ma=■（6.8852-6.62）÷1.5×1.8=6.8m3

其中，D1為開挖直徑，D2為管片外徑，m為管片長(zhǎng)度，a為注入率。

3.2.2 勤測(cè)量

在隧道過(guò)建筑物時(shí)，地表沉降必須全線進(jìn)行，并沿縱軸線每5 m 布置地表樁測(cè)點(diǎn) ， 進(jìn)行連續(xù)測(cè)量。對(duì)位于沉降槽影響范圍的建筑物，作重點(diǎn)保護(hù)監(jiān)測(cè)，加強(qiáng)監(jiān)測(cè)力度。隧道內(nèi)的盾構(gòu)機(jī)要控制好姿態(tài)，盾構(gòu)姿態(tài)變化不可過(guò)大、過(guò)頻。根據(jù)盾構(gòu)姿態(tài)合理使用仿形刀和千斤頂編組頂進(jìn)，糾偏幅度不宜過(guò)大，盡量保持機(jī)體平穩(wěn)推進(jìn)，避免由于機(jī)體擾動(dòng)周圍土體和超挖引起地層損失，對(duì)地面沉降控制造成不利影響。

3.3 下穿段掘進(jìn)參數(shù)

從表4中可以看出，將中部土壓控制在0.1bar，推力控制在13000kN，刀盤扭矩在3200kN/m附近時(shí)，速度在30mm/min，也就是推進(jìn)一環(huán)在60分鐘以內(nèi)，考慮到二次補(bǔ)漿的速度和準(zhǔn)備工作，剛好能滿足現(xiàn)場(chǎng)施工。

4 監(jiān)控測(cè)量管理

4.1 測(cè)點(diǎn)埋設(shè)情況及監(jiān)測(cè)項(xiàng)目

測(cè)點(diǎn)埋設(shè)情況：目前歇臺(tái)子站～石橋鋪站區(qū)間已埋設(shè)完成測(cè)點(diǎn)情況：既有一號(hào)線歇石區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)凈空收斂測(cè)點(diǎn)215個(gè)，隧道結(jié)構(gòu)拱頂下沉測(cè)點(diǎn)124個(gè)，軌道結(jié)構(gòu)（道床）豎向位移215個(gè)，裂縫測(cè)點(diǎn)273個(gè)；5號(hào)線地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)178個(gè)，拱頂測(cè)點(diǎn)59個(gè)，凈空收斂測(cè)點(diǎn)11個(gè)，建筑物沉降5個(gè)，建筑物傾斜1個(gè)，管線沉降3個(gè)。

監(jiān)測(cè)項(xiàng)目：地表沉降、隧道結(jié)構(gòu)凈空收斂、拱頂下沉、軌道結(jié)構(gòu)（道床）豎向位移、建筑物沉降、建筑物傾斜、管線沉降。

監(jiān)測(cè)頻率及監(jiān)測(cè)控制指標(biāo)：詳見表5。

4.2 施工監(jiān)測(cè)結(jié)果

表6所示監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，截止2015年11月11日，巡視無(wú)異常、監(jiān)測(cè)無(wú)異常。從2015年10月23日到11月5日，共14天的時(shí)間，經(jīng)過(guò)精心策劃和準(zhǔn)備，下穿過(guò)程中全體員工的盡職工作，在沉降允許的范圍內(nèi)安全快速通過(guò)了一號(hào)線。

5 總結(jié)

歇臺(tái)子站～石橋鋪站區(qū)間盾構(gòu)下穿施工的順利實(shí)施，充分驗(yàn)證了本文盾構(gòu)下穿施工參數(shù)監(jiān)測(cè)控制方案的可行性。目前，地鐵下穿既有建筑物的工程越來(lái)越多。在防止盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程中造成既有盾構(gòu)施工區(qū)段內(nèi)土體下沉危及地面建筑、行車和行人安全的同時(shí)，還要確保隧道在列車運(yùn)行荷載作用下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。盾構(gòu)施工穿越建筑物等障礙物時(shí)，施工前首先要對(duì)既有建筑物調(diào)查，充分了解具體邊界條件后再分析可能產(chǎn)生風(fēng)險(xiǎn)的原因，有針對(duì)性地制訂相應(yīng)的施工措施，并做好施工過(guò)程中的監(jiān)測(cè)工作，依所測(cè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)調(diào)整盾構(gòu)參數(shù)。同時(shí)，針對(duì)穿越障礙的風(fēng)險(xiǎn)，制訂相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案，以保證在出現(xiàn)意外情況時(shí)仍然可以按預(yù)案進(jìn)行處理而不致于手足無(wú)措。

參考文獻(xiàn)：

[1]顧艷陽(yáng).降低盾構(gòu)法施工成本的措施探討[J].價(jià)值工程， 2013（01）.

[2]王小紅.小議地鐵施工盾構(gòu)法施工技術(shù)[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2013（34）.

[3]劉娜.盾構(gòu)法施工單機(jī)核算管理模式的應(yīng)用[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2012（02）.