軟弱地層盾構隧道近距離側穿建筑物沉降控制技術研究

摘 要：采用土壓平衡模式滿倉掘進盾構施工工藝克服了在軟弱地層掘進對地層擾動大的難題。提前籌劃，優(yōu)化措施，精細管理，動態(tài)調整，成功實現(xiàn)了以微小沉降，安全順利在軟弱地層中近距離側穿三棟結構薄弱建筑物。為以后類似邊界條件下盾構施工提供借鑒。

關鍵詞：軟弱地層；盾構隧道；側穿；沉降控制

、1 工程概況

廣州市軌道交通某線路某盾構隧道需近距離側穿三棟建筑物，沿盾構施工方向從東到西依次為宿舍樓A5棟（5層1977年建）、宿舍樓A6棟（6層1978年建）、綜合樓A7棟（7層1986年建）。其中A5、A6棟為磚混結構（基礎形式為約16米深340mm錘擊沉管灌注樁），南側加建單層附屬結構（無基礎）。A7棟為框架結構（基礎形式為約18米深480mm錘擊沉管灌注樁），左線隧道邊線距離A5、A6、A7棟建筑物樁基礎依次為1.3m、1.3m和2.7m。

2 地質情況

該隧道頂埋深11～13米，主要穿越的地層為淤泥質黏土〈2-1B〉、淤泥質粉細砂層<2-2>、淤泥質中粗砂層<2-3>和全風化泥質粉砂巖<6>。地面至隧道頂部范圍主要為雜填土層<1>、淤泥質粉細砂層<2-2>、淤泥質中粗砂層<2-3>，地質松散，穩(wěn)定性較差。

淤泥質粉細砂層<2-2>：呈灰黃色、灰色，飽和，松散，局部稍密，級配不良，顆粒較均勻，主要成分以石英顆粒為主，含少量粘粒及有機質。標貫實測擊數(shù)為3～18擊，平均擊數(shù)6.4擊。顆粒不均勻系數(shù)Cu=4.31，曲率系數(shù)Cc=0.46，水上坡角φ=41.70，水下坡角φ=32.90。

淤泥質中粗砂層<2-3>：呈深灰色，飽和，松散～稍密，級配良好，主要成分以石英中粗砂為主，局部夾薄層淤泥，含少量有機質成分，土質不均。標貫實測擊數(shù)為6～32擊，平均擊數(shù)16.9擊。顆粒不均勻系數(shù)Cu=8.06，曲率系數(shù)Cc=0.91，水上坡角φ=41.20，水下坡角φ=32.70。

3 施工風險及采取措施

3.1 施工風險

建筑物年代久遠，附屬結構已出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。樁基地層未進行加固處理，地層軟弱、流動性較強，盾構近距離側穿容易造成建筑物沉降、傾斜及開裂，危及建筑物安全。同時建筑物周圍地面管線較多，有供水、供電、燃氣、污水、雨水、通信等各類管線，需嚴格控制沉降以確保管線安全。

3.2 施工措施

3.2.1 盾構機配置

該盾構隧道采用中鐵裝備生產的編號147土壓平衡盾構機，該盾構機能適應不同地層及不良地質條件。盾構機的主要性能指標如下：盾構機開挖直徑6280mm，隧道管片外徑6000mm，內徑5400mm。盾構機采用液壓驅動型式，驅動組數(shù)量8組，額定扭矩6000KN·m，脫困扭矩7200KN·m。推進系統(tǒng)配備21根油缸，推進行程最大2100mm，最大推力3900T。盾體采用主動鉸接式。盾構機刀盤開口率34%，配備中心雙聯(lián)滾刀6把，單刃滾刀34把，切刀40把，12把邊刮刀，1把超挖刀，4個泡沫口，2個膨潤土口。螺旋輸送機最大通過粒徑φ340×560，最大出渣能力420m3/h，配備2道防水閘門。開挖倉內配置了5個土壓傳感器，前盾和盾尾頂部配置2個土壓傳感器。同步注漿口4個。

3.2.2 盾構參數(shù)調整

（1）土倉壓力的設定：根據(jù)地層覆土深度和水壓力初步設定滿倉掘進土倉壓力，在掘進過程中分析地面沉降或隆起及渣樣情況，如掘進時地面隆起大，掘進時可適當降低土倉壓力，直到隆起變小，再確定土倉壓力值，可以適當向刀盤加注泡沫及水進行渣土改良。

（2）扭矩的設定：在砂層中掘進情況下轉動刀盤，滿倉掘進，在上部土壓力穩(wěn)定的情況下，土倉出土，確保土壓力波動小，掘進扭矩保持恒定不出現(xiàn)大幅度波動。

（3）推力的控制：在穩(wěn)定的扭矩的情況下，適當增加推力，使掘進速度達到設定范圍內。

（4）刀盤轉速：提高刀盤的轉速可以降低刀具貫入度，即降低扭矩，同時會導致刀盤溫度升高，保證推進一環(huán)刀盤溫度不會過高，一般不高于55℃，適當提高轉速，盡量減小對掌子面的擾動，加快掘進速度。

（5）螺旋機轉速：在土倉壓力穩(wěn)定且保持恒定的掘進速度情況下，螺旋機的轉速保證土倉內滿倉時所進渣量同出渣量基本一致，達到平衡掘進，防止超挖。

3.2.3 監(jiān)測工作

隧道中心線上方每米布設一個地面沉降監(jiān)測點，同時加密隧道兩邊范圍監(jiān)測點，建筑物四周及墻身同樣布設監(jiān)測點。過程中對建筑物裂縫進行觀測記錄，監(jiān)測盾構掘進對建筑物的影響，實行每小時一測，及時反饋監(jiān)測數(shù)據(jù)并調整施工，如對地面沉降大的地方進行二次注漿或地面隆起大調整掘進參數(shù)等，從而減少施工風險，確保安全通過。如圖4。

3.2.4 技術控制

側穿建筑物區(qū)域地層流動性強，易受擾動，微小的壓力波動就會引起砂層的流動、地面沉降，建筑物就會傾斜開裂而出現(xiàn)極大的危險，故盾構機在出加固區(qū)后采用土壓平衡模式滿倉掘進工藝。

（1）控制出土量，每環(huán)出土控制在52m3，即每掘進50cm出土17.4m3，對比每環(huán)出土量是否超過設定值，及時分析原因，及時采取措施。

（2）對每環(huán)渣樣進行現(xiàn)場收集、分析，根據(jù)分析結果及監(jiān)測情況進行下一環(huán)盾構機掘進參數(shù)調整。

（3）控制盾構機推進姿態(tài)，軸線偏差不得超過±50mm，推進最終油缸行程1750～1900mm。每環(huán)量取盾尾間隙，依據(jù)盾尾間隙（優(yōu)先考慮）、盾構姿態(tài)和油缸行程差等逐環(huán)進行管片類型和拼裝點位選擇的計算。每環(huán)糾偏控制在5mm以內，盾尾間隙控制在55～95mm范圍。

（4）管片拼裝過程中必須進行螺栓復緊。管片拼裝時進行第一次復緊，管片螺栓扭矩290～350N·m，脫出盾尾后進行復緊，推出3環(huán)后進行二次復緊。

（5）停機時倉體上部壓力保持比掘進時高0.1bar，壓力低于掘進壓力時注入膨潤土保壓。

（6）注漿壓力比切口壓力大0.2bar，控制在2～4bar，每環(huán)同步注漿量5～7m3，4孔同時注漿，注漿量以壓力控制，下部每孔壓力比上部每孔壓力略大0.5～1.0bar，上部注漿量大于下部注漿量。

（7）在盾尾后第5環(huán)向臺車方向開始進行二次注漿。每班掘進前要進行二次注漿，每4環(huán)進行一次二次注漿，注漿位置為上部點位方向，壓力為0.4Mpa～0.5Mpa，依據(jù)地面反饋沉降信息及時調整。每個點位注漿1m3，當注漿壓力大于0.5Mpa時停止注漿。

4 施工參數(shù)及效果

4.1 始發(fā)段加固區(qū)及洞門封堵

里程ZDK40+407～ZDK40+398，頂部土壓力小于0.75bar，出土量小于54m3，速度控制小于15mm/min，扭矩小于2.0MN·m，總推力小于800t，刀盤轉速小于1.0rpm，刀盤位于加固區(qū)內。

里程ZDK40+398～ZDK40+398，隧道埋深約11.1米，在加固區(qū)內。掘進時倉體切口壓力：上部土壓1.3～1.5bar，停機時倉體上部壓力保持1.3bar以上，調節(jié)時以上部土壓力為主。推進千斤頂總推力小于1000t，推進千斤頂行程1750～1900mm，刀盤扭矩≤2.0MN·m，推進速度小于10mm/min（參數(shù)調整以速度為主，推力為輔），刀盤轉速1.2～1.5rpm，鉸接千斤頂行程40～80mm。

（1）在破素連續(xù)墻時采用低貫入度、小推力掘進，避免刀具損壞及素墻整體破裂。

（2）泡沫管5路、1路常開，并適當調節(jié)其流量，其余3路泡沫管可不定時打開，確保管路暢通，控制泡沫的使用量。

（3）從切削連續(xù)墻至加固體素墻距離10.2米，盾構機長度9.398米，刀盤抵至素墻后停機，此時盾尾剛好脫出連續(xù)墻，停機封堵洞門，土倉保持2/3體積的土。

（4）封洞期間洞門鋼套筒12點鐘方向球閥打開，有漏漿液時關閉球閥停止注漿，注漿期間盾體要不間斷移動2～3cm，防止?jié){液凝固抱緊盾體和堵塞同步注漿管。移動盾構機時不出土，為滿倉掘進做準備。

（5）觀察洞門防水簾布處是否漏漿，如果漏漿及時用砂袋或棉被封堵。

（6）封堵洞門后，繼續(xù)掘進破素墻，在出素墻時保持土倉滿倉，土倉上部壓力1.5bar，同時保證同步注漿量。

4.2 盾構通過A5棟

里程ZDK40+397～ZDK40+366，滿倉掘進，頂部土壓力1.32～1.62bar，出土量48～51m3，速度控制35～45mm/min，扭矩0.5～0.7MN·m，總推力700～900t。隧道通過地層：<2-1B>淤泥質黏土、<2-2>粉細砂層和<2-3>中粗砂層。期間地面累計最大沉降量+6.66mm（DM612），建筑物累計最大沉降量+3.4mm（A5棟A5-2），建筑物及地面無異常。

（1）左線掘進破素墻后到A5棟隧道埋深11.1～11.3m，滿倉掘進，土壓力1.3～1.4bar，隧道上部<2-2>粉細砂層，下部為<2-3>中粗砂層，掘進保持切口壓力平穩(wěn)。

（2）側穿A5棟隧道埋深11.3～11.9m，土壓力1.4～1.5bar，隧道上部<2-2>粉細砂層，下部為<2-3>中粗砂層，掘進保持切口壓力平穩(wěn)。

（3）及時在盾尾后第5環(huán)向臺車方向開始進行二次注漿，每班掘進前要進行二次注漿，每4環(huán)進行一次注漿。

4.3 盾構通過A7棟

里程ZDK40+316～ZDK40+272，滿倉掘進，頂部土壓力1.65～1.75bar，出土量48～51m3，速度控制40～50mm/min，扭矩1.0～2.5MN·m，總推力900～1400t。地面累計最大沉降量-16.74mm（A5棟南側DM614）。建筑物累計最大沉降量+2.10mm（A6棟B579），建筑物及地面無異常。

（1）掘進里程ZDK40+316.15到里程ZDK40+308.65，隧道埋深12.5～12.6m，滿倉掘進，土壓力1.60～1.65bar，隧道上部為<2-3>中粗砂層，下部為<6>全風化含礫砂巖，掘進保持切口壓力平穩(wěn)。

（2）掘進里程ZDK40+308.65到里程ZDK40+277.15，隧道埋深12.7～13m，滿倉掘進，土壓力1.65～1.7bar，地質上部為<2-2>粉細砂層，中下部為<6>全風化含礫砂巖，掘進保持切口壓力平穩(wěn)。

5 結束語

（1）在粉細砂層和中粗砂層為主的地層中宜滿倉掘進，掘進和地面監(jiān)測相結合，及時反饋沉降信息，調整掘進參數(shù)，滿倉土壓平衡模式掘進控制各項參數(shù)平穩(wěn)。

（2）加強對各項機械設備的維護，確保盾構各項設備的正常運行，降低故障率，減少可避免的停機時間。

（3）盾構始發(fā)前，認真核查洞門區(qū)域結構鋼筋是否切割徹底，可采用鋼筋探測設備進行核查，以避免鋼筋卡住螺旋出土機。同時盾構始發(fā)段，刀盤位于加固體內，可打開倉門及螺機前閘門觀察口，觀察有無鋼筋進入土倉，如發(fā)現(xiàn)，應及時停機清理。

（4）設計承載能力高的反力架，現(xiàn)場安裝時確保各構件及焊縫滿足要求，以應對盾構需加大推力脫困的突發(fā)狀況。同時監(jiān)測反力架變形情況，控制推力，確保反力架安全。

（5）若出現(xiàn)盾構掘進速度過小，推力過大，盾體被裹住抱死狀況?？缮炜s盾構鉸接裝置，或使用振動設備以松動盾體脫困。

（6）封堵洞門不宜使用水泥或雙液漿，可采用衡盾泥等新型材料，同時停機封堵時間切勿過長，防止水泥漿裹死盾尾。

（7）提前排查地質勘察孔封堵情況，并在盾構掘進過程中做好巡查，避免出現(xiàn)地面冒漿現(xiàn)象，如若出現(xiàn)，立即進行地面處理并往土倉內注入膨潤土保壓或聚氨酯填倉處理。

（8）為控制地面沉降，減少盾構通過后沉降，在掘進時調整土倉上部壓力，使掘進時保證地面隆起不超過5mm。如出現(xiàn)沉降過大，可從徑向孔注入衡盾泥等填充材料。同時及時進行二次注漿，控制注漿壓力，采用“低壓高頻”方式沿隧道方向依次反復注入，以控制地面及建筑物工后沉降。

參考文獻

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[2]竺維彬，張志良，林志元.廣州市軌道交通土建工程工法應用與創(chuàng)新[M].北京：人民交通出版社，2013，12.

作者簡介：袁夢（1990-），男，江西贛州人，工學碩士，華南理工大學畢業(yè)，廣州地鐵集團有限公司，主要研究方向為城市軌道交通建筑工程管理。