盾構小半徑穿越建筑物施工技術

孔慶賢（江蘇建科工程咨詢有限公司，江蘇南京210008）

0 引言

盾構在穿越地面建(構)筑物時常遇到因為掘進參數(shù)未調(diào)整到最優(yōu)狀態(tài)，出現(xiàn)道路和建筑物因沉降而開裂的情況。影響建(構)筑物沉降的因素很多，我們在盾構掘進過程中應根據(jù)改良渣土的性狀、油缸推力、刀盤扭矩的變化及周邊巖土體的沉降變形(監(jiān)測結果)情況，不斷地對掘進參數(shù)進行優(yōu)化，最終找到適應該巖土層的最優(yōu)掘進參數(shù)。本工程是在 350m 小半徑曲線上穿越園上園小區(qū)建筑物群，難度更大；盾構在小半徑曲線上的掘進方向不斷在變化，對巖土體的擾動比一般的曲線大；仿形刀的使用，使管環(huán)外圍的間隙比一般曲線大。所以，在小半徑曲線上掘進巖土體的變形比一般曲線大都要大。如何保證盾構在小半徑曲線上管片拼裝質量和周邊建筑物安全，是本文研究的課題；也是地下隧道施工所研究的課題。

1 工程概況

1.1 周邊環(huán)境及設計參數(shù)

合肥地鐵3號線新海大道站—經(jīng)三路站區(qū)間(左線857m、右線 886m)始于新海大道站南端頭井，沿途側穿勤居苑小區(qū)臨街商鋪，下穿郎溪路人行天橋、園上園小區(qū)普通地下室、人防地下室，郎溪路 B 匝道橋，之后沿包公大道自東向西鋪設，到達經(jīng)三路站東端頭井。區(qū)間右線長度 886.297m，區(qū)間左線長度左線長 885.931m(短鏈 29.722m)；左右線均采用盾構法施工。平面上，本區(qū)間左、右線各有一段平曲線，曲線半徑為 350m。

1.2 工程地質情況

隧道主要穿越 ②2硬塑狀黏土。

1.3 風險描述

區(qū)間隧道在右 DK29+250.000～右 DK29+400.000(左200 環(huán)～355 環(huán)，右 230 環(huán)～345 環(huán))處下穿園上園小區(qū)普通地下室、防空地下室和地下車庫，側穿園上園 10號住宅及幼兒園墻下條形基礎和柱下獨立基礎。穿越區(qū)段覆土埋深約為 15.2m～16.8m。地下室和地下車庫為整體筏板基礎，基底標高為 22.75m (絕對高程)，區(qū)間隧道與地下室底面基礎垂直距離約為 9.8m～12.6m。條形基礎基底標高為23.4m，基礎底距隧道頂部最短距離約為 9.9m，最短水平距離約2.39m，風險工程等級為1級。

2 掘進參數(shù)選擇

2.1 出土量控制參數(shù)

確定每環(huán)理論出土虛方量V理論。V理論=K·π·(D/2·L)。其中：K為綜合松散系數(shù)；D為盾構刀盤直徑、L為管片環(huán)寬?！熬C合松散系數(shù)”K的理論公式

K1為土體從開挖面到進入螺旋輸送機前產(chǎn)生的松散系數(shù)；

K2為土體經(jīng)螺旋輸送機產(chǎn)生的松散系數(shù)；

K3為土體從螺旋輸送機出口自由落到皮帶機上產(chǎn)生的松散系數(shù)；

K4為土體從皮帶機末端自由落到土箱產(chǎn)生的松散系數(shù)。

施工中可以對“綜合松散系數(shù)”進行實測。具體做法是通過將單位體積的虛土進行烘干(并扣除加泥及加泡沫的影響)，得出干容重，在將之與地勘報告中得出的干容量進行比較。本工程土質為硬塑黏土，實測的“綜合松散系數(shù)”為 1.1～1.2。

2.2 土壓力控制參數(shù)

2.2.1 土壓力計算

(1)土艙壓力上限值：P上=P1＋P3=qγw·h+ tan2(45+Φ/2)P2+2·Cu·tan(45+Φ/2)

其中：P上為土艙壓力上限值(kPa)；

P1為地下水壓力(kPa)；

P2為土自重應力(kPa)(根據(jù)地質勘察報告，隧頂埋深取19m，黏土天然重度為20kN/m3；P2=Σγi·hi=230 kPa ～250 kPa，P2取 230 kPa)；

P3為被動土壓力；P3=tan2(45+Φ/2)P2+2·Cu·tan(45+Φ/2)；

q為根據(jù)土的滲透系數(shù)確定的一個經(jīng)驗值，黏土中取0.1；

γw為水的溶重，取10kN/m3；

h為地下水位距離刀盤頂部的高度，取15m；

γi為第i層土的自重(水位線以下為 20－10＝10 kN/m3，水位線以上取20kN/m3)；

hi為第i層土的厚度，隧道埋深，假定為均值取19m；

Cu 為土的凝聚力，根據(jù)地質勘察報告，取 42 kPa；

Φ為內(nèi)摩擦角，取 15.7。

K0為靜止土壓力系數(shù)，根據(jù)地質勘察報告，取0.56。

(2)土艙壓力下限值：P下=P1＋P'3=qγw·h+ tan2(45－Φ/2)P2+2·Cu·tan(45－Φ/2)

其中：P下為土艙壓力下限值(kPa)；

P'3為主動土壓力(kPa)。

(3)經(jīng)計算，得：

土艙壓力上限值P上＝0.1×10×15+tan2(45+15.7/2)×230+2×42×tan(45+15.7/2)=526.5 kPa =5.265 bar；

土艙壓力下限值P下＝0.1×10×15+tan2(45－15.7/2)×230+2×42×tan(45－15.7/2)=83.3 kPa =0.833 bar；

靜止土壓力P0＝K0P2＝0.56×230＝128.8 kPa＝1.29 bar。

2.2.2 土壓力控制參數(shù)

所以，土艙壓力控制在 0.833 bar～5.265 bar 之間波動認為是掌子面是穩(wěn)定的。但是，當高于靜止土壓力，土體產(chǎn)生隆起變形；低于靜止土壓力土體會出現(xiàn)收斂變形。高于被動土壓力或低于主動土壓力土體破壞。

2.3 推進速度參數(shù)

盾構推進通過對土壓傳感器的數(shù)據(jù)來控制千斤頂?shù)耐七M速度，推進速度控制在15mm/min～40 mm/min，并保持推進速度、刀盤轉速、出土速度和注漿速度相匹配；在推進過程中保持穩(wěn)定，每班推進 2～4 環(huán)左右。

2.4 其他參數(shù)

下穿園上園小區(qū)路線整體為下坡，埋深從14m 逐漸增至 20.0m，土壓變化較大。

表1 推進參數(shù)表

3 掘進控制措施

3.1 出土量控制措施

(1)出土量的大小是判斷盾構是否出現(xiàn)超挖或欠挖的最直觀依據(jù)。施工中，應嚴格控制每環(huán)出土量偏差不超過理論值的 5%。

(2)出土量與土倉進土量同步。即盾構機推進速度與螺旋機轉速要匹配，保證土倉壓力控制在設定范圍內(nèi)。

3.2 土壓力控制措施

(1)根據(jù)盾構推進速度選擇相匹配的螺旋機轉速及閘門開度，確保掘進過程中的土壓力穩(wěn)定；壓力波動應控制在±0.02 MPa。

(2)使用最優(yōu)的添加劑保證土體的塑流性，保證土壓力穩(wěn)定。

3.3 渣土改良措施

為使盾構正常掘進，土體必須具有良好的塑流性，同時具有低透水性，以阻止地下水。實際工程中，開挖的土體往往不能滿足塑流性和低透水性要求，必須采用塑流化技術，即向開挖面、土壓倉注入改性材料，以保證開挖面穩(wěn)定，實現(xiàn)土壓平衡掘進；同時有利于降低機械負荷，提高盾構掘進速度。

本標段盾構機所配備的泡沫系統(tǒng)(本機器配有四路泡沫采用單管單泵方式)，向土壤中加注泡沫、水、適量的分散劑。根據(jù)之前推進段的經(jīng)驗，配合比選取兩路泡沫、兩路水、適量分散劑。

本工程渣土改良所用材料配合比參數(shù)如下。

泡沫：泡沫溶液的配比為 3%(泡沫原液加注速率/水加注速率＝3∶97)；對于黏性土層，泡沫的膨脹率在6～15，本工程取 10，即空氣注速率/泡沫液體注速率＝9∶1；注入比=(泡沫)/(土壤的開挖速率)×100%，為25%～30%；每環(huán)泡沫注入量為10000 L /環(huán)～14 000 L/環(huán)(泡沫原液用量在 35 L/環(huán)～40 L/環(huán))。

水∶水注入比為 20%～25%；水的注入量10000 L /環(huán)～12 000 L/環(huán)。

分散劑：分散劑配比，在1000 L 泡沫原液中加入25L分散劑原液；則分散劑原液用量 900 mL /環(huán)～1 000 mL/環(huán)。

泡沫、水、分散劑的注入量是動態(tài)變化，根據(jù)巖土層性能、含水量的變化進行適當調(diào)整。當土層的含水量高，適當減少水的注入，保證渣土的坍落度控制在 120 mm 以內(nèi)，當渣土的坍落度過大時增大泡沫的膨脹率，反之，減小泡沫的膨脹率。

經(jīng)過改良后渣土的坍落度在 60 mm～120 mm；推力、扭矩波動范圍分別控制在8000 kN～11 000 kN 和2 600 kN·m ～3 100 kN·m。對周邊巖土體的擾動較小。

4 建筑物沉降變形控制措施

4.1 同步注漿

(1)注漿量計算。工程所處地層為 ②2硬塑黏土層，滲透系數(shù)小，土質系數(shù)在 1.0～1.2 之間，但漿液在注入壓力下也會對土體產(chǎn)生劈裂滲透。同時考慮到減少地面沉降，加強對地上建構筑物的保護，故穿越園上園小區(qū)時取1.1 的同步注漿填充系數(shù)。即每環(huán)同步注漿量約為 π·(R2-r2)·L·S=3.14×(3.142-32)×1.5x1.1=4.4m3。R為刀盤半徑；r為管片半徑；L為管片長度、取 1.5m；S為填充系數(shù)。

(2)漿液配比。本區(qū)間所用同步注漿漿液配合比如表 2所示。

表2 同步注漿漿液配合比

經(jīng)實驗，按此配比配制成的同步注漿液的初凝時間為6 h ～8 h，稠度在10cm～12 cm，凝結強度、固體收縮率等指標均符合設計要求，滿足穿越建筑物沉降控制的要求。

(3)注漿壓力。同步注漿壓力應控制在 0.2 MPa ～0.35 MPa，防止擊穿盾尾刷漏漿。

4.2 二次注漿

(1)注漿時間、范圍及注漿量。注漿時間：在同步注漿終凝后且管片脫出盾尾 2～3 環(huán)后；注漿范圍及注漿量：隔一環(huán)注一次，每次注漿量保持在 1.2m3～1.5m3。

(2)漿液配比。由于下穿園上園為 350 小半徑曲線。為盡早形成強度穩(wěn)定管片，二次注漿液采用雙液漿縮短漿液凝固時間。A 液(主要采用水泥漿)水泥：水=1∶1 (質量比)；B 液(主要采用水玻璃溶液)水：水玻璃=1∶1 (體積比)。漿液體積比例：A 液 50%，B 液 50%。

表3 雙液漿配比及漿液主要性質表

(3)注漿壓力。注漿壓力為 0.3 MPa～0.5 MPa，地面隆起量在1mm～2 mm，減少建筑物沉降變形。

4.3 以監(jiān)測結果為指導，優(yōu)化盾構掘進參數(shù)

(1)測點布設。穿越建筑物時每 30m 一斷面，每個斷面的監(jiān)測點數(shù)量不少于7個，主要影響區(qū)域間距宜為3m～5m，次要影響區(qū)域間距宜為5m～10m。

(2)監(jiān)測頻率和范圍。建筑物沉降監(jiān)測頻率為2次/d。重點監(jiān)測范圍：縱向測設的范圍為盾尾后 30m 到刀盤前20m。

(3)優(yōu)化掘進參數(shù)。監(jiān)測數(shù)據(jù)按沉降、理論分析處理后作為設定和優(yōu)化盾構施工參數(shù)(如土艙壓力、注漿壓力等)的依據(jù)，實現(xiàn)對建筑物隆沉的有效控制。

5 小半徑曲線段盾構掘進施工控制措施

小半徑曲線盾構軸線的控制是盾構施工的難點之一。本區(qū)間下穿園上園小區(qū)是一段半徑 350m 的圓曲線，掘進時采取的主要控制措施如下。

5.1 使用鉸接油缸和仿形刀

5.1.1 鉸接油缸的使用

使用鉸接油缸，使盾構切口至支撐環(huán)，支撐環(huán)至盾尾都形成活體，增加了盾構的靈敏度，可以在推進時減少超挖量的同時產(chǎn)生推進分力，確保曲線施工的推進軸線控制。管片外弧碎裂和管片滲水等情況得以大大改善。

鉸接角度α=(L1+L2)×180/(π·R)=(2.32+2.89)×180/(3.14×350)＝0.85°；式中L1、L2分別為鉸接盾構的前盾和中盾長度，R為曲線半徑，α 為盾構機在小半徑曲線上的鉸接角度。

通過固定鉸接千斤頂行程差來固定盾構機的鉸接角度，從而使盾構機適應相應的曲線半徑。鉸接千斤頂行程差=千斤頂最大行程差×左右鉸接角度/最大左右鉸接角度＝150×0.85/1.5＝85 mm。本工程使用的盾構機鉸接千斤頂最大行程差為 150 mm，最大左右鉸接角度為 1.5°。

5.1.2 仿形刀的使用。

盾構大刀盤上安裝有仿形刀，具有一定的超挖范圍。在曲線施工時可根據(jù)推進軸線情況進行部分超挖，超挖量越大，曲線施工越容易。但另一方面，超挖會使同步注漿漿液因土體的松動繞入開挖面，加上曲線推進時反力下降的因素，會產(chǎn)生隧道變形增大的問題。因此，超挖量最好控制在超挖范圍的最小限度內(nèi)。

5.2 小半徑曲線管片排版

5.2.1 K塊所在油缸點位楔形量計算(如表4所示)

表4 K塊所在油缸點位楔形量計算

5.2.2 曲線上管片排版

(1)考慮到管片 1/2 錯縫拼裝，K 塊安裝點位選取滿足以下條件：Kn+1－Kn=±2N1，式中Kn+1、Kn為相鄰2環(huán) K塊所對應的點位；N1為≤7 的自然數(shù)；管環(huán)水平、垂直方向楔形量與曲線及坡度線型相符合。

(2)管環(huán)排版如下：K 塊安裝點位循環(huán)周期6環(huán)，即 5塊 K 塊在內(nèi)側1塊在外側排列。則 350m 半徑曲線上管片排版為：K 塊排列為“3號油缸位置+7號油缸位置+5號油缸位置+7號油缸位置+15號油缸位置+5號油缸位置”。

5.3 K塊安裝點位的驗算

5.3.1 水平方向驗算：

(1)350 mm 小半徑曲線每環(huán)管片的平均楔形量。

δ1＝L·D/R=1.5×6 000/350＝25.61 mm；式中：δ1為管片的楔形量；L為管片寬度 1.5m；R為曲線半徑350m；D為管片直徑6m。

(2)6環(huán)楔形量之和：6δ1＝6×25.61＝153.66 mm。

(3)6環(huán) K 塊安裝點位的楔形量之和：K3+K7+K5+K7+K15+K5＝31.82×3+45×2－31.82＝153.64mm；設右偏為+，左偏為－。6δ1＝K3+K7+K5+K7+K15+K5；所以，6 環(huán)周期的 K 塊安裝點位的水平楔形量滿足曲線掘進要求。

5.3.2 垂直方向驗算

(1)坡度方向為直線，所以6環(huán)楔形量之和為 0。

(2)6環(huán) K 塊安裝點位的楔形量之和：K3+K7+K5+K7+K15+K5＝31.82－31.82+0+31.82－31.82+0＝0；設上偏為+，下偏為－。

所以，6 環(huán)周期的K塊安裝點位的垂直楔形量也滿足直線掘進要求。

5.4 加強盾構導向系統(tǒng)測量復測

加大地面測量力度，保證地面測量的精度。同時，加密加勤移站測量次數(shù)。由于隧道轉彎曲率半徑小，隧道內(nèi)的通視條件相對較差，因此必須多次設置新的測量點和后視點。在設置新的測量點后，應嚴格加以復測，確保測量點的準確性，防止造成誤測。同時，由于盾構機轉彎的側向分力較大，因此可能造成成環(huán)隧道的水平位移，所以必須定期復測后視點，保證盾構自動導向系統(tǒng)所測得的盾構姿態(tài)的準確性。

5.5 加強盾構姿態(tài)控制

5.5.1 盾構姿態(tài)預偏

在掘進過程中，根據(jù)地質情況和線路走向趨勢，使盾構機提前進入相應的預備姿勢，減少之后的因不良姿態(tài)引起的糾偏。提前10環(huán)將盾構機軸線向內(nèi)側偏到15mm～30 mm，與設計曲線形成割線，然后順延盾構機趨勢，確保與設計軸線的吻合。

5.5.2 盾構姿態(tài)糾偏操作方法

如盾構偏離設計軸線，需糾偏時，可在偏離方向相反處，調(diào)低該區(qū)域千斤頂工作壓力，造成兩千斤頂?shù)男谐滩?。糾偏時要使千斤頂各區(qū)域壓力分布呈線性狀態(tài)，如盾構要向右糾，除左區(qū)要較右區(qū)有一個較大的壓力差外，上、下區(qū)域的壓力也要適當，一般可取左、右區(qū)域壓力的平均值。同理，如需上、下糾偏時，可造成上、下區(qū)域千斤頂?shù)膲毫Σ睢?/p>

5.5.3 盾構糾偏量

采取小糾偏、勤糾偏的原則，糾偏量不宜太大；每環(huán)累計糾偏量不宜超過盾尾間隙(實量)的 2/3；否則，盾殼會碰擦管環(huán)，損傷管片及盾尾刷，造成管片破損及盾尾漏漿。

5.5.4 加強螺栓復緊

每環(huán)推進結束后，須擰緊當前環(huán)管片的連接螺栓，并在下環(huán)推進時進行復緊，克服作用于管片推力產(chǎn)生的垂直分力，減少成環(huán)隧道浮動。每掘進完成3環(huán)，對10環(huán)以內(nèi)的管片連接螺栓復擰一次。

6 實施效果

通過以上盾構掘進參數(shù)的選擇、技術措施的應用，取得了以下效果。

6.1 保證了盾構在小半徑曲線上穿越地面建筑物的施工質量

(1)左右線成型隧道圓環(huán)中心軸線偏差情況：平面最大偏差為 80 mm(小于控制值 100 mm)；高程最大偏差為 －61 mm (小于控制值 100 mm)。

(2)左右線成型管片的錯臺情況：環(huán)向最大值13mm(小于15mm)；徑向最大值為8mm(小于10mm)。

(3)左右線隧道滲漏情況：未發(fā)現(xiàn)明顯滲漏點。

6.2 有效控制了隧道周邊巖土體的變形，保證了建筑物的安全

6.2.1 盾構隧道結構變形監(jiān)測情況

(1)拱頂沉降累計最大值(YGD21)為 －2.66 mm (小于控制值20mm)，符合要求。

(2)隧道底部累計隆起最大值(YLQ29)為 －0.01 mm (小于控制值20mm)，符合要求。

(3)隧道收斂累計變形最大值(在YSL23斷面)為－2.56 mm (小于控制值 0.2%D＝12 mm)，符合要求。

6.2.1 周邊環(huán)境沉降監(jiān)測情況

(1)小區(qū)道路累計最大沉降量(DBC11-1)為 －9.26 mm，小于報警值 －30 mm。

(2)建筑物累計最大沉降量(JGC8-5)為 －5.12 mm，小于報警值 －10 mm。