盾構(gòu)下穿建筑物施工控制技術(shù)研究

劉明山

（中鐵十局集團(tuán)第一工程有限公司，濟(jì)南 250001）

目前，土壓平衡盾構(gòu)法隧道施工面臨著許多復(fù)雜條件下穿越建筑物施工的風(fēng)險(xiǎn)，盾構(gòu)施工工法雖然在安全、快速、環(huán)保等方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，但盾構(gòu)施工長(zhǎng)距離穿越建筑物，難免由于刀盤對(duì)地層的擾動(dòng)導(dǎo)致地層位移，引起地面建筑物的不均勻沉降及結(jié)構(gòu)失穩(wěn)等風(fēng)險(xiǎn)。濟(jì)南軌道交通3號(hào)線王舍人站-裴家營(yíng)站區(qū)間穿越建筑物群施工，通過施工措施、施工監(jiān)測(cè)、施工參數(shù)控制等一系列手段，順利完成盾構(gòu)穿越建筑物施工，未對(duì)建筑物造成任何影響。

1 工程概況

王舍人站-裴家營(yíng)站區(qū)間隧道下穿的建筑物群有農(nóng)行濟(jì)南東郊支行、蘇寧電器大樓、昌隆宿舍樓、濟(jì)南化肥廠宿舍樓群等建筑物。農(nóng)業(yè)銀行濟(jì)南東郊支行大樓，3層磚混結(jié)構(gòu)，無基礎(chǔ)，區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)與農(nóng)行濟(jì)南東郊支行大樓在左XK15+724.349～XK15+772.260里程范圍最小垂直距離為13.10m；蘇寧電器大樓，4層磚混結(jié)構(gòu)，1987年建造，基礎(chǔ)資料遺失，隧道與蘇寧電器大樓在左XK15+778.906～XK15+822.090里程范圍最小垂直距離為12.72m；昌隆公司宿舍樓為6層框架結(jié)構(gòu)，獨(dú)立基礎(chǔ)，建造時(shí)間1999年，無地下室，隧道與昌隆公司宿舍樓在左XK15+900里程附近最小垂直距離為12.55m，化肥廠宿舍樓群為4～6層框架結(jié)構(gòu)，獨(dú)立基礎(chǔ)，個(gè)別宿舍含地下一層，建造時(shí)間最早在1971—1980年，較久遠(yuǎn)，無基礎(chǔ)，隧道與濟(jì)南化肥廠宿舍樓群在左XK16+038.069～XK16+161.709里程范圍最小垂直距離為13.22m，濟(jì)南第三人民醫(yī)院核磁共振室、CT室均為1層磚混結(jié)構(gòu)，淺基礎(chǔ)，無地下室，隧道與濟(jì)南第三人民醫(yī)院核磁共振室、CT室在右SK16+238.400～右SK16+308.000里程范圍內(nèi)垂直距離約為14.85m。隧道與建筑位置關(guān)系詳見圖1、圖2。

王舍人站-裴家營(yíng)站區(qū)間盾構(gòu)下穿建筑物群段地層分別為粉質(zhì)粘土10-1層、粉質(zhì)黏土14-1層、黏土14-2層、卵石14-4、碎石15-1層，隧道主要穿越粉質(zhì)粘土層。地質(zhì)剖面圖詳見圖3。

2 工程風(fēng)險(xiǎn)分析[1]

2.1 建筑物結(jié)構(gòu)下沉位移，建筑物結(jié)構(gòu)失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)

王裴區(qū)間盾構(gòu)下穿建筑物距離較長(zhǎng)，穿越建筑物存在側(cè)穿和下穿兩種形式，以化肥廠宿舍為代表的部分建筑物年代久遠(yuǎn)，基礎(chǔ)資料遺失，隧道采用盾構(gòu)法施工，盾構(gòu)設(shè)備地層埋深較淺，盾構(gòu)掘進(jìn)施工中刀盤對(duì)地層產(chǎn)生一定擾動(dòng)，易造成建筑物沉降，建筑物結(jié)構(gòu)失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 隧道與建筑物平面位置關(guān)系

圖2 隧道與建筑位置關(guān)系立體圖

2.2 居民人身財(cái)產(chǎn)安全風(fēng)險(xiǎn)

區(qū)間下穿和側(cè)穿的建筑物修建年代久遠(yuǎn)，部分房屋現(xiàn)狀殘破，地勘資料中部分建筑物無基礎(chǔ)，部分建筑物基礎(chǔ)資料遺失，大大增加了施工難度。盾構(gòu)穿越過程中建筑物多為居民樓，穿越過程中地面沉降等因素對(duì)居民樓結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響，間接增加了居民人身財(cái)產(chǎn)安全的風(fēng)險(xiǎn)。

2.3 盾構(gòu)施工掘進(jìn)風(fēng)險(xiǎn)

盾構(gòu)下穿建筑物段，部分隧道底部存在閃長(zhǎng)巖凸起，影響掘進(jìn)速度，同時(shí)地下水位較高，易發(fā)生螺旋機(jī)噴涌、盾尾漏水漏漿的風(fēng)險(xiǎn)；隧道上部以粉質(zhì)黏土為主，上軟下硬地層不利于地層沉降控制，易發(fā)生盾構(gòu)開挖掌子面沉降過大風(fēng)險(xiǎn)。

圖3 下穿建筑物段地質(zhì)剖面圖

3 盾構(gòu)施工主要技術(shù)措施[2-3]

（1）下穿建筑物前由建設(shè)單位牽頭、各參建單位參加進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)踏勘，對(duì)建筑物現(xiàn)有情況數(shù)據(jù)等進(jìn)行收集，保留原始資料。

（2）聯(lián)合區(qū)政府與各參建單位成立下穿建筑物工作小組，信息化管理，動(dòng)態(tài)施工，能第一時(shí)間處理應(yīng)急情況。

（3）聯(lián)合軌道交通集團(tuán)、同濟(jì)大學(xué)、中鐵裝備研發(fā)并在盾構(gòu)機(jī)上安裝壁后注漿監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)同步注漿的飽滿程度，第一時(shí)間進(jìn)行補(bǔ)漿。

（4）嚴(yán)格控制土倉(cāng)壓力，上下波動(dòng)不超0.2bar。

（5）嚴(yán)格控制出土量，每斗土進(jìn)尺不得低于400mm，總出土量不得大于3斗（54m3）。

（6）每環(huán)同步注漿量不得低于6.9m3，嚴(yán)格控制水泥砂漿質(zhì)量，稠度控制在10～12mm，初凝時(shí)間控制在4～6h。

（7）建筑物下隧道管片選用無破損、無裂縫管片，并嚴(yán)格控制拼裝質(zhì)量，如拼裝時(shí)發(fā)生破損影響防水效果，及時(shí)進(jìn)行更換，保證建筑物下隧道不滲不漏。

（8）施工中根據(jù)下穿農(nóng)業(yè)銀行、蘇寧電器的沉降分析，管片脫出盾尾后2d左右建筑物沉降開始增加，及時(shí)在管片脫出盾尾5到8環(huán)位置進(jìn)行二次補(bǔ)漿，少量多次，并嚴(yán)格控制注漿壓力，地面監(jiān)測(cè)和洞內(nèi)注漿做好信息聯(lián)動(dòng)，避免建筑物隆起及管片開裂。

（9）應(yīng)急深孔注漿，如二次注漿后建筑物沉降得不到控制，洞內(nèi)采用花管深孔注漿，控制建筑物沉降，如有需要采用地面袖閥管注漿加固房屋。

4 施工控制[4-5]

4.1 施工參數(shù)控制

4.1.1 土倉(cāng)壓力控制

區(qū)間左右線下穿建筑物埋深相近，計(jì)算左右線各自的土倉(cāng)壓力：

土倉(cāng)壓力選取常用的土力學(xué)公式按水土合算計(jì)算靜止土壓力，計(jì)算深度選取盾構(gòu)中心位置。

式中：P—隧道中心水土壓力值；P1、P2—分別指水土壓力、變動(dòng)荷載（選取為20kPa）；K0—靜止土壓力系數(shù)；h—在盾構(gòu)中心上方的各土層厚度（m）；γ—在盾構(gòu)中心上方的各土層容重（kN/m3）。

區(qū)間右線下穿建筑期間土倉(cāng)壓力在1.25±0.1～1.63±0.1bar，下穿施工至化肥廠宿舍2#樓位置時(shí)，刀盤扭矩開始有變大的趨向，取渣樣發(fā)現(xiàn)含有碎石，且含水量增加，為降低扭矩增大對(duì)土體的擾動(dòng)，調(diào)整泡沫比例，加大泡沫的注入量，減小刀盤扭矩。區(qū)間左線穿越該段建筑物時(shí)采取相同措施，保證了掘進(jìn)施工的連續(xù)性。從掘進(jìn)過程中建筑物的實(shí)施數(shù)據(jù)分析，影響很小。

4.1.2 掘進(jìn)速度

區(qū)間左、右線在下穿建筑物期間，掘進(jìn)地層全斷面粉質(zhì)黏土速度控制在40～50mm/min，掘進(jìn)地層為粉質(zhì)黏土和卵石層時(shí)速度控制在30～40mm/min，根據(jù)不同的地層及時(shí)調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)，通過渣土改良保證掘進(jìn)的勻速性，縮短開挖土體對(duì)地層的擾動(dòng)時(shí)間。

4.1.3 總推力

區(qū)間左、右線在下穿建筑物期間，全斷面粉質(zhì)黏土掘進(jìn)總推力在1000～1100T，粉質(zhì)黏土和卵石層掘進(jìn)隨著卵石層逐漸增多總推力在1200～1300 T，通過掘進(jìn)施工泡沫量調(diào)整，避免了卵石在土倉(cāng)內(nèi)的堆積，沒有出現(xiàn)推力持續(xù)增大的情況。

4.1.4 其他掘進(jìn)參數(shù)

穿越建筑物期間為減小對(duì)土體的擾動(dòng)，刀盤轉(zhuǎn)速調(diào)整為1.0±0.1rpm，掘進(jìn)施工對(duì)建筑物影響較小。出土量嚴(yán)格控制在54m3以內(nèi)，未出現(xiàn)超挖對(duì)線路的影響。

4.1.6 同步注漿配合比及注漿參數(shù)

根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)盾構(gòu)機(jī)注漿管壓力本工程暫取2～3bar，待盾構(gòu)機(jī)進(jìn)場(chǎng)后再根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。在建筑物下注漿量為理論建筑空隙的200%，本工程理論間隙為1.2π（6.682－6.42）/4＝3.45m3，考慮到下穿建筑物期間區(qū)間隧道掘進(jìn)方向?yàn)榍€，適當(dāng)增大注漿量，嚴(yán)格控制漿液的質(zhì)量，下穿建筑物段注漿量不低于6.9m3。注漿速度需與掘進(jìn)速度相結(jié)合。建筑物沉降較小，未對(duì)建筑物產(chǎn)生影響。同步注漿漿液配比如表1所示。

表1 同步注漿漿液配比

圖4 化肥廠4#樓沉降監(jiān)測(cè)變化曲線

4.2 監(jiān)控測(cè)量[6]

根據(jù)王裴區(qū)間設(shè)計(jì)藍(lán)圖要求區(qū)間建筑物沉降控制值為20mm，傾斜控制值0.002L。

盾構(gòu)下穿建筑物施工期間采取人工測(cè)量與全自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器相結(jié)合的方式進(jìn)行監(jiān)測(cè)，人工監(jiān)測(cè)建筑物監(jiān)測(cè)點(diǎn)共布置130個(gè)，全自動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置22個(gè)。

下穿建筑物中化肥廠宿舍4#樓較具有代表性，建造年代較久遠(yuǎn)，無基礎(chǔ)，右線穿越完成后建筑物沉降變化速率正常，最大沉降點(diǎn)累計(jì)沉降值0.8mm，左線完成穿越施工后建筑物沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)累計(jì)變化量正常速率及均未超設(shè)計(jì)控制指要求，累計(jì)變量最大點(diǎn)JGC14-09累計(jì)變量為1.12mm。

5 結(jié)語

選擇合理的盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)，保持連續(xù)平穩(wěn)的掘進(jìn)施工，對(duì)沉降控制有利；盾構(gòu)同步注漿漿液采用“水泥砂漿”，保證充足的注漿量，能夠較好地控制盾構(gòu)掘進(jìn)通過后的沉降，對(duì)施工沉降的控制起著重要作用。盾構(gòu)長(zhǎng)距離下穿建筑物依靠盾構(gòu)自身施工工藝及施工控制措施在濟(jì)南地區(qū)粉質(zhì)黏土及卵石地層中施工可滿足施工沉降控制要求。