濟南地鐵富水地層盾構(gòu)下穿建筑物風(fēng)險分析與控制

喬秀兵 李 猛 周 平

（濟南城建集團有限公司，濟南 250000）

盾構(gòu)法施工過程中所穿越地層不可預(yù)見和復(fù)雜多變，存在諸多不可預(yù)見的風(fēng)險，尤其在不良地質(zhì)條件下穿越建筑物時，施工風(fēng)險極大，應(yīng)從盾構(gòu)法施工對周邊建筑物的影響機理出發(fā)，結(jié)合工程實例，設(shè)定盾構(gòu)下穿建筑物掘進(jìn)參數(shù)。

1 項目基本概況

濟南市軌道交通R3線王舍人站-裴家營站區(qū)間為雙單洞隧道，區(qū)間隧道出王舍人站大里程端盾構(gòu)井之后，沿工業(yè)北路直線向東推進(jìn)，后線路由東轉(zhuǎn)向北，沿村莊、農(nóng)田等向北推進(jìn)，最后推進(jìn)至裴家營站小里程端盾構(gòu)接收井。區(qū)間隧道下穿的建筑物群有農(nóng)行濟南東郊支行、蘇寧電器大樓、濟南化肥廠宿舍樓群等建筑物（見圖1、圖2、圖3）。整個下穿建筑物施工過程掘進(jìn)方向為6‰的上坡，經(jīng)半徑5000m的豎曲線變坡為0‰，變坡為7.6‰的下坡，盾構(gòu)機沿7.6‰下坡方向掘進(jìn)施工。

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、碎石15-1層，隧道主要穿越粉質(zhì)粘土層。對本工程有影響的地下水類型主要為松散巖類孔隙水與碳酸鹽巖裂隙巖溶水。第四系松散孔隙承壓水含水層主要為第四系卵石、碎石層及含碎石粉質(zhì)黏土層，粘性土地層具有一定滲透特征，水位埋深一般為4.60～8.50m，穩(wěn)定水頭標(biāo)高24.62～32.86m。該區(qū)地下水涌水量較大，透水性較強，孔隙水單孔涌水量＞500m3/d。

圖1 農(nóng)業(yè)銀行、蘇寧電器大樓平面圖及現(xiàn)狀

2 施工方法

該區(qū)間隧道圓形襯砌采用單層鋼筋混凝土裝配式結(jié)構(gòu)，由兩臺土壓平衡盾構(gòu)機施工，管片型式為平板型，管片外徑6400mm、內(nèi)徑5800mm、厚度300mm、管片環(huán)寬1.2m。襯砌環(huán)全環(huán)由一塊封頂塊（K塊）、兩塊鄰接塊（L塊）和三塊標(biāo)準(zhǔn)塊（A塊）構(gòu)成，K塊采用小封頂形式，徑向先搭接2/3，再縱向推入1/3。管片拼裝方式采用錯縫拼裝，因此，設(shè)計左、右轉(zhuǎn)彎楔形環(huán)與標(biāo)準(zhǔn)環(huán)組合以滿足曲線模擬和施工糾偏，楔形環(huán)為雙面楔形，楔形量為△=48.00mm，楔形角?=0.43°，楔形量平分為兩部分，對稱設(shè)置于楔形環(huán)的兩側(cè)環(huán)面。

圖2 居民宿舍樓平面圖

圖3 醫(yī)院核磁共振、CT室平面圖

3 下穿建筑物措施

3.1 盾構(gòu)施工掘進(jìn)參數(shù)設(shè)定[1]

為確保掘進(jìn)參數(shù)準(zhǔn)確，結(jié)合國內(nèi)外盾構(gòu)施工經(jīng)驗和自身施工實例，對盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行了計算和選取，以保證盾構(gòu)掘進(jìn)施工進(jìn)度和地面沉降，具體如下。

3.1.1 土倉壓力

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

式（1）中，P為盾構(gòu)中心水土壓力值；P1為水壓變動荷載；P2為土壓變動荷載；K0為靜止土壓力系數(shù)；H為盾構(gòu)中心上方的各土層厚度（m）；Γ為盾構(gòu)中心上方的各土層容重（kN/m3）。

由水土壓力計算公式可以看出，水土壓力與隧道埋深密切相關(guān)，需根據(jù)每環(huán)盾構(gòu)機的具體位置設(shè)置有針對性的掘進(jìn)參數(shù)。

3.1.2 總推力

掘進(jìn)總推力是掘進(jìn)參數(shù)的重要指標(biāo)，總推力取值是否合適，關(guān)系到盾構(gòu)機能否正常掘進(jìn)，匹配的總推力還有利于刀盤的保護。分析總結(jié)國內(nèi)外盾構(gòu)施工的掘進(jìn)參數(shù)，可發(fā)現(xiàn)掘進(jìn)總推力與土倉壓力有著密切關(guān)系，總推力計算公式為：

F=πr2×P+P×L×πD×μ+f1+f2±G×γ （2）

式（2）中，F(xiàn)為總推力；P為土倉壓力；r為刀盤半徑；L為盾體長度；D為盾體直徑；μ為摩擦系數(shù)；f1為盾尾與管片的摩擦力；f2為后配套牽引力；G為重力沿坡度方向的分力。

其中，r=3.34m，L=9m，D=6.65m，f1=200kN，f2=750kN，G=4000kN，以上數(shù)據(jù)從盾構(gòu)機技術(shù)手冊中查得，摩擦系數(shù)μ暫取0.1，并在試掘進(jìn)階段根據(jù)實際掘進(jìn)情況對摩擦系數(shù)μ進(jìn)行反算，確定摩擦系數(shù)μ的最終取值。

3.1.3 掘進(jìn)扭矩

盾構(gòu)機掘進(jìn)扭矩能直接反映開挖面和土倉內(nèi)土體的物理性質(zhì)變化，結(jié)合國內(nèi)外盾構(gòu)工程施工經(jīng)驗和盾構(gòu)機制造商制造經(jīng)驗，掘進(jìn)扭矩計算公式為：

T=πr2×60%×Cu+T1×n+T2+T3（3）

式（3）中，T為盾構(gòu)機扭矩r為刀盤半徑；Cu為開挖面粘滯力系數(shù)；T1為刮刀切削扭矩；n為刮刀數(shù)量；T2為支撐臂扭矩；T3為攪拌柱扭矩。

其中，r=3.34m，60%為刀盤封閉部分面積（開口率為40%），T1、T2、T3、n均從盾構(gòu)機技術(shù)手冊中查得。

3.1.4 掘進(jìn)速度

根據(jù)盾構(gòu)機在試掘進(jìn)過程中積累的地層掘進(jìn)經(jīng)驗，確定推進(jìn)速度為20～40mm／min，同時保證推進(jìn)速度的勻速性。

3.1.5 刀盤轉(zhuǎn)速

掘進(jìn)速度確定后，刀盤轉(zhuǎn)速主要受刀具貫入度影響，現(xiàn)場選用1±0.1rpm并根據(jù)試掘進(jìn)情況進(jìn)行調(diào)整。

3.1.6 同步注漿

本工程所采用盾構(gòu)機共設(shè)有4個同步注漿點，每個注漿點都有注漿壓力和注漿量顯示。目前使用的砂漿配比漿液初凝時間大概6h左右。根據(jù)以往經(jīng)驗，盾構(gòu)機注漿管壓力為2～3bar，并根據(jù)現(xiàn)場實測進(jìn)行修正。注漿量設(shè)計為理論建筑空隙的130%～180%，本工程理論間隙為1.2×（6.682－6.42）/4＝3.45m3，下穿建筑物段注漿量按照5.5～6.0m3。注漿速度需與掘進(jìn)速度相結(jié)合。

3.2 渣土改良劑注入[2]

采用知名泡品牌泡沫，泡沫原液摻量3%，發(fā)泡率在4～6倍，流量100L-400L/min，該泡沫參數(shù)在本工程效果較好，達(dá)到了出土呈現(xiàn)蓬松牙膏狀的效果。

3.3 盾構(gòu)掘進(jìn)控制措施[3-4]

3.3.1 二次注漿

二次注漿能有效填充由于同步注漿不足及地層的擾動產(chǎn)生的盾尾建筑間隙，控制地層的沉降。二次注漿在距離盾尾第8環(huán)進(jìn)行，通過上部三個注漿孔注入，先注兩側(cè)再注上端，掘進(jìn)一環(huán)注入一環(huán)。漿液為雙液漿，水玻璃濃度35～40Be度，水泥漿水灰比為1∶1，初凝時間控制在2min，注漿終壓為0.5bar，每環(huán)總注漿量不能超1.5m3，注漿結(jié)束后用止?jié){塞堵緊注漿孔防止漏漿。

3.3.2 出渣控制

保持精確出渣計量，確保出土不超量。由于盾構(gòu)機的特殊構(gòu)造，使其無法觀察掌子面的情況，只能通過出渣量的大小來推算掌子面的情況，出渣量過大，掌子面就有出現(xiàn)了坍塌，所以必須控制好出渣量。在掘進(jìn)即將結(jié)束時，先關(guān)閉螺旋機閘門，再停止掘進(jìn)，使土倉內(nèi)保持輕微的超壓，也有助于控制沉降。超壓的范圍將根據(jù)試掘進(jìn)情況進(jìn)行確定。

3.3.3 掘進(jìn)軸線控制

在實際施工中，由于地質(zhì)突變等原因盾構(gòu)機推進(jìn)方向可能會偏離設(shè)計軸線并超過管理警戒值。在穩(wěn)定地層中掘進(jìn)，因地層提供的滾動阻力小，可能會產(chǎn)生盾體滾動偏差；在線路變坡段掘進(jìn)，有可能產(chǎn)生較大偏差。因此，應(yīng)及時調(diào)整盾構(gòu)機姿態(tài)、糾正偏差。

在本區(qū)間掘進(jìn)施工時，依靠轉(zhuǎn)彎環(huán)管片進(jìn)行線路調(diào)整，必要時可利用盾構(gòu)機的仿形刀進(jìn)行局部超挖來糾偏；當(dāng)盾構(gòu)機滾角過大時，需采用盾構(gòu)刀盤反轉(zhuǎn)的方法糾正滾動偏差。

4 結(jié)語

通過掘進(jìn)參數(shù)設(shè)定和掘進(jìn)控制措施，盾構(gòu)機順利下穿建筑物群，建筑物最大沉降量控制在2mm之內(nèi)，滿足相關(guān)要求，驗證了各項施工參數(shù)和措施的正確性，為以后類似的施工提供參考。