盾構(gòu)軟土地層微擾動正穿超高建筑物技術(shù)

王潤斌

(中鐵十六局集團北京軌道交通工程建設(shè)有限公司，北京 101100)

盾構(gòu)法是地鐵建設(shè)中的常用施工方法，盾構(gòu)施工不可避免地會對周邊環(huán)境產(chǎn)生影響[1-5]。常州地鐵1號線一期工程中出現(xiàn)了盾構(gòu)正穿建筑物的施工要求，為減少盾構(gòu)施工對上部建筑物的影響，本文探討了盾構(gòu)微擾動正穿超高建筑物的技術(shù)。

1 工程背景

科教城南站—科教城北站區(qū)間位于常州地鐵1號線一期工程南段，地處常州市武進區(qū)。區(qū)間線路出科教城南站后沿鳳棲路北行，然后進入科教城，線路下穿常州機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院圖文中心大樓，長度36.97 m。圖文中心主樓13層，裙樓3層，一層人防地下室平時為車庫，基礎(chǔ)形式為0.35 m×0.35 m鋼筋混凝土方樁。圖文中心大樓基礎(chǔ)距隧道頂最小垂直凈距約3.52 m。

線路穿過圖文中心大樓后沿踐行南路前行，以半徑為450 m的曲線轉(zhuǎn)向常州工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院圖文信息大樓西側(cè)，穿過科教城后到達位于花園街與滆湖中路的科教城北站?？平坛悄险尽平坛潜闭緟^(qū)間上行線長1 397.060 m，下行線長1 400.378 m，隧道區(qū)間埋深8.5～21.3 m。區(qū)間上行線、下行線最大縱坡分別為24‰和23.6‰，區(qū)間平面設(shè)置2段曲線，最小圓曲線半徑為450 m。

2 工程地質(zhì)

工程沿線場區(qū)地貌類型單一，屬長江下游三角洲沖湖積平原。場區(qū)地勢平坦、水系發(fā)達，為典型的江南水網(wǎng)化平原。

科教城南站—科教城北站區(qū)間所在地層地質(zhì)描述見表1。

表1 科教城北站—科教城南站區(qū)間所在地質(zhì)描述表

3 設(shè)計參數(shù)

工程設(shè)計使用年限為100年。結(jié)構(gòu)安全等級按一級考慮，結(jié)構(gòu)按7度抗震設(shè)防，抗震等級為三級，設(shè)防分類為乙類，場地土屬Ⅲ類，局部場地為Ⅳ類，并按8度采取抗震構(gòu)造措施。結(jié)構(gòu)設(shè)計按甲類、核6級、常6級人防驗算。計算直徑變形≤2‰D(D為隧道外徑)。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)允許裂縫開展，但裂縫寬度≤0.2 mm，不允許出現(xiàn)貫通裂縫。盾構(gòu)法區(qū)間隧道施工階段抗浮安全系數(shù)≥1.05，運營階段抗浮安全系數(shù)≥1.1。襯砌環(huán)內(nèi)徑為5 500 mm。

4 工程材料

區(qū)間正常掘進段鋼筋混凝土管片的混凝土強度等級為C50高強混凝土，抗?jié)B等級為P10；鋼管片采用Q235-B鋼材；鋼筋混凝土管片鋼筋采用HPB300鋼、主筋采用HRB400E級鋼；焊條采用E50型；螺栓一般段管片環(huán)、縱向連接螺栓采用M30螺栓，強度等級分別為5.8級、6.8級；預(yù)埋件采用增韌改性聚酰胺工程塑料。

穿越段管片配筋在本標段深埋類型的基礎(chǔ)上提高一個等級。穿越段管片混凝土強度及抗?jié)B性提高一個等級：混凝土強度為C55，抗?jié)B等級為P12。穿越段管片為鋼纖維管片，管片縱向螺栓等級為8.8級。

5 微擾動正穿超高建筑物技術(shù)要點

1)區(qū)間隧道下穿常州機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院圖文中心大樓段采用鋼筋鋼纖維復(fù)合混凝土管片結(jié)構(gòu)對管片進行加強，每環(huán)鋼纖維復(fù)合管片有16個環(huán)向注漿孔。

2)盾構(gòu)穿越期間對圖文中心大樓的影響控制按二級環(huán)境風(fēng)險源考慮，并采取相應(yīng)措施。采用信息化施工，加強監(jiān)測，對建筑物沉降及傾斜量等進行連續(xù)監(jiān)測，在地下室內(nèi)的立柱上布置測點。如發(fā)生較大變形，或建筑物位移控制超過報警值時及時處理。科教城南站—科教城北站區(qū)間穿越常州機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院圖文中心大樓時，預(yù)警值、報警值和控制值分別為5、7、10 mm，隆起變形控制值為4 mm，位移最大速率控制值≤1 mm/d，圖文中心大樓傾斜率≤1‰。

3)施工前制訂嚴密的施工方案，并在相近土層中進行試驗，確定正穿超高建筑物的盾構(gòu)施工參數(shù)，采取微擾動正穿超高建筑物的施工措施，減少對上部建筑的影響。

4)根據(jù)監(jiān)測情況，必要時對隧道下方土體進行二次注漿加固。二次注漿漿液為雙液漿，加強注漿壓力控制，注漿壓力控制在0.5～0.8 MPa范圍內(nèi)。

5)穿越段附近隧道下方土層為粉土夾粉砂，該土層具有微承壓性，注漿施工時需做好防噴涌措施，及時對注漿孔進行封堵，防止管片漏水、涌沙。

6)盾構(gòu)施工過程中要控制盾構(gòu)推力大小，必須控制好掘進姿態(tài)，減少擾動。對同步注漿漿液配合比進行專項驗證，確保漿液的適用性。

7)盾構(gòu)通過后繼續(xù)對隧道與地面建筑物進行監(jiān)測，及時進行洞內(nèi)同步注漿，減小工后沉降及其對上部建筑的影響并控制建筑物沉降的后期發(fā)展。

8)對推進期間可能存在的風(fēng)險點進行分析，制訂應(yīng)急預(yù)案，預(yù)備鋼梁、鋼柱等應(yīng)急物資，當(dāng)圖文中心大樓出現(xiàn)較大沉降等險情時及時采取支頂?shù)却胧乐闺U情擴展。

6 微擾動正穿超高建筑物施工措施

6.1 穿越前試掘進期間的施工措施

為確保盾構(gòu)機順利穿越，設(shè)置穿越前50環(huán)為試掘進段，用來確定盾構(gòu)機的參數(shù)，找出地面沉降規(guī)律。充分利用盾構(gòu)機試掘進期間獲得的各項數(shù)據(jù)，從而更好地指導(dǎo)穿越施工。

6.2 盾構(gòu)穿越過程掘進參數(shù)選擇的原則

1)保土壓、控出土?？刂瞥鐾亮繛樵O(shè)計量的95%～98%，如果出土超過設(shè)計量，應(yīng)立即分析原因?？刂仆羵}泥土保有率達到75%，形成對掌子面的有效支撐，從而減小地面沉降。

2)低擾動，控制總推力和刀盤扭矩(見表2)，減小對周圍地層擾動。

表2 穿越段左線與右線設(shè)備設(shè)定參數(shù)對比表

3)合理選擇推進速度，減小穿越段沉降和隆起，推進速度為2～3 cm/min范圍內(nèi)。

4)及時填補盾尾間隙，減小地面由于盾尾土體應(yīng)力釋放造成的沉降。為防止地面隆起及漿液擊穿盾尾刷，同步注漿壓力設(shè)置為0.3～0.4 MPa，鐵建重工盾構(gòu)機注漿量為設(shè)計值的150%～200%，小松盾構(gòu)機為外置注漿包，注漿量為設(shè)計值的150%～180%。

6.3 推進速度控制

下穿建筑物時保證推進速度穩(wěn)定，嚴格控制盾構(gòu)推進方向，避免糾偏，特別是大量值糾偏，如果必須要糾偏，以“勤糾、緩糾”為原則。

在下穿該建筑物的推進過程中，每60 cm測量一次盾構(gòu)機的推進方向，盡可能減少糾偏，關(guān)閉超挖刀，同時在盾構(gòu)下穿期間保持勻速推進，從而保證盾構(gòu)機平穩(wěn)地下穿該建筑物。

6.4 土壓力控制

在盾構(gòu)推進的過程中，根據(jù)理論計算、前期掘進數(shù)據(jù)和監(jiān)測數(shù)據(jù)及時調(diào)整土壓力值，科學(xué)合理地設(shè)置土壓力值及相應(yīng)的推力、推進速度等參數(shù)，防止超挖，以減少對土體的擾動。本工程穿越段隧道中心線埋深為24.6 m,建筑物的樁機類型為摩擦樁。為避免盾構(gòu)設(shè)備穿越時導(dǎo)致樁體周圍土體松散，確定穿越原則為“微隆起”穿越，上土倉壓力設(shè)置為(0.27±0.01) MPa。

6.5 出土量控制

本工程使用的管片外徑為6 200 mm，環(huán)寬為1 200 mm。

鐵建重工刀盤的直徑為6 440 mm，每環(huán)的理論出土量為39.06 m3。小松刀盤的直徑為6 360 mm，每環(huán)的理論出土量為38.1 m3。

以鐵建重工刀盤為例，考慮松散系數(shù)為1.2～1.3，則每環(huán)出土量計算值為46.87～50.78 m3，實際每環(huán)出土量控制在46 m3以內(nèi)。

電機車編組列車由4輛容量各為16 m3的渣土車組成，最大裝載能力為64 m3，滿足施工需要。

對出土量的控制措施：控制好盾構(gòu)機姿態(tài)，勻速推進，刀盤切削土體和螺旋輸送器帶出土體平衡；掘進時注泡沫劑，改善土體的和易性，保證排土順暢；盾構(gòu)機副司機記錄每環(huán)主要掘進參數(shù)，觀察土質(zhì)情況，統(tǒng)計出土量，指導(dǎo)下一環(huán)施工。

6.6 同步注漿控制

在穿越建筑物施工時，對注漿的配比和注漿方式進行調(diào)整，見表3?？s短漿液的初凝時間并提高漿液的初凝強度。將初凝時間控制在10 h之內(nèi)，并根據(jù)試驗和試用結(jié)果進行優(yōu)化。

表3 正常掘進段與穿越段同步漿液配合比對比表 kg

嚴格控制同步注漿壓力及注漿量，通過同步注漿及時填充建筑空隙，減小施工過程中的土體變形，合理控制注漿壓力。注漿壓力過大，上部軟土地層易隆起，并容易擊穿盾尾刷，為穿越施工帶來較大風(fēng)險。如果注漿壓力過小，填充速度過慢，填充不足，會使土體擾動造成建筑物沉降及傾斜。實踐證明，注漿壓力控制在0.3～0.4 MPa為最佳范圍。

以鐵建重工盾構(gòu)機為例，實際的注漿量為每環(huán)管片理論建筑空隙的150%～200%，即每推進1環(huán)，同步注漿量為4.29～5.72 m3。

6.7 二次注漿控制

為防止工后沉降及運營期間建筑物沉降，對穿越前20環(huán)、穿越段、穿越后10環(huán)采取二次注漿。

利用管片上均勻設(shè)置的16個徑向注漿孔進行注漿。采用水泥漿-水玻璃雙液漿，漿液配合比為水泥漿與水玻璃的體積比1∶1，水泥漿、水灰質(zhì)量比為1∶1。水玻璃用水稀釋，二者質(zhì)量比為1∶3。注漿壓力為0.5～0.8 MPa,注漿量為0.5～1.2 m3/環(huán)，同時加強對洞內(nèi)、建筑物、地面的監(jiān)測，以便指導(dǎo)注漿施工。為防止雙液漿包裹盾尾，注漿開始時間為管片脫出盾尾5環(huán)時。注漿時遵循“多點、低壓、多次、少量”的原則進行施工，采用注漿壓力和注漿量雙控。

6.8 糾偏控制

在盾構(gòu)機進入穿越段前，將盾構(gòu)姿態(tài)調(diào)整到最佳狀態(tài)，進入穿越施工范圍后嚴格按照設(shè)計軸線推進。每完成1環(huán)必須由人工復(fù)核盾構(gòu)姿態(tài)，各項參數(shù)變化不可過大、過頻，每環(huán)縱坡變化小于2‰，水平姿態(tài)糾偏量不得超過5 mm/環(huán)，控制在3 mm/環(huán)內(nèi)。

6.9 盾尾防漏

盾構(gòu)穿越施工時，為防止地下水及同步注漿漿液從盾尾竄入隧道，保護盾尾刷，密封刷之間用盾尾密封油脂填充。盾構(gòu)始發(fā)前，將盾尾刷全部更換為新的，穿越期間盾尾油脂采用CONDAT油脂，加大盾尾油脂的注入量，鐵建重工盾構(gòu)機每環(huán)注入量控制在35～45 kg，小松盾構(gòu)機每環(huán)注入量控制在35～40 kg，確保盾尾密封效果。

6.10 土體改良

盾構(gòu)下穿建構(gòu)筑物處的地層既有易形成泥餅的黏土，也有易造成噴涌的飽和粉砂層。

盾構(gòu)刀盤處形成的泥餅造成盾構(gòu)阻力增大，土體不能順暢進入土倉，盾構(gòu)機無法進行滿倉掘進，易造成地面沉降。

飽和水地層易產(chǎn)生噴涌，導(dǎo)致土倉壓力驟降，易造成地面沉降。

因此向土倉、刀盤內(nèi)加入分散性泡沫劑改良土體，解決刀盤泥餅及噴涌問題，同時降低刀盤扭矩，減小地層擾動。實踐證明，分散性泡沫劑在本地層有較強適應(yīng)性，能夠有效控制建筑物及地面沉降。

6.11 拼裝時間控制

管片拼裝時，控制每環(huán)的拼裝時間在20 min以內(nèi)，縮短盾構(gòu)停頓時間，拼裝結(jié)束后，立即恢復(fù)掘進。

6.12 信息化施工

在盾構(gòu)穿越施工過程中，進行24 h連續(xù)跟蹤監(jiān)測，及時分析監(jiān)測數(shù)據(jù)，調(diào)整盾構(gòu)施工參數(shù)，保證施工過程中建筑物的安全。

7 結(jié)語

本區(qū)間隧道已于2016年12月實現(xiàn)雙線貫通。本項目通過控制推進速度、土壓力、出土量、同步注漿、二次注漿等參數(shù)，采取有效的糾偏、盾尾防漏等措施，并進行土體改良，注意管片拼裝細節(jié)，加強監(jiān)測，較好地完成盾構(gòu)微擾動正穿超高建筑物，建筑物沉降最大點變形值為1.6 mm，滿足隆起變形控制值為4 mm的設(shè)計要求。