盾構(gòu)富水砂層中穿越低矮建筑群施工技術(shù)研究

摘要：針對(duì)南昌軌道交通2號(hào)線一期工程七標(biāo)盾構(gòu)隧道工程施工過(guò)程中，因穿越老舊低矮建筑群而可能出現(xiàn)的地面沉降和房屋坍塌問(wèn)題，就富水砂層盾構(gòu)下穿建筑物風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析，并基于盾構(gòu)前期掘進(jìn)過(guò)程中的掘進(jìn)參數(shù)、地表沉降等的統(tǒng)計(jì)情況，從盾構(gòu)下穿建筑物期間的掘進(jìn)參數(shù)控制、通過(guò)后控制措施等方面進(jìn)行分析，提出針對(duì)性的控制措施。對(duì)盾構(gòu)通過(guò)前后建構(gòu)筑物沉降監(jiān)測(cè)分析可知：地表沉降累計(jì)值最大為13.1mm，實(shí)現(xiàn)地面累計(jì)沉降值小于20mm的目標(biāo)，盾構(gòu)施工過(guò)程中未對(duì)原有房屋結(jié)構(gòu)質(zhì)量產(chǎn)生明顯影響。

Abstract： In the construction process of the seven-standard shield tunnel of the first phase of Nanchang Rail Transit Line 2， the groundwater subsidence and house collapse caused by the passage of the old low-rise buildings will be under the shield of the rich sand layer. The risk analysis of the building is carried out， and based on the statistics of the excavation parameters and surface settlement during the tunneling process， the excavation parameter control and the post-control measures during the tunneling of the shield are analyzed. Control measures. According to the monitoring analysis of the shield construction through the front and rear structures， the cumulative value of surface settlement is 13.1mm， and the target of the ground settlement is less than 20mm. The construction of the shield does not have a significant impact on the structural quality of the original building.

關(guān)鍵詞：盾構(gòu);富水砂層;低矮建筑群;沉降控制;施工技術(shù)

Key words： shield;water-rich sand layer;low-rise buildings;settlement control;construction technology

中圖分類(lèi)號(hào)：U445.4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2019）18-0222-03

0? 引言

目前國(guó)內(nèi)各地地鐵建設(shè)中，盾構(gòu)穿越建筑物的掘進(jìn)技術(shù)依舊是研究重點(diǎn)，加之近年來(lái)北京地鐵、上海地鐵、廣州地鐵、杭州地鐵在地鐵施工中頻發(fā)安全事故，直接威脅到人民生命財(cái)產(chǎn)安全，給居民的生命財(cái)產(chǎn)造成很大危害的同時(shí)，也給地鐵施工帶來(lái)巨大困擾和經(jīng)濟(jì)損失，更給南昌地鐵2號(hào)線施工敲響了警鐘。對(duì)于南昌地鐵2號(hào)線，區(qū)間隧道穿越城市老式民房區(qū)，沿線分布多達(dá)幾十處居民樓、辦公樓、沿街店鋪，從磚砌結(jié)構(gòu)低矮建筑群到高層現(xiàn)澆框架結(jié)構(gòu)大樓均有涉及，對(duì)環(huán)境的控制要求更為嚴(yán)格。隧道開(kāi)挖范圍主要為砂礫層及風(fēng)化巖層，層厚較大，富水性好，透水性強(qiáng)，軟弱不均，受到擾動(dòng)后對(duì)土體的變形較為敏感，易導(dǎo)致崩塌、突涌、地面沉降過(guò)大等問(wèn)題。因此，在富水砂層中如何安全順利穿越建構(gòu)筑物是本工程面臨的最大挑戰(zhàn)，也是制約本工程進(jìn)度的最大因素。

1? 工程概況

南昌軌道交通2號(hào)線一期工程七標(biāo)順～辛區(qū)間左線盾構(gòu)在里程約ZDK41+883.052～ZDK41+899.852（第46～第60環(huán)）總長(zhǎng)約16.8m，側(cè)穿1層磚結(jié)構(gòu)低矮民房;右線盾構(gòu)在里程約YDK41+883.052～YDK42+015.698（第46～第156環(huán)）總長(zhǎng)約132.646m下穿1～3層磚結(jié)構(gòu)房屋共12棟，采用條形基礎(chǔ)，占地面積974.8m2。1層磚結(jié)構(gòu)房屋基礎(chǔ)底高程約19.2m，隧道外輪廓距離基礎(chǔ)底面的最小凈距為10.519m;2～3層房屋主體結(jié)構(gòu)型式為磚混結(jié)構(gòu)，采用條形基礎(chǔ)，基礎(chǔ)底高程約17.2～18.6m，隧道外輪廓距離基礎(chǔ)底面的最小凈距為8.518m。順～辛區(qū)間雙線與低矮建筑群的平面及空間關(guān)系位置如圖1、圖2所示。

1.1 地質(zhì)情況

順～辛區(qū)間隧道在該區(qū)域埋深約11.47m，地層自上而下分別為1-2素填土，層厚約為2.5m、3-1粉質(zhì)粘土，層厚約為4.5m、3-3細(xì)砂，層厚約為5.3m、3-6礫砂，層厚約為4.5m、最下層為5-1-1強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖和5-1-2中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，隧道開(kāi)挖范圍為3-3細(xì)砂，地下水埋深8m。

1.2 地下管線情況

低矮建筑群北側(cè)道路上分布有供電、供水等不同鐘類(lèi)管線，均在區(qū)間左線隧道上方穿過(guò)。其中，東西走向穿過(guò)的管線有3條，1條為10kV強(qiáng)電管線（盾構(gòu)施工專(zhuān)線），管線埋設(shè)深度約為0.9m，距房屋最近距離約3m;1條弱電管線（內(nèi)含軍用電纜），管線埋設(shè)深度約為1.02m，距房屋最近距離約5m;1條110kV高壓埋地線（2檔共6根電纜），管線埋設(shè)深度約為0.8～0.9m，2檔線分別臨近房屋約9.6m和11.8m;南北走向穿越的管線1條，為DN200自來(lái)水管道（鑄鐵），管線埋設(shè)深度約0.35m;詳見(jiàn)圖3所示。

2? 風(fēng)險(xiǎn)分析

對(duì)順～辛區(qū)間施工階段的鄰近建筑物風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，通過(guò)評(píng)估數(shù)值分析得出：盾構(gòu)區(qū)間施工引起低矮建筑物群地表最大豎向位移為-42.7mm（下沉），大于地表沉降控制值-30mm。磚一（#32降）地表沉降 40.5mm，房屋傾斜值2.09mm/m;磚三地表沉降42.7mm，房屋傾斜值3.49mm/m。綜合考慮地層情況、建筑物重要等級(jí)等方面因素以及盾構(gòu)通過(guò)前后沉降變形規(guī)律，運(yùn)用模糊綜合評(píng)價(jià)法和 R=P×C 法分析得知，隧道下穿建筑群的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為極高。又通過(guò)對(duì)順-辛區(qū)間周邊低矮建筑物群進(jìn)行觀感性鑒定，該建筑物群經(jīng)鑒定評(píng)定為C級(jí)，建議拆除。根據(jù)低矮建筑群風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果，在盾構(gòu)隧道施工前、過(guò)程中級(jí)施工后對(duì)該建筑群引起重視，為確保盾構(gòu)隧道施工及地表建構(gòu)筑物的安全，地鐵施工之前必須先充分對(duì)建筑物進(jìn)行預(yù)加固處理，對(duì)地表及建筑物的變形進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，且增加建筑物變形監(jiān)測(cè)的次數(shù)。

3? 建筑物保護(hù)及技術(shù)措施

根據(jù)專(zhuān)家意見(jiàn)，盾構(gòu)在穿越該區(qū)域施工期間應(yīng)采取人員撤離，建筑物圍擋保護(hù)，必要時(shí)采取加固、修復(fù)、拆除等措施。盾構(gòu)施工時(shí)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，低矮民房三級(jí)預(yù)警指標(biāo)分別為：沉降預(yù)警值12mm，沉降報(bào)警值14mm，沉降控制值16mm;整體傾斜率報(bào)警值2.5‰，整體傾斜率控制值4‰，建筑物角變化不大于2‰。盾構(gòu)完成穿越后由具有資質(zhì)的相關(guān)單位對(duì)建筑物進(jìn)行評(píng)估，并根據(jù)評(píng)估情況采取相應(yīng)措施（加固、修復(fù)或拆除等），建筑物確保安全后方可回遷居民。

3.1 技術(shù)方案

盾構(gòu)能否順利穿越建構(gòu)筑物的關(guān)鍵因素在于地面沉降控制，因現(xiàn)場(chǎng)無(wú)進(jìn)行房屋加固的條件，因此，本次穿越房屋沉降控制主要以地下措施為主，即能否有效控制掘進(jìn)過(guò)程中的地面沉降取決于盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)的選擇是否合適。通過(guò)左右線參數(shù)對(duì)比，前期試掘進(jìn)參數(shù)總結(jié)，制定盾構(gòu)穿越建構(gòu)筑物專(zhuān)項(xiàng)施工方案，為每處建構(gòu)筑物量身定制掘進(jìn)參數(shù)，最大限度控制地面沉降。

3.2 掘進(jìn)參數(shù)確定

①左線始發(fā)試掘進(jìn)參數(shù)設(shè)定。

通過(guò)左線始發(fā)40環(huán)試掘進(jìn)階段總結(jié)，結(jié)合盾構(gòu)區(qū)間施工經(jīng)驗(yàn)，在掘進(jìn)過(guò)程中土倉(cāng)壓力設(shè)定為3/4倉(cāng)左右，并根據(jù)地表沉降數(shù)據(jù)及時(shí)調(diào)整土倉(cāng)壓力設(shè)定值，在管片拼裝過(guò)程中采取停機(jī)保壓措施，上土壓控制在0.8bar左右。

②左線百環(huán)驗(yàn)收參數(shù)總結(jié)。

通過(guò)對(duì)盾構(gòu)機(jī)參數(shù)的調(diào)取，得到左線盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)統(tǒng)計(jì)：推力1500～2200T;掘進(jìn)速度30～50mm/min;刀盤(pán)轉(zhuǎn)速1.4～1.6rpm;刀盤(pán)扭矩3.0～4.0Mnm;土倉(cāng)壓力0.9～1.1bar。

洪辛區(qū)間左線百環(huán)地表沉降通過(guò)累計(jì)沉降數(shù)據(jù)顯示，左線沉降量累計(jì)最大為-19.1mm，均在設(shè)計(jì)及規(guī)范值之內(nèi)，地面無(wú)變形情況，滿足盾構(gòu)施工要求，如圖4所示。

由此證明，左線盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)對(duì)穿越低矮建筑群施工有指導(dǎo)意義，可用于右線盾構(gòu)機(jī)穿越低矮建筑群施工。

③右線穿越低矮建筑群掘進(jìn)參數(shù)設(shè)定。

通過(guò)左線百環(huán)掘進(jìn)參數(shù)總結(jié)以及右線始發(fā)試掘進(jìn)階段參數(shù)調(diào)整，得出右線穿越低矮建筑群掘進(jìn)參數(shù)設(shè)定表見(jiàn)表1。

3.3 右線穿越低矮建筑群掘進(jìn)控制

①盾構(gòu)姿態(tài)控制。盾構(gòu)掘進(jìn)至臨近建筑物10m時(shí)，重新校對(duì)盾構(gòu)姿態(tài)、地下導(dǎo)線控制點(diǎn)、導(dǎo)向系統(tǒng)數(shù)據(jù)，嚴(yán)密復(fù)測(cè)，確保盾構(gòu)機(jī)沿隧道設(shè)計(jì)軸線方向掘進(jìn)，減少超挖，避免不必要的糾偏作業(yè)。發(fā)生姿態(tài)偏差時(shí)，應(yīng)本著“勤糾、少糾、適度”的原則操作，盡可能降低對(duì)地層的擾動(dòng)，減少地面及建構(gòu)筑物的沉降變形。

②土壓平衡模式掘進(jìn)。

1）上土倉(cāng)壓力確定。根據(jù)左線百環(huán)掘進(jìn)參數(shù)和右線始發(fā)段掘進(jìn)參數(shù)統(tǒng)計(jì)，得出盾構(gòu)士倉(cāng)土壓值設(shè)定，以土壓計(jì)至地面水柱高度+0.01bar設(shè)定。因此右線穿越低矮建筑群時(shí)的上土倉(cāng)壓力設(shè)定在08～1.0bar左右。

2）出渣量控制。土壓平衡模式掘進(jìn)過(guò)程實(shí)質(zhì)上是對(duì)土體的擾動(dòng)及再平衡過(guò)程，是依靠土倉(cāng)建立的主動(dòng)土壓力平衡掌子面的被動(dòng)土壓力來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在盾構(gòu)下穿掘進(jìn)施工中應(yīng)對(duì)土倉(cāng)內(nèi)壓力的變化時(shí)時(shí)關(guān)注，必須把控好盾構(gòu)掘進(jìn)速度和出土量關(guān)系，使土倉(cāng)進(jìn)出土量保持在一種動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。土倉(cāng)壓力的波動(dòng)越小，對(duì)土體的擾動(dòng)越小，地層就越穩(wěn)定，對(duì)地表建構(gòu)筑物造成的影響就越小。當(dāng)土倉(cāng)內(nèi)壓力出現(xiàn)波動(dòng)，壓力不平衡時(shí)，應(yīng)及時(shí)調(diào)整出土量、出土速度或泡沫發(fā)泡率，保持切削進(jìn)入土倉(cāng)土量與排出土量間的動(dòng)態(tài)平衡。

本次盾構(gòu)隧道的開(kāi)挖斷面為30.974m2，單環(huán)管片長(zhǎng)度為1.2m，每掘進(jìn)一環(huán)的理論出土量為37.2m3。砂層中掘進(jìn)出土松散系數(shù)為1.3～1.5，本區(qū)域取值為1.3，即每環(huán)實(shí)際出土量應(yīng)控制在48m3左右。

③推力、刀盤(pán)轉(zhuǎn)速及掘進(jìn)速度控制。盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中推力過(guò)大會(huì)造成前方土體受擠壓加大，土體受擾動(dòng)加大;推力過(guò)小會(huì)造成盾構(gòu)機(jī)速度下降，引起土壓波動(dòng)加大，同樣會(huì)造成土體擾動(dòng)加大。為最大程度的降低盾構(gòu)施工對(duì)地層的擾動(dòng)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整推力、刀盤(pán)轉(zhuǎn)速、推進(jìn)速度等盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù);在盾構(gòu)下穿前的2～5環(huán)，應(yīng)減小掘進(jìn)速度，降低刀具貫入度，控制出土量并時(shí)刻監(jiān)測(cè)土倉(cāng)壓力值，避免壓力控制不當(dāng)造成地層沉降或隆起;到達(dá)前1環(huán)時(shí)再進(jìn)一步調(diào)整盾構(gòu)掘進(jìn)推力;下穿時(shí)，掘進(jìn)推力控制在1800t左右，刀盤(pán)轉(zhuǎn)速控制在1.5r/min左右，掘進(jìn)速度控制在40mm/min左右;過(guò)程中實(shí)時(shí)關(guān)注各類(lèi)盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)，確保盾構(gòu)快速平穩(wěn)通過(guò)。

④同步注漿。盾構(gòu)管片與隧道洞體間存在空隙，如不及時(shí)充填，地層應(yīng)力釋放后后長(zhǎng)生變形，從而導(dǎo)致地面及地表建構(gòu)筑物發(fā)生沉降變形甚至破壞。為此，在盾構(gòu)掘進(jìn)拼裝完每環(huán)管片的同時(shí)，及時(shí)進(jìn)行同步注漿及二次注漿，保證在空隙出現(xiàn)的同時(shí)對(duì)空隙進(jìn)行注漿充填，降低隧道周邊土層、地表建構(gòu)筑物的沉降變形。注漿材料采用凝結(jié)速度快強(qiáng)度高的雙液漿，其凝固時(shí)間在18～25s左右。為保證空隙充填效果，注漿過(guò)程中嚴(yán)格控制注漿壓力和注漿量，注漿壓力不可過(guò)大，保持在0.2～0.35MPa范圍。考慮漿液擴(kuò)散系數(shù)，每環(huán)同步注漿量為理論注漿量的1.8～2.0倍，每環(huán)理論注漿為3.2m3，得出每環(huán)實(shí)際同步注漿量為5.8～6.4m3。

⑤渣土改良。隧道開(kāi)挖范圍主要為粗砂或細(xì)砂層，地層主要特征為：透水性強(qiáng)，富水性好，受到外界干擾時(shí)土體很容易發(fā)生變形，且容易出現(xiàn)土層塌方、突涌、超挖與沉降過(guò)大等風(fēng)險(xiǎn)。所以，盾構(gòu)在下穿低矮建筑群掘進(jìn)時(shí)，為避免上述情況的發(fā)生，降低對(duì)地層的擾動(dòng)，始發(fā)前將一套螺旋機(jī)渣土改良系統(tǒng)加裝在原有渣土改良系統(tǒng)上，進(jìn)行改造。掘進(jìn)過(guò)程中，通過(guò)渣土改良系統(tǒng)往土倉(cāng)和刀盤(pán)前方注入膨潤(rùn)土與泡沫劑混合溶液進(jìn)行渣土改良，膨潤(rùn)土水土比8：1，泡沫溶液濃度3%、發(fā)泡率10～15倍，以增加土體的流塑性，保障螺旋機(jī)出土順暢，降低盾構(gòu)刀盤(pán)前方土體擾動(dòng)。另外，在土倉(cāng)和刀盤(pán)前方注入孔注濃度為0.5%的進(jìn)口“高分子聚合物”溶液，每環(huán)注入量為4～6m3，可進(jìn)一步提高渣土改良的效果。

當(dāng)盾構(gòu)在下穿掘進(jìn)施工時(shí)一旦出現(xiàn)噴涌或者其他不良情況，可以設(shè)置第二道防線遏止不良工況持續(xù)發(fā)展，主要是將高分子聚合物注入到螺旋輸送機(jī)進(jìn)土口位置形成土塞，保證施工順利進(jìn)行。

⑥通過(guò)后沉降控制方法。在盾構(gòu)下穿通過(guò)低矮建筑群區(qū)域，由于盾構(gòu)掘進(jìn)造成的地層擾動(dòng)等的持續(xù)影響，以及掘進(jìn)過(guò)程中同步注漿可能存在注漿不充分、漿液收縮等，使得盾構(gòu)管片與隧道洞體間仍存在一定間隙，從而引起土體在盾構(gòu)機(jī)通過(guò)后仍發(fā)生沉降變形。因此，在盾構(gòu)通過(guò)該區(qū)域后，對(duì)該建筑群區(qū)域通過(guò)前5環(huán)及通過(guò)后5環(huán)的范圍采取二次壁后補(bǔ)強(qiáng)注漿來(lái)填充管片與隧道洞體間的空隙。注漿漿液采用水泥漿-水玻璃雙液漿，水泥漿配比為水泥：水=1：1（質(zhì)量比），水泥漿與水玻璃溶液配比為1：1（體積比）。注漿過(guò)程中，應(yīng)同時(shí)進(jìn)行注漿壓力和注漿量控制。正式注漿作業(yè)前，應(yīng)反復(fù)試驗(yàn)，確認(rèn)注漿效果以及對(duì)地層及地表建筑物的影響，并根據(jù)實(shí)時(shí)反饋的地面及地表建筑物變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整，避免因注漿壓力過(guò)大引起地表隆起或注漿不足影響漿液填充效果。

4? 結(jié)論

經(jīng)過(guò)10天的掘進(jìn)，盾構(gòu)安全順利穿越順～辛區(qū)間低矮建筑群，保障了地面建構(gòu)筑物和地下管線的安全，保障了居民的生命財(cái)產(chǎn)安全。根據(jù)第三方監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反映，地表沉降累計(jì)值最大為-13.1mm，實(shí)現(xiàn)了地面累計(jì)沉降值小于20mm的目標(biāo)，對(duì)穿越后的低矮建筑物群進(jìn)行觀感性鑒定，盾構(gòu)施工過(guò)程中未對(duì)原有房屋結(jié)構(gòu)質(zhì)量產(chǎn)生明顯影響。

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