軟弱地質(zhì)條件下土壓盾構(gòu)穿越建構(gòu)筑物關(guān)鍵技術(shù)措施

潘璐

（中交隧道工程局有限公司，南京210000）

1 引言

盾構(gòu)法施工對(duì)我國(guó)建筑行業(yè)起到了良好的推動(dòng)作用，能有效提升施工質(zhì)量與效率。但是，盾構(gòu)機(jī)在軟弱地層中下穿建構(gòu)筑物施工時(shí)，沉降控制仍存在一定的難度，為避免引起地面沉降與塌方現(xiàn)象，造成地下管線破裂與房屋開(kāi)裂等不利影響，本文針對(duì)軟弱地質(zhì)條件下土壓盾構(gòu)下穿建構(gòu)筑物施工技術(shù)措施進(jìn)行研究。

2 工程概況

紫～五區(qū)間隧道覆土厚度為8.95～14.10m，線路縱斷面呈V 形坡，區(qū)間穿越地層主要為②4-4 淤泥夾砂和②4-5 淤泥質(zhì)粉細(xì)砂層，局部位于②4-3 淤泥中細(xì)砂交互層和②5（含泥）中細(xì)砂層上。該區(qū)域水位變化主要受天氣影響，地表水與承壓水豐富，歷史最高地下水位標(biāo)高為7.50m。地表兩側(cè)主要為市場(chǎng)、居民住房、公司辦公樓等。在道路兩側(cè)存在眾多雨水、污水、電力、煤氣等地下管線。周邊建筑物部分位于隧道正上方，部分與隧道邊線水平距離僅有0.5～15.0m。

3 施工設(shè)備

選用海瑞克土壓平衡盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行掘進(jìn)作業(yè)，盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)直徑6 480mm，刀具配置以撕裂刀為主，刀盤(pán)開(kāi)口率38%，主驅(qū)動(dòng)額定功率950kW，額定扭矩為6 220kN·m，配備2 臺(tái)同步注漿泵。針對(duì)刀盤(pán)前方土體改良，配置有6 個(gè)泡沫管路，并采用單管單泵設(shè)計(jì)。

4 下穿建筑物安全控制措施要點(diǎn)

由于盾構(gòu)下穿段地層較為薄弱，粉砂層分布普遍，區(qū)間施工容易誘發(fā)地面沉降和塌陷、飽和砂土液化等地質(zhì)災(zāi)害。因此，在針對(duì)該項(xiàng)目開(kāi)展盾構(gòu)施工時(shí)，首先對(duì)地質(zhì)條件進(jìn)行評(píng)級(jí)，提前采用理論方式進(jìn)行計(jì)算，制訂合理、切實(shí)可行的施工方案，通過(guò)試掘進(jìn)形成具體完善的安全技術(shù)措施，從而對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工安全提供保障[1]。

施工中密切關(guān)注施工區(qū)域周圍的水文情況，對(duì)地質(zhì)條件與地表建構(gòu)筑物進(jìn)行測(cè)定與確認(rèn)，使操作人員準(zhǔn)確掌握施工特點(diǎn)，并采取必要的施工措施避免上述地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。例如，采用地基處理增加土層強(qiáng)度；采用注漿密實(shí)處理進(jìn)行抗液化；改良盾構(gòu)機(jī)周邊土體等方法。重點(diǎn)加強(qiáng)施工中監(jiān)控量測(cè)，優(yōu)化盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)。通過(guò)試掘進(jìn)段參數(shù)總結(jié)分析，進(jìn)一步在穿越段加強(qiáng)控制措施，從而確保盾構(gòu)順利下穿建構(gòu)筑物[2]。

5 施工控制措施

5.1 掘進(jìn)參數(shù)

施工前，應(yīng)先確定以下參數(shù)：

1）土倉(cāng)壓力。盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中應(yīng)根據(jù)靜止土壓力的變化及時(shí)進(jìn)行調(diào)整，使土倉(cāng)壓力始終保持在靜止土壓力與被動(dòng)土壓力之間。以該項(xiàng)目為例，依據(jù)地勘報(bào)告中最小覆土厚度土層物理力學(xué)參數(shù)，由靜止土壓力計(jì)算公式得出：

式中，γ為天然重度，kN/m3；h為分層厚度，m；ki為靜止側(cè)壓力系數(shù)。

下穿時(shí)被動(dòng)土壓力：

式中，c為土體黏聚力；kp為被動(dòng)土壓力系數(shù)。

因此，根據(jù)埋深，土倉(cāng)壓力設(shè)定值為0.16～0.30MPa，并根據(jù)刀盤(pán)處地表監(jiān)測(cè)結(jié)果調(diào)整上限值，調(diào)整原則為不發(fā)生沉降且隆起值不超過(guò)5mm。土壓保持恒定，變化不超過(guò)±0.01MPa。正常停機(jī)時(shí)，通過(guò)油缸前頂進(jìn)行保壓，不低于0.18MPa。

2）總推力：900～1 800t。

3）刀盤(pán)扭矩：1 800～2 400kN·m。

4）刀盤(pán)轉(zhuǎn)速：1.0～1.2rad/min。

5）盾構(gòu)姿態(tài)：水平控制在±30mm、垂直-20～-50mm，趨勢(shì)≤±4mm。嚴(yán)格控制盾構(gòu)機(jī)的糾偏量，最大限度減少糾偏頻率。

6）推進(jìn)速度：30～45mm/min，允許浮動(dòng)±5mm，盡量減少停機(jī)時(shí)間，加快拼裝速度。

7）出渣量：39～40m3，對(duì)每環(huán)渣土進(jìn)行渣樣分析（含泥量、含沙量），將測(cè)出的數(shù)據(jù)進(jìn)行反饋，以便及時(shí)調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)。

5.2 同步注漿

采用水泥砂漿作為同步注漿材料，該種漿液可泵性好，有結(jié)石體強(qiáng)度高、耐久性好的特點(diǎn)，能有效減少成形管片上浮和地面后期沉降。漿液配比如表1 所示。

表1 同步注漿系統(tǒng)水泥砂漿材料配比情況kg

膠凝時(shí)間：一般為3～8h，對(duì)于需要漿液具備較高早期強(qiáng)度的地段，可通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)一步調(diào)整配比或加入早強(qiáng)劑，縮短膠凝時(shí)間。

固結(jié)體強(qiáng)度：不小于0.2MPa/d，28d 不小于1.0MPa。

漿液結(jié)石率：＞95%，即固結(jié)收縮率＜5%。

漿液稠度：8～12cm。

式中，V為注漿量，m3；L為管片長(zhǎng)度，m；D1為開(kāi)挖直徑，m；D2為管片外徑，m；λ為注漿率。

在盾構(gòu)掘進(jìn)中，通過(guò)控制注漿壓力和注漿量確定注漿效果，注漿壓力最大不超過(guò)0.3～0.4MPa。分析注漿泵泵送能力與掘進(jìn)速度的關(guān)系，要做到掘進(jìn)與注漿同步，并結(jié)合管片姿態(tài)與地表周邊建筑物監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)注漿效果，反饋指導(dǎo)下次注漿。

5.3 全斷面二次注漿加固

盾構(gòu)下穿建筑物施工中，采取跟進(jìn)注漿的方法進(jìn)行二次補(bǔ)充注漿，將二次注漿設(shè)備前移至控制室車架前的通道平臺(tái)上，在管片脫出盾尾5～10 環(huán)后，向管片壁后注入單液漿，使管片壁后填充保護(hù)層迅速?gòu)?qiáng)化，補(bǔ)充地層開(kāi)挖損失并承載壓力。漿液采用普通硅酸鹽42.5R 純水泥漿，水灰比為0.6～1，初凝時(shí)間為1～2h，注漿速率不大于20L/min。注漿壓力設(shè)定為外界水壓0.3～0.7MPa。

根據(jù)沉降數(shù)據(jù)變化速率與大小，也可對(duì)管片壁后注入雙液漿，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)得到多組不同凝固時(shí)間的試驗(yàn)配比，可視情況選用：（1）水灰比1∶1，水玻璃溶液密度30°Bè，水玻璃：水泥漿1∶1，凝結(jié)時(shí)間24s；（2）水灰比2∶1，水玻璃溶液密度25°Bè，水玻璃：水泥漿1∶2，凝結(jié)時(shí)間47s；（3）水灰比1.5∶1，水玻璃溶液密度25°Bè，水玻璃：水泥漿1∶1，凝結(jié)時(shí)間45s。每環(huán)均注，注入量為1m3，壓力不超過(guò)0.3MPa，若沉降未得到有效控制，則加大注入量。壓注過(guò)程中需密切關(guān)注管片變形情況和地表監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并做好相關(guān)數(shù)據(jù)記錄。原則為多點(diǎn)少量，不可在一個(gè)孔內(nèi)持續(xù)壓漿。

5.4 渣土改良

添加膨潤(rùn)土、泡沫等添加劑具有隔水、降低扭矩、增加開(kāi)挖面穩(wěn)定和確保土壓平衡的優(yōu)點(diǎn)，使土體改良后具有和易性好、高黏性、低滲透性。泡沫原液比例宜控制在約3%。當(dāng)盾構(gòu)機(jī)處于富水含砂地層中施工時(shí)，加入優(yōu)質(zhì)鈉級(jí)膨潤(rùn)土，膨化后可以達(dá)到改良土體，保護(hù)刀盤(pán)、增加開(kāi)挖面的隔水效果，同時(shí)更容易建立土壓平衡。

5.5 沉降控制輔助措施

使用“克泥效”，通過(guò)盾構(gòu)機(jī)的中盾徑向孔或超前注漿孔注入，可有效填充推進(jìn)過(guò)程中盾體上方的間隙，對(duì)刀盤(pán)周邊土體有改良作用。使用材料及配合比為：

A 液（kg/m3）為：克泥效∶水=350∶865，A∶B=20∶1（體積比），

其中，B 液為40°Bè 水玻璃原液，每環(huán)土體空隙：（刀盤(pán)半徑的平方—盾體半徑的平方）×3.14×1.2=0.487m3，每環(huán)使用量0.6m3/0.9m3，注入壓力0.6～1.1MPa，注入率：123%/185%。

5.6 設(shè)備保障

盾構(gòu)機(jī)穿越建筑物前，選擇合理的地質(zhì)區(qū)域?qū)Χ軜?gòu)設(shè)備全面維修保養(yǎng)。避免設(shè)備“帶病”作業(yè)，做好備品備件工作，為盾構(gòu)機(jī)穿越建筑物做好前提保障。

5.7 監(jiān)控量測(cè)

地面監(jiān)測(cè)頻率控制在每6h 一次，當(dāng)數(shù)據(jù)異常，如單次數(shù)據(jù)變化超過(guò)2mm 或累計(jì)超過(guò)8mm 時(shí)，加密監(jiān)測(cè)，及時(shí)調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)并采取相應(yīng)措施。

在構(gòu)建筑物上安裝液壓式靜力水準(zhǔn)儀和傾角傳感器，分辨率0.01mm，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接入，可24h 動(dòng)態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)計(jì)算建筑物變形數(shù)據(jù)，便于快速采取響應(yīng)措施。

數(shù)據(jù)收集分析，經(jīng)過(guò)對(duì)建筑物監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)總結(jié)對(duì)比，在試掘進(jìn)段，地表累計(jì)沉降量可控制在2cm 以內(nèi)。下穿建構(gòu)筑物施工中，對(duì)推進(jìn)參數(shù)加以優(yōu)化，并配合輔助措施，地表累計(jì)沉降量可控制在1cm 以內(nèi)，建構(gòu)筑物累計(jì)沉降量均在2mm 內(nèi)，且后期變化趨于穩(wěn)定。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的反饋結(jié)果看出，在軟弱地層中穿越建筑物時(shí)，采取以上參數(shù)和措施方法是合理的?？傊?，盾構(gòu)機(jī)在穿越建構(gòu)筑物時(shí)需充分考慮周邊土體與水位情況，研究地質(zhì)特點(diǎn)，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工需求制定科學(xué)合理、切實(shí)可行的方案措施與掘進(jìn)計(jì)劃，從而為工程整體質(zhì)量與安全做出保證。