軟硬不均地層盾構穿越建筑群關鍵施工技術

張麗娟

(中鐵十二局集團第二工程有限公司 山西太原 030032)

1 概述

盾構施工技術以其高效、安全、便捷以及對周圍環(huán)境影響較小等特點，廣泛運用于城市地鐵及管廊隧道修建。但在一些地質條件復雜，上層建筑物及管線密集的環(huán)境中施工時，仍會對地層產生不可避免的擾動，而盾構施工既要保護已有建筑物的安全又要兼顧隧道施工自身安全，所以對盾構施工技術的研究尤為重要。夏鵬舉等[1]對盾構穿越軟硬不均地層時的盾構軸線偏移、地面沉降等施工難點作了分析；李江靈等[2]采取加固地層和優(yōu)化掘進參數控制盾構施工對上部建筑物的影響；章邦超等[3]闡述了盾構掘進下穿民房建筑群的沉降施工準備和技術措施等。無疑，這些研究對盾構下穿建筑物以及穿越軟硬不均地層有一定的參考意義，但由于地質環(huán)境的差異，相應的技術研究不盡相同。本文依托武漢地鐵8號線二期工程第三標段小洪山站～街道口站右線區(qū)間隧道施工，對軟硬不均地層盾構大坡度并小曲線半徑穿越建筑群關鍵施工技術進行綜合闡述，通過采取優(yōu)化刀具配置、優(yōu)化渣土改良[4]，設置換刀點主動查刀等措施，盾構順利穿越建筑群，為類似盾構穿越建筑群工程施工提供參考。

2 工程概況

2.1 區(qū)間設計概況

武漢市軌道交通8號線二期工程第三標段小洪山站～街道口站區(qū)間盾構以360 m曲線半徑下穿榮泰小區(qū)建筑群后進入珞獅路下方，穿越地鐵2號線街道口站后到達地鐵8號線街道口站，平移到1號風亭解體吊出。

區(qū)間右線全長1 084.874 m，最大縱坡為28‰，最小曲線半徑為360 m，管片外徑6.2 m，內徑5.5 m，環(huán)寬1.5 m。區(qū)間總體施工示意見圖1。

圖1 區(qū)間總體施工示意

2.2 區(qū)間穿越建筑群概況

區(qū)間右線共下穿9棟建筑物，均為住宅小區(qū)，建筑群主要是在20世紀90年代修建，磚混或框架結構，多為條形基礎、淺基礎，無地下室，主要以1～3層低層、4～7層多層建筑為主，下穿建筑物信息見表1。

表1 下穿建筑物信息

穿越段地層特征為一側為硬巖，另一側為泥巖，主要地層為10-3粉質黏土、17c-2中等風化灰?guī)r、17b-1強風化碳質泥巖、17d-1強風化硅質巖、20a-1強風化砂質泥巖、20a-2中風化砂質泥巖、20a-3微風化砂質泥巖。中風化灰?guī)r抗壓強度為70.7 MPa，中風化硅質巖抗壓強度為39 MPa，微風化砂質泥巖抗壓強度為25 MPa。

穿越段地下水主要為上層滯水、基巖裂隙水和巖溶水三種類型。

3 盾構穿越建筑群施工技術

3.1 施工風險分析

盾構連續(xù)穿越的建筑物均為老舊居民樓，基礎較差且穿越距離較長，安全風險是盾構在軟硬不均地層掘進施工易造成地表沉降、建筑物結構失穩(wěn)風險。

盾構穿越線路存在長距離大下坡并小曲線半徑施工，一是水平運輸存在溜車風險；二是盾構水平和垂直姿態(tài)偏差會同時出現，調整困難；三是盾構同步注漿漿液會在緊鄰盾尾外殼處堆積，造成成型管片注漿不飽滿，導致地表沉降。

盾構下穿建筑物段地層軟硬不均[5－6]，對刀具磕碰撞擊較大，存在房屋底下被動開倉換刀風險。

3.2 刀具和渣土改良系統(tǒng)優(yōu)化

盾構穿越建筑群[7－9]后洞身地層處于風化泥巖中，綜合考慮刀盤采用四輻條＋四輻板復合式設計，開口率38%，材料采用Q345C高強度鋼板，配備中心雙刃滾刀4把，正面單刃滾刀30把，邊緣單刃滾刀 11把，切刀28把，邊刮刀16把，超挖刀1把。設計的刀盤見圖2。

圖2 刀盤

針對軟硬相間地層，為減少開倉換刀次數，盾構刀盤滾刀采取扁齒滾刀和光面滾刀混合使用，刀盤外周刀線速度快同時小半徑轉彎，容易磨損，將刀盤周邊11把光面滾刀優(yōu)化為加密扁齒滾刀，扁齒滾刀合金保證了在硬巖地層中仍能有良好的耐磨性，同時母材韌性達到了普通光面刀圈的數倍。正面滾刀采用厚刃25 mm光面滾刀，保證了長距離掘進的耐磨性。

盾構配有兩套渣土改良系統(tǒng):泡沫系統(tǒng)和膨潤土系統(tǒng)。

泡沫系統(tǒng)為單管單泵，為防止切削下來的灰?guī)r粉末和泥巖堵住刀箱和刀盤中心開口，將渣土改良系統(tǒng)進行優(yōu)化，刀盤中心增加兩路高壓水沖刷系統(tǒng)，在臺車上單獨增加一臺5.5 kW的增壓泵提供動力。

3.3 主動查刀和設置換刀點

根據武漢其他同類地層施工經驗，中低硬度和軟硬不均地層施工時，參數變化規(guī)律性差，時常上一環(huán)是相對正常的掘進參數，下一環(huán)掘進參數直接異常，部分刀具已經磨損嚴重，巖層掘進需要根據地面條件等主動檢查刀具。

為避免在房子底下進行被動開倉換刀，進房子前20 m附近適當位置進行開倉檢查刀具，由于房屋底下地層無條件勘察，地層存在不確定性，在房屋之間的空地上或者小區(qū)的便道上設置檢查換刀點，經過前2次開倉檢查刀具情況，摸索出刀具磨損的規(guī)律和掘進參數的進一步優(yōu)化，后續(xù)適當延長檢查刀具環(huán)數。刀具更換統(tǒng)計見表2。

表2 刀具更換統(tǒng)計

3.4 優(yōu)化水平運輸

由于穿越段處于28‰的大下坡，同時采用環(huán)寬1 500 mm的管片，盾構水平運輸電機車每環(huán)需重載連續(xù)爬坡，普通鉛酸電機車存在溜車安全風險，為確保施工安全和施工功效，采用55 t大噸位鋰電池電機車進行水平運輸，同時將電機車剎車系統(tǒng)進行優(yōu)化，將原來的雙氣路制動系統(tǒng)優(yōu)化為三氣路制動系統(tǒng)，對于氣源利用更加充分，加強制動效果；增加斷電自動剎車，電機車在運行過程中如果突然變頻器斷電，空氣制動系統(tǒng)會自動剎車，避免發(fā)生危險。

3.5 掘進參數及姿態(tài)控制

(1)掘進參數

①掘進速度

區(qū)間地層軟硬相間且下穿建筑群，掘進速度應根據地層及時調整，灰?guī)r及硅質巖段速度控制在3～8 mm/min，其余地層20～35 mm/min。

②刀盤轉速

掘進斷面完整地段刀盤轉速應控制在1～1.2 r/min，軟硬不均地段刀盤轉速為0.9 r/min，減少刀具撞擊導致的損壞。

③掘進土壓

④出渣量

每環(huán)理論出渣量為49 m3，考慮土質松散系數，出渣量應控制在52～55 m3以內，每環(huán)出渣量結合渣土箱數量和門吊稱重雙控。

(2)姿態(tài)控制[10－12]

軟硬相間地層掘進過程中盾構機受力不均，易引起盾構施工的實際軸線偏離設計方向，糾偏充分利用主動鉸接的優(yōu)勢，進入曲線前提前將盾構姿態(tài)調到曲線內側10 mm左右，始終沿著曲線內側掘進，管片選型適當超前，姿態(tài)在可控范圍內，糾偏以盾尾間隙為主。

因隧道轉彎處于360 m小半徑，隧道內通視條件較差，每推進8～9環(huán)需要進行一次測量換站，設置完新測量基準點后，加大復測力度，同時每隔兩次換站對盾體特征點和后視點進行一次復核，從而保證數據的精確性。

3.6 注漿

同步注漿可以有效填充管片與土體之間的間隙，控制地表沉降，還可以確保管片襯砌的早期穩(wěn)定，但是注漿量過多或過少會造成管片的隆沉。盾構下穿建筑群段地層軟硬相間和小半徑曲線，施工過程中嚴格控制同步注漿的質量和數量，在正常掘進段漿液配比的基礎上增加水泥用量、加大漿液稠度，使?jié){液和易性好，泌水性小，減小漿液的固結收縮，避免管片上浮，具體漿液質量配比為:水∶水泥∶砂∶摻合劑∶膨潤土 ＝2.25∶1∶3∶2.5∶0.4，注漿壓力控制在0.3～0.4 MPa。

盾構機每推進一環(huán)理論建筑空隙為V＝π·(R2－r2)·L＝3.14×(6.442－6.22)/4×1.5＝3.58 m3；土質松散系數按1.3～1.8計算，則每環(huán)理論注漿量為Q＝4.65～6.44 m3，實際施工過程中每環(huán)注漿5.5 m3。

區(qū)間基巖裂隙水在巖層中無規(guī)則竄動，容易帶走漿液，造成管片背后空隙增多，管片上浮，為了盡量確保地面沉降在控制范圍內，在穿越過程中，需及時跟進二次補漿作業(yè)，在同步注漿的基礎上，進行跟蹤二次注漿輔以環(huán)箍注漿，在脫出盾尾的第8環(huán)～第10環(huán)管片，采用雙液漿每間隔10環(huán)打好環(huán)箍，使隧道縱向形成間斷的止水隔離帶，再在各環(huán)箍間進行二次注漿。二次注漿過程中嚴格按照要求進行跟蹤注漿，注漿壓力控制在0.2～0.4 MPa，防止管片上浮及地面沉降。出現管片上浮情況，二次注漿點位應選擇15點/1點，2點/14點四個點位上，按照此順序依次調整注漿孔位，同時壓低掘進垂直姿態(tài)，確保成型管片姿態(tài)。穿越完畢繼續(xù)進行跟蹤監(jiān)測，及時補漿處理，避免后期沉降。

中小企業(yè)應根據企業(yè)自身的實際情況設置企業(yè)的部門機構，要盡量做到精煉有序，盡量實施一崗多能，如果公司的管理部門層次太多，管理人員繁雜，就會產生極大的管理成本和費用，并且不利于部門之間的協(xié)調溝通。這樣既能提高工作效率，又減少了不必要的支出和浪費。

3.7 施工監(jiān)測

在盾構穿越期間，專人進行建筑群變形觀測，及時準確將監(jiān)測數據匯總給施工技術部門，以便于施工技術人員及時了解施工現狀和變形情況，確定新的施工參數和注漿量等信息和指令，并傳遞給盾構推進面，及時作相應調整，最后通過監(jiān)測確定效果，從而反復循環(huán)、驗證、完善，確保建筑群安全和隧道施工質量。經持續(xù)監(jiān)測，建筑物沉降都在10 mm以內，最大沉降8 mm。

4 結語

武漢市軌道交通8號線二期工程第三標段小洪山站～街道口站區(qū)間盾構在軟硬不均地層及大下坡并小曲線半徑施工工況下，安全順利穿越建筑物群。

(1)合金扁齒滾刀具有良好的耐磨性及耐沖擊性，很好地解決了刀圈在軟硬相間地層掘進時易整體斷裂問題，同時減少了開倉次數。

(2)主動查刀是軟硬不均地層掘進的基本原則。

(3)刀盤中心增加兩路高壓水沖刷系統(tǒng)，避免了刀盤結泥餅的可能。

(4)水平運輸設備改造三氣路制動系統(tǒng)和斷電剎保證了電機車在28‰大坡度的安全運行。

(5)大下坡的同步注漿漿液往往達不到要求，必須二次注漿再輔以環(huán)箍注漿，使隧道縱向形成間斷的止水隔離帶，再在各環(huán)箍間進行二次注漿，確保沉降在規(guī)定范圍內。

(6)盾構小半徑曲線穿越段姿態(tài)一直處于糾偏過程，通過采取預偏量，控制每環(huán)糾偏量不大于8 mm，以減少姿態(tài)調整對地層的擾動。