復(fù)合地層中大直徑盾構(gòu)下穿建筑物群施工技術(shù)

葉至盛 楊鳳梅

(1. 中電建鐵路建設(shè)投資集團(tuán)有限公司， 100044, 北京；2. 中國(guó)電建華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司， 310014， 杭州∥第一作者， 高級(jí)工程師)

盾構(gòu)穿越復(fù)合地層過(guò)程中對(duì)建(構(gòu))筑物影響規(guī)律尤為復(fù)雜。盾構(gòu)機(jī)外徑、水文地質(zhì)條件、基礎(chǔ)型式等因素對(duì)其動(dòng)態(tài)施工過(guò)程中地表沉降、建筑物沉降會(huì)產(chǎn)生極大的影響，這對(duì)盾構(gòu)施工技術(shù)措施及信息化管理提出了較高的要求。

本文以某盾構(gòu)區(qū)間下穿建筑物群為例，詳細(xì)介紹盾構(gòu)穿越建筑物群前、中、后采取的施工技術(shù)措施。通過(guò)數(shù)值模擬分析和精心施工組織，配合先進(jìn)的監(jiān)測(cè)技術(shù)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)段調(diào)整后的盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)，成功實(shí)施并穿越建筑物群[1-4]。

1 工程概況

1.1 下穿段與建筑物群的關(guān)系

以盾構(gòu)機(jī)下穿建筑物群區(qū)段(以下簡(jiǎn)稱“下穿段”)為研究對(duì)象。采用海瑞克盾構(gòu)機(jī)，開(kāi)挖直徑8.63 m，全長(zhǎng)110 m。刀盤采用六輻條+六面板的復(fù)合式刀盤，刀盤面板率為36.5%，中心開(kāi)口率為46.5%。盾構(gòu)管片采用外徑8.3 m、內(nèi)徑7.5 m、厚0.4 m、寬1.8 m的鋼筋混凝土管片，每環(huán)由7塊管片組成，采用錯(cuò)縫拼裝。

建筑物群修建于2000年，為3層磚房；其基礎(chǔ)為柱下獨(dú)立基礎(chǔ)，埋深為2 m。盾構(gòu)機(jī)穿越區(qū)間位于曲線半徑為1 200 m的左轉(zhuǎn)圓曲線，處于坡度為22‰下坡段。盾構(gòu)機(jī)共穿越8棟磚房，從砂卵石黏土復(fù)合地層開(kāi)始穿越第1棟磚房，到掘進(jìn)至中風(fēng)化泥巖地層穿越完成第8棟磚房。隧道埋深約26 m，隧道頂部與房屋基礎(chǔ)底部最小豎向凈距約24 m。盾構(gòu)隧道與建筑物群關(guān)系示意見(jiàn)圖1。

1.2 地質(zhì)條件

隧道穿越地層主要為全斷面砂卵石、砂卵石-泥巖、泥巖等地層。勘察期間車站范圍地下水位埋深為3.89～7.15 m，平均滲透系數(shù)為0.44 m/d，屬弱-中等透水層。中風(fēng)化泥巖黏聚力為20 kPa，內(nèi)摩擦角為18°，天然極限抗壓強(qiáng)度為4 MPa。

1.3 工程難點(diǎn)

1) 盾構(gòu)掘進(jìn)斷面大，地層擾動(dòng)大，對(duì)地表和建筑物群沉降影響大。

2) 復(fù)合地層中砂卵石占比約77%、黏土占比約3%、中風(fēng)化泥巖占比約20%，整體上軟下硬，出土量控制難度大。隧道掘進(jìn)地層變化較大，變化趨勢(shì)為：全斷面砂卵石層→砂卵石-泥巖復(fù)合地層→泥巖地層。復(fù)合地層中掘進(jìn)刀盤易結(jié)泥餅，易超方引起沉降。

3) 建筑物群為老舊房屋，其基礎(chǔ)為淺基礎(chǔ)，工程風(fēng)險(xiǎn)大。

2 盾構(gòu)機(jī)穿越控制措施

2.1 盾構(gòu)機(jī)穿越前準(zhǔn)備工作

2.1.1 地質(zhì)補(bǔ)勘

為核實(shí)地層的準(zhǔn)確情況，對(duì)下穿的建筑物之間進(jìn)行地質(zhì)補(bǔ)勘，共布置16個(gè)補(bǔ)勘孔，進(jìn)一步確認(rèn)地質(zhì)信息。對(duì)補(bǔ)勘的孔位進(jìn)行排查，確保補(bǔ)勘孔和監(jiān)測(cè)用的深層土體豎向位移孔位已全部封堵嚴(yán)實(shí),避免漿液串出地面。

2.1.2 房屋鑒定及入戶調(diào)查

聯(lián)合屬地街道辦事處、社區(qū)等單位對(duì)建筑物進(jìn)行入戶調(diào)查，并委托有資質(zhì)鑒定單位對(duì)盾構(gòu)下穿的所有房屋進(jìn)行鑒定，出具書(shū)面鑒定報(bào)告。

2.1.3 地面預(yù)注漿加固

從房屋基礎(chǔ)外側(cè)打設(shè)斜孔預(yù)注漿，斜孔打設(shè)至拱頂上方2 m范圍，斜孔間距為5 m；斜孔在地面共布設(shè)3排，采用梅花形布置，間距為2 m×2 m。

2.1.4 帶壓開(kāi)倉(cāng)換刀

地鐵施工通常采用降水井+常壓換刀，極少采用帶壓開(kāi)倉(cāng)。本工程由于地面條件受限，穿越的建(構(gòu))筑物眾多，地面管線復(fù)雜，地下水較發(fā)育，降水困難，故在穿越前盾構(gòu)機(jī)在復(fù)合地層下啟動(dòng)泥膜護(hù)壁帶壓換刀施工。保壓實(shí)驗(yàn)合格后進(jìn)行帶壓開(kāi)倉(cāng)作業(yè)，對(duì)刀具進(jìn)行了全面的檢查并對(duì)存在問(wèn)題的刀具進(jìn)行了更換，同時(shí)對(duì)渣土改良系統(tǒng)中心的加水系統(tǒng)和泡沫系統(tǒng)進(jìn)行檢查。復(fù)合地層中帶壓換刀的特點(diǎn)及風(fēng)險(xiǎn)如下：

1) 換刀位置掌子面不能有效形成泥膜，盾體周圍留有空隙，致使氣壓不能有效建立，氣體損失量遠(yuǎn)大于氣體補(bǔ)充量，無(wú)法達(dá)到換刀條件。

2) 倉(cāng)內(nèi)作業(yè)區(qū)域有限、掌子面不穩(wěn)定等情況會(huì)危及倉(cāng)內(nèi)作業(yè)人員的人身安全；作業(yè)人員在帶壓環(huán)境中作業(yè)，若加減氣壓操作不合理，可能會(huì)引起減壓病。

3) 盾構(gòu)機(jī)停機(jī)帶壓換刀期間地表沉降較大，地下管線受損，地表建筑物受到影響，危及周邊環(huán)境安全。

2.2 盾構(gòu)機(jī)穿越中的掘進(jìn)控制

2.2.1 渣土改良

1) 管路優(yōu)化。在刀盤面板上設(shè)置6路泡沫管路與2路加水管路，在土倉(cāng)內(nèi)的牛腿上設(shè)置2路泡沫管路；在刀盤中心設(shè)置1路專用的加水管路，同時(shí)在土倉(cāng)的承壓墻上設(shè)置2路加水管路。

2) 泡沫。采用分散型泡沫劑進(jìn)行渣土改良。分散型泡沫劑為2.5%～3.0%泡沫劑與97.0%～97.5%的水混合成的泡沫溶液。同時(shí)單根泡沫管液體流量不小于30 L/min，氣體流量為250～300 L/min。

3) 聚合物。在第208環(huán)—第250環(huán)的掘進(jìn)過(guò)程中，由于地下水較大，易造成螺旋機(jī)出現(xiàn)噴涌現(xiàn)象。在該段土層掘進(jìn)過(guò)程中，每m3水中加入40 g聚丙烯酰胺以防噴涌。第250環(huán)后，隨著黏土及泥巖的增加未再添加聚合物，在每m3水中加入2.5 kg分散劑，可有效防噴涌。

2.2.2 掘進(jìn)參數(shù)

如表1所示，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過(guò)程中的總體參數(shù)顯示正常；僅在第261環(huán)—第263環(huán)、第276環(huán)—第277環(huán)掘進(jìn)過(guò)程中，盾構(gòu)機(jī)參數(shù)異常。

表1 盾構(gòu)機(jī)穿越不同地層時(shí)的參數(shù)統(tǒng)計(jì)

2.2.3 復(fù)合地層出土量控制

盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中，對(duì)每箱渣土箱內(nèi)的渣土高度進(jìn)行測(cè)量。設(shè)專員收集每環(huán)洞內(nèi)實(shí)際出土量、龍門吊起吊渣土量等數(shù)據(jù)資料。每環(huán)根據(jù)出土量及龍門吊起吊渣土量進(jìn)行雙控，分析是否超方；同時(shí)對(duì)比前后3環(huán)出土量及起吊渣土量，核實(shí)是否有突變情況。若發(fā)現(xiàn)超方后渣土管理專員立即根據(jù)“信息全報(bào)，分級(jí)處理”的原則通知相關(guān)人員進(jìn)行超方處置。

在盾構(gòu)機(jī)穿越建筑物群期間，因地層變化較大，出土量逐步由128 m3增加至170 m3，在掘進(jìn)過(guò)程中要求每環(huán)分上、下半環(huán)從皮帶機(jī)上隨機(jī)取渣樣進(jìn)行清洗和分析，并將現(xiàn)場(chǎng)渣樣分析結(jié)果作為調(diào)整松散系數(shù)的依據(jù)。松散系數(shù)由砂卵石地層的1.2逐步調(diào)整至泥巖地層的1.6。下穿段地層變化統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。

表2 下穿段地層變化統(tǒng)計(jì)

2.2.4 綜合注漿

1) 同步注漿及二次注漿：為了保證管片壁后注漿飽滿，同步注漿量均大于11.8 m3，超過(guò)理論建筑間隙的1.64倍；同時(shí)在掘進(jìn)過(guò)程中將二次注漿進(jìn)行常態(tài)化管理，管片脫出盾尾7～10環(huán)后及時(shí)進(jìn)行二次注漿。二次注漿材料為水、普通硅酸鹽水泥，水灰比為0.8∶1.0～1.0∶1.0。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，確定二次注漿壓力為0.2～0.5 MPa。二次注漿點(diǎn)位優(yōu)先選擇盾構(gòu)刀盤3、9點(diǎn)位以上的注漿孔，點(diǎn)位之間錯(cuò)位布置，保證管片壁后注漿飽滿。若注漿后止水效果不佳，可適當(dāng)增加注漿量，并同時(shí)注入水玻璃，水泥漿液與水玻璃比例為1∶1。

2) 中盾注泥：通過(guò)盾構(gòu)機(jī)自帶的中盾注泥系統(tǒng)，及時(shí)填筑盾體與土層的間隙，隔離開(kāi)挖倉(cāng)與注漿腔，起到預(yù)防漿液前竄等功能。同時(shí)，為減少穿越建筑物造成的沉降，采用螺桿泵注入泥漿。泵的設(shè)計(jì)流量為58 L/min。每環(huán)的泥漿理論注入量為1.09 m3，實(shí)際注入量為2.3 m3(推進(jìn)時(shí)間為40 min)，能達(dá)到良好的隔離效果。

3) 深孔注漿：在1號(hào)臺(tái)車頂部搭設(shè)平臺(tái)，在盾構(gòu)機(jī)穿越建筑物過(guò)程中，采用φ42.0 mm、壁厚3.5 mm的鋼花管進(jìn)行洞內(nèi)深孔注漿加固。注漿材料采用水泥漿液。特殊情況下采用水泥-水玻璃雙液漿，水灰比為0.8∶1.0～1.0∶1.0，水泥漿和水玻璃的體積比為1∶1～2∶1。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，注漿壓力控制在0.05 MPa以下。防止管片破損，深孔注漿范圍為：管片上方180°范圍為3 m，管片下方180°范圍為0.5 m。

2.2.5 姿態(tài)控制

1) 盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)：盾構(gòu)機(jī)水平姿態(tài)保持在10～30 mm，豎向姿態(tài)控制在-50～-70 mm，且均未出現(xiàn)突變情況。

2) 管片成型姿態(tài)：成型管片姿態(tài)良好，且未出現(xiàn)較大上浮現(xiàn)象。水平姿態(tài)最大為34 mm，發(fā)生在第216環(huán)；垂直姿態(tài)最大為-30 mm，發(fā)生在第228環(huán)。

2.3 盾構(gòu)機(jī)穿越后的控制措施

1) 袖閥管注漿：為了確保房屋安全，采用袖閥管對(duì)房屋基礎(chǔ)及隧道拱頂上方進(jìn)行空洞排查以及后注漿加固，確保盾構(gòu)機(jī)穿越房屋的安全性。

2) 空洞探測(cè)：為探明已穿越區(qū)域的地下情況，組織專業(yè)單位采用“微動(dòng)探測(cè)”技術(shù)對(duì)已掘進(jìn)隧道中心線上每隔5 m的地層進(jìn)行空洞探測(cè)。MSM(微動(dòng)探測(cè)法)是從圓形臺(tái)陣采集的地面微動(dòng)信號(hào)中，通過(guò)空間自相關(guān)法提取其瑞雷面波頻散曲線，經(jīng)反演獲取臺(tái)陣下方S波速度的地球物理探測(cè)方法。該方法可用于地震構(gòu)造探測(cè)及場(chǎng)地穩(wěn)定性評(píng)價(jià)[5]。

2.4 盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)中遇到的問(wèn)題及處置措施

1) 地層變化：在第261環(huán)—第263環(huán)土層的掘進(jìn)過(guò)程中，地層變化較快，無(wú)法準(zhǔn)確判斷松散系數(shù)，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)參數(shù)未出現(xiàn)較大變化。但通過(guò)渣樣分析，發(fā)現(xiàn)砂卵石質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著減少(由43.3%減少至33.9%)。掘進(jìn)過(guò)程中未能根據(jù)地層變化對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，導(dǎo)致出土量不可控，超方約9.3 m3，立即停機(jī)進(jìn)行原因分析。超方后地面及時(shí)采用臨時(shí)圍擋進(jìn)行圍蔽?；謴?fù)第264環(huán)土層掘進(jìn)時(shí)，為了控制出土量將土壓由240 kPa加大至260 kPa,盾構(gòu)機(jī)推力由25 MN逐步增加至30 MN，扭矩由6 500 kN·m增加至10 000 kN·m，同時(shí)增大了加水量。如圖2所示，在第266環(huán)土層的掘進(jìn)過(guò)程中，地面在第260環(huán)(刀盤位置為第264環(huán))隧道右側(cè)出現(xiàn)冒泡沫的現(xiàn)象。現(xiàn)場(chǎng)及時(shí)采用沙袋進(jìn)行了圍蔽，同時(shí)采用篷布進(jìn)行遮蓋，并采用消泡劑消散及斗車進(jìn)行清運(yùn)[6-7]。

2) 刀盤結(jié)泥餅：在第276環(huán)—第277環(huán)的掘進(jìn)過(guò)程中推力及扭矩明顯增加，推力最大達(dá)到31 MN，扭矩最大達(dá)到11 MN·m。掘進(jìn)過(guò)程中速度波動(dòng)較大，且皮帶上有大塊泥團(tuán)，懷疑土倉(cāng)內(nèi)有結(jié)泥餅的現(xiàn)象。隨后停機(jī)對(duì)土倉(cāng)內(nèi)加入51.3 m3的分散劑水溶液進(jìn)行泡倉(cāng)處理，泡倉(cāng)13 h后恢復(fù)掘進(jìn)?；謴?fù)后掘進(jìn)參數(shù)有所好轉(zhuǎn)，推力降低至21 MN，扭矩降低至800 MN·m，速度較穩(wěn)定。由于第277環(huán)泡倉(cāng)后土倉(cāng)內(nèi)存在大量的分散劑水溶液，渣土較稀，出土量不易計(jì)算，通過(guò)理論計(jì)算第278環(huán)超方10.8 m3。為了確保地面安全，停機(jī)進(jìn)行地面隱患排查工作。在地面第276環(huán)—第278環(huán)對(duì)應(yīng)的刀盤位置(第280環(huán)—第282環(huán))進(jìn)行鉆孔排查，發(fā)現(xiàn)地層較密實(shí)，未發(fā)現(xiàn)空洞，此時(shí)注入水泥漿3.2 t。后續(xù)通過(guò)帶壓開(kāi)倉(cāng)，驗(yàn)證了結(jié)泥餅的判斷。

3 下穿段數(shù)值模擬結(jié)果及分析

3.1 三維計(jì)算模型的建立

利用MIDAS-GTS有限元分析軟件，根據(jù)圣維南原理和實(shí)際需要，為消除邊界效應(yīng)，建立下穿段三維計(jì)算模型。模型計(jì)算范圍為360 m×240 m×80 m(長(zhǎng)度×寬度×高度)，如圖3所示。

三維計(jì)算模型單元總數(shù)158 432個(gè)，節(jié)點(diǎn)總數(shù) 268 440個(gè)。計(jì)算模型網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖3。模型采取的邊界如下：① 上邊界取至地面，為自由面；② 其余邊界采用固定位移邊界，其中4個(gè)側(cè)面地層邊界限制水平位移，下邊界限制豎向位移。

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

沿線三層磚房基礎(chǔ)的沉降云圖見(jiàn)圖4。

根據(jù)表3，對(duì)1#、2#、3#、7#磚房再次進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)注漿，確保穿越過(guò)程中建筑物安全。

表3 沿線三層磚房最大沉降和基礎(chǔ)傾斜匯總

4 下穿段監(jiān)控量測(cè)結(jié)果及分析

盾構(gòu)機(jī)穿越過(guò)程中存在地面及房屋沉降的風(fēng)險(xiǎn)。采用人工觀測(cè)手段對(duì)地表沉降及建筑物沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè)，同時(shí)進(jìn)行全天不間斷巡視觀察，掌握盾構(gòu)機(jī)穿越建筑物群時(shí)周邊環(huán)境的變形情況，以指導(dǎo)施工，亦為盾構(gòu)安全穿越提供及時(shí)、準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)支撐。盾構(gòu)機(jī)下穿建筑物群期間的建筑物沉降、地表沉降、地中位移見(jiàn)圖5—圖7和表4。

比較表3與表4中的建筑物沉降，可以明顯判斷通過(guò)二次補(bǔ)強(qiáng)注漿的1#、2#、3#、7#磚房沉降較小，沉降得到了有效控制，驗(yàn)證了數(shù)值模擬的有效性。5#磚房沉降偏差約-7.80 mm、8#磚房沉降偏差約7.08 mm，考慮為模型地層選擇與實(shí)際地層偏差(5#磚房下方實(shí)際地質(zhì)條件較差，與地勘報(bào)告存在一定偏差)，即地層不均勻性導(dǎo)致，也可能是盾構(gòu)機(jī)穿越5#磚房過(guò)程中參數(shù)未及時(shí)調(diào)整或注漿不及時(shí)所致。盾構(gòu)機(jī)穿越建筑物群期間建(構(gòu))筑物沉降、地表沉降，以及土體分層豎向位移均在設(shè)計(jì)要求的控制范圍內(nèi)。目前，各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)變化速率均較小，且盾尾脫出后監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形趨于收斂，整體處于安全可控狀態(tài)。

表4 盾構(gòu)機(jī)下穿建筑物群監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

5 結(jié)語(yǔ)

1) 大直徑盾構(gòu)在復(fù)合地層下穿建筑物群的過(guò)程中，采用渣土改良方法、掘進(jìn)控制參數(shù)、出土量控制及綜合注漿等成套施工技術(shù)，可有效控制建筑物和地表沉降。

2) 提出了盾構(gòu)掘進(jìn)中遇地層變化和土倉(cāng)結(jié)泥餅問(wèn)題的處理方法。

3) 在復(fù)合地層中成功實(shí)施了泥膜護(hù)壁帶壓開(kāi)倉(cāng)換刀。

4) 建議大直徑盾構(gòu)機(jī)在穿越復(fù)合地層前，通過(guò)詳細(xì)勘察地層，并利用數(shù)值軟件計(jì)算各工況下建(構(gòu))筑物的變形情況，對(duì)風(fēng)險(xiǎn)較大地層，應(yīng)進(jìn)行技術(shù)處理后再穿越。