盾構(gòu)近距離穿越房屋群施工技術(shù)研究

梁景一，王 建

(1.中鐵隧道集團(tuán)三處有限公司，廣東 深圳 518052；2.南昌大學(xué) 工程建設(shè)學(xué)院，江西 南昌 330031)

0 引言

南昌地鐵軌道交通4號(hào)線桃苑路站—繩金塔站區(qū)間隧道近距離下穿建筑物群，該區(qū)段所處地層為富水圓礫、粗砂、中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖地層，如何將地面的沉降、建筑物群的沉降及傾斜控制在一定的安全范圍內(nèi)是必須解決的重大技術(shù)和安全問題。

王謙等[1]通過對(duì)盾構(gòu)近距離下穿建筑物進(jìn)行數(shù)值模擬，指導(dǎo)施工保護(hù)了建筑物的完整性與安全性；魯茜茜等[2]對(duì)軟弱地層盾構(gòu)隧道側(cè)穿房屋進(jìn)行研究，得出了軟弱地層中盾構(gòu)對(duì)周圍建筑物沉降的影響；丁智[3]對(duì)杭州地區(qū)的地鐵盾構(gòu)進(jìn)行分析，得出了杭州地區(qū)盾構(gòu)對(duì)建筑物的變形作用影響；車風(fēng)等[4]研究了盾構(gòu)過程中對(duì)淺基礎(chǔ)的影響；胡斌[5]研究了工程建設(shè)過程中房屋的一般保護(hù)措施；葛世平等[6]通過研究上海地區(qū)的地鐵盾構(gòu)，得到了地鐵施工過程中對(duì)房屋的沉降影響。

針對(duì)南昌地區(qū)地鐵盾構(gòu)施工的研究很少，尤其是針對(duì)南昌地區(qū)地鐵盾構(gòu)穿越建筑物群的研究更少。

本文以南昌地鐵軌道交通4號(hào)線壇子口站—繩金塔站區(qū)間隧道下穿建筑物群為例，分析該區(qū)間盾構(gòu)近距離下穿建筑物群施工技術(shù)，為類似工程施工提供參考。

1 工程概況

南昌市軌道交通4號(hào)線一期工程五工區(qū)段桃苑站—繩金塔站區(qū)間位于南昌市西湖區(qū)，本區(qū)間出繩金塔站明挖區(qū)間后，沿金塔西街(美食街)向西，于海關(guān)橋南側(cè)下穿撫XK23+581.227，左線長(zhǎng)鏈7.350 m，左線總長(zhǎng)646.500 m；右線起終點(diǎn)里程為SK22+941.200～SK23+588.364，右線總長(zhǎng)647.176 m。盾構(gòu)段區(qū)間線路平面最小曲線半徑為325 m，線間距11.5～19.2 m。區(qū)間縱斷面最大縱坡為28%，采用“V”字坡。

桃苑站—繩金塔站采用土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，本工程刀盤采用四牛腿、四主梁+四副梁結(jié)構(gòu)形式，刀盤開挖直徑6 280 mm。南昌4號(hào)線的管片形式是外徑6 000 mm、內(nèi)徑5 400 mm地鐵管片的一種典型結(jié)構(gòu)，采用錯(cuò)縫拼裝的形式。

2 施工安全風(fēng)險(xiǎn)分析

2.1 工程地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)

桃苑站—繩金塔站區(qū)間地層主要為人工填土、粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)土、細(xì)砂、中砂、粗砂、礫砂、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、中風(fēng)化鈣質(zhì)泥巖(見圖1)。

圖1 桃苑站—繩金塔站區(qū)間地質(zhì)及地下水位線斷面

盾構(gòu)隧道洞身主要穿越地層為粗砂、礫砂、中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖。粗砂分選性較差，級(jí)配良好，呈飽和、稍密-中密狀態(tài)；礫砂分選性較差，級(jí)配良好，呈飽和、中密狀態(tài)；中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖遇水易軟化，巖體破碎。各土層的力學(xué)性質(zhì)差距較大，不利于盾構(gòu)機(jī)的施工。

2.2 與房屋特殊相對(duì)下穿位置風(fēng)險(xiǎn)

本區(qū)間沿繩金塔美食街敷設(shè)，下穿撫河中路及撫河向西前行，據(jù)統(tǒng)計(jì)下穿建筑物5棟，側(cè)穿12棟建筑物。臨近最近的金塔西街新建7#樓為地上2層框架結(jié)構(gòu)，人工挖孔樁基礎(chǔ)(見圖2)，樁徑0.9～1.4 m，樁底標(biāo)高11.55 m(樁頂標(biāo)高21.55 m)。左線隧道下穿建筑，建筑物基礎(chǔ)底距離隧道最小垂直距離7.05 m(見圖3)。

圖2 建筑實(shí)景

圖3 金塔西街新建7#樓基礎(chǔ)與隧道位置關(guān)系

3 盾構(gòu)下穿房屋建筑群的安全控制措施

3.1 盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)的設(shè)定

根據(jù)區(qū)間工程巖土工程勘察報(bào)告提供的地質(zhì)情況及隧道埋深等情況，進(jìn)行理論計(jì)算切口平衡壓力。

正面平衡土壓力公式p=k0γh，其中：p為平衡壓力，γ為土體的平均重度，h為隧道埋深，k0為土的側(cè)向靜止平衡壓力系數(shù)[7]。隧道穿越礫砂層(根據(jù)巖土工程勘察報(bào)告)土容重約為20.5 kN/m3；地層靜止側(cè)壓力系數(shù)取值k0=0.38,h取20.5 m，土壓力p=k0γh=160 kPa。其他位置根據(jù)不同的埋深、水位另行計(jì)算，盡量減少土壓波動(dòng)，減少對(duì)地層的擾動(dòng)。

盾構(gòu)在掘進(jìn)施工中均參照以上方法來取得平衡壓力的設(shè)定值。具體施工設(shè)定值根據(jù)盾構(gòu)埋深、所在位置的土層狀況以及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行不斷調(diào)整。正常推進(jìn)時(shí)速度宜控制在3～4 cm/min。

3.2 渣土改良技術(shù)

在上軟下硬地層主要采用膨潤(rùn)土和泡沫作為主要渣土改良劑，泡沫的支撐作用使開挖土的流動(dòng)性提高，土壓室內(nèi)泥土不會(huì)產(chǎn)生擁堵，刀盤及螺旋輸送機(jī)的驅(qū)動(dòng)扭矩減小，刀具磨損減小，從而有利于盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)。泡沫原液比例為每環(huán)注入量約70～100 L，每環(huán)膨潤(rùn)土為5～6 m3，根據(jù)渣土情況調(diào)整注入量，使渣土保持良好的和易性，便于出渣，掘進(jìn)過程中當(dāng)出現(xiàn)噴涌現(xiàn)象時(shí)，采用聚合物進(jìn)行改良。

本文進(jìn)行了不同膨潤(rùn)土配比及泡沫配比試驗(yàn)，共9組，礫砂層改良試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 礫砂層改良試驗(yàn)結(jié)果

從圖4可以看出：當(dāng)泡沫比一定時(shí)，塌落度和膨潤(rùn)土配比呈反比；當(dāng)膨潤(rùn)土配比一定時(shí)，塌落度與泡沫配比呈反比。

第2組、第5組和第7組膨潤(rùn)土和泡沫比分別為1∶8，0.2∶10；1∶8，0.4∶10和1∶10，0.6∶10，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果來看第2組、第5組和第7組塌落度分別為19 mm，18 mm和19 mm，且流塑性較好，可以用于指導(dǎo)本工程區(qū)間渣土改良。

從經(jīng)濟(jì)性看，數(shù)據(jù)上直接觀察出第2組的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于第5組。對(duì)第2組與第7組，每環(huán)管片可出土量為74 308 kg，按照第2組渣土改良配比，每環(huán)膨潤(rùn)土應(yīng)耗量為660.52 kg、泡沫劑應(yīng)耗量為14.86 kg；按照第7組渣土改良配比，每環(huán)膨潤(rùn)土應(yīng)耗量為540.42 kg,泡沫劑應(yīng)耗量為44.58 kg。根據(jù)廠家提供的膨潤(rùn)土和泡沫劑單價(jià)，分別計(jì)算第2組和第7組需用膨潤(rùn)土和泡沫劑費(fèi)用為627.32和743.32元，因此，第2組的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于第7組。

綜上所述，第2組試驗(yàn)可以用于指導(dǎo)本工程區(qū)間渣土改良，即渣土、膨潤(rùn)土溶液和泡沫劑溶液質(zhì)量比為10∶0.8∶0.1，膨潤(rùn)土和泡沫比分別為1∶8，0.2∶10。

盾構(gòu)前還進(jìn)行了中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層改良試驗(yàn)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定渣土改良中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖和泡沫劑溶液質(zhì)量比為10∶1。改良后的渣土塌落度和流塑性整體效果較好，塌落度在18 mm，盾構(gòu)渣土改良可選取泡沫混合液為0.2∶10的溶液，渣土與混合液質(zhì)量比可取1∶10。每環(huán)所需泡沫劑用量為148.616 kg，需用費(fèi)用為1 055.17元。

3.3 姿態(tài)控制

在實(shí)際施工中，盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)方向可能會(huì)偏離設(shè)計(jì)軸線并超過管理警戒值；在穩(wěn)定地層中掘進(jìn)，因地層提供的滾動(dòng)阻力小，可能會(huì)產(chǎn)生盾體滾動(dòng)偏差；在線路變坡段或急彎段掘進(jìn)，有可能產(chǎn)生較大的偏差。因此，應(yīng)及時(shí)調(diào)整盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)、糾正偏差。

根據(jù)以往盾構(gòu)施工經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合本區(qū)間的具體情況，采取以下方法控制盾構(gòu)掘進(jìn)方向。

(1)采用自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)和人工測(cè)量輔助進(jìn)行盾構(gòu)姿態(tài)監(jiān)測(cè)。

(2)采用分區(qū)操作盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)油缸控制盾構(gòu)掘進(jìn)方向。

(3)當(dāng)滾動(dòng)超限時(shí)，盾構(gòu)機(jī)會(huì)自動(dòng)報(bào)警，此時(shí)應(yīng)采用盾構(gòu)刀盤反轉(zhuǎn)的方法糾正滾動(dòng)偏差。

(4)利用管片安裝調(diào)整盾構(gòu)姿態(tài)。

3.4 同步注漿技術(shù)

3.4.1 同步注漿

采用水泥砂漿同步注漿。同步注漿一般與盾構(gòu)掘進(jìn)同時(shí)進(jìn)行，通過同步注漿系統(tǒng)及盾尾的內(nèi)置4根注漿管，在盾構(gòu)向前推進(jìn)盾尾空隙形成的同時(shí)進(jìn)行，采用雙泵四管路(四注入點(diǎn))對(duì)稱同時(shí)注漿，同步注漿如圖5所示，漿液配合比如表1所示。

圖5 同步注漿

表1 同步注漿漿液配合比 單位：kg

砂層、巖層及上軟下硬注漿壓力控制在200～400 kPa。為有效控制注漿量及注漿壓通過管片吊裝孔注漿，注漿前，先加工注漿管。注漿管一端采用與管片吊裝孔同徑的鋼管，一端采用Φ25鍍鋅鋼管,不同直徑鋼管連接時(shí),采用變截面接頭連接。

3.4.2 拌制漿液

二次注漿漿液采用單液漿,水泥漿漿拌桶攪拌。水泥通過渣車運(yùn)至施工位置，現(xiàn)場(chǎng)攪拌。現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)隧道沉降數(shù)據(jù)采取合理的配合比，配合比由試驗(yàn)室調(diào)配。

3.4.3 二次注漿

二次注漿采用自備的KBY-50/70雙液注漿泵，注漿壓力控制在0.20～0.35 MPa。二次注漿量以壓力控制，達(dá)到設(shè)計(jì)注漿壓力則結(jié)束注漿，視注漿效果可再次進(jìn)行注漿。二次注漿漿液配合比如表2所示。

表2 二次注漿漿液配合比

4 施工監(jiān)測(cè)

4.1 監(jiān)測(cè)報(bào)警值

(1)地表沉降、隆起最大允許值:沉降≤-30 mm, 隆起≤10 mm，且土層損失率不得超過5%。

(2)盾構(gòu)施工期間,穿越區(qū)域內(nèi)框架結(jié)構(gòu)、樁基礎(chǔ)最大傾斜度不大于0.002；對(duì)穿越區(qū)域內(nèi)淺基礎(chǔ)多層和高層建筑物基礎(chǔ)的斜度不大于0.004。

4.2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布置圖

該盾構(gòu)區(qū)間穿越建筑物的一段監(jiān)測(cè)點(diǎn)位平面示意圖如圖6所示，建筑物1為2層建筑，建筑物2為4層建筑，建筑物3為2層建筑，建筑物4為11層建筑，建筑物5為6層建筑。

圖6 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布置

4.3 監(jiān)測(cè)結(jié)果

地表沉降的監(jiān)測(cè)結(jié)果為：監(jiān)測(cè)點(diǎn)A的沉降-1.32 mm，監(jiān)測(cè)點(diǎn)B的沉降為-2.46 mm，監(jiān)測(cè)點(diǎn)C的沉降為-2.02 mm，可以看出，越靠近隧道地表沉降越大。

房屋沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果如表3所示，可以看出，同一棟房子離隧道越遠(yuǎn)處沉降越小，同一水平位置的不同房屋由于自身情況不同，沉降也不同；離隧道越遠(yuǎn)處地表沉降越小，由于該隧道為先進(jìn)行右線施工再進(jìn)行左線施工，所以在隧道左線附近地表沉降最大。實(shí)際監(jiān)測(cè)所得到的結(jié)果均符合規(guī)范要求，證明該施工技術(shù)是可行的，有利于地鐵盾構(gòu)施工。

表3 房屋沉降監(jiān)測(cè)

5 結(jié)語

本文通過綜合分析本項(xiàng)工程的地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)、環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，采用適合配合比的渣土改良技術(shù)，即渣土、膨潤(rùn)土溶液和泡沫劑溶液質(zhì)量比為10∶0.8∶0.1，膨潤(rùn)土和泡沫比分別為1∶8，0.2∶10；控制推進(jìn)速度在3～4 cm/min；采用合適的報(bào)警值進(jìn)行姿態(tài)控制；同步注漿等施工技術(shù)有效地控制了地表沉降。

施工過程中未出現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)，保證了施工的安全并且未對(duì)周邊建筑物造成損害，可為未來南昌地區(qū)的地鐵建設(shè)施工提供借鑒方案。