地铁盾构区间侧穿建筑物施工控制技术

张亚勇，薛新枝

(1.苏州轨道交通有限公司，江苏苏州 215003;2.郑州市轨道交通有限公司，郑州 450046)

地铁盾构区间侧穿建筑物施工控制技术

张亚勇1，薛新枝2

(1.苏州轨道交通有限公司，江苏苏州 215003;2.郑州市轨道交通有限公司，郑州 450046)

为保证地铁沿线建筑物的安全，对近距离侧穿建筑物的地铁盾构区间隧道施工，从设备选型、掘进参数、同步注浆与二次注浆等方面进行分析与控制，地表隆沉最大值分别为0，-9.8 mm，建筑物隆沉最大值分别为5，-2.8 mm，地表沉降值与建筑物沉降值均控制在目标值范围内，保证了地铁沿线建筑物的安全。

地铁;盾构隧道;下穿建筑物;施工

1 工程概况

苏州火车站站—三医院站区间盾构隧道自苏州火车站站向西，以半径410 m圆曲线左转穿越苏州火车站站场，然后依次以半径450、350 m圆曲线沿广济路前进，最后以半径350 m圆曲线到达三医院站。线路线间距13.0～19.29 m。线路的基本走向为南北向。隧道纵坡呈"V"形，区间最大纵坡为15.309‰，最小纵坡为4.0‰。线路竖曲线与车站相连端采用3 000 m半径，其余为5 000 m半径，区间线路埋深9.1～17.5 m。设2处联络通道及1处废水泵房。

左右线全长2 704.882 m，右线隧道盾构机由三医院站始发，向火车站站方向掘进。沿线建(构)筑物密集，其中在右线隧道第26环～109环段近距离下穿第三人民医院急诊楼、社区服务中心、市立医院发热门诊3处房屋。3栋房屋的建筑形式及与区间右线的位置关系见表1，平面位置关系见图1。

表1 建筑物形式及与区间隧道的位置关系

本区间隧道土体上部为粉质黏土层，中部为中密状粉土夹粉砂层，下部为软～流塑状粉质黏土层，地下水埋深6.7 m。

2 施工重难点

本区间线路在平纵断面上大部分为曲线，且近距离穿越3处房屋，稍有不慎便会造成巨大的经济损失和严重的社会影响。因此，本工程施工重点就是保证沿线既有房屋的安全;区间施工的难点即主要任务是对施工过程进行控制，最大限度地减小隧道掘进过程中土体变形与地面建筑物的沉降，从而保证既有建筑物的安全。

3 施工过程控制

根据沿线工程地质与水文地质条件、地层特性、地面环境等因素及以往的施工经验，选用土压平衡盾构施工，盾构机由三医院站始发，向火车站站方向推进。根据盾构隧道施工的特点，减少隧道周围土体变形、控制地面建构筑物沉降主要从设备选型、控制盾构掘进参数、调整同步注浆与二次注浆参数等方面着手［3-11］。

3.1 设备选型

3.1.1 刀盘选择

盾构机刀盘的形状主要有属于敞开式的轮辐形与属于封闭式的面板形两种。因本区间隧道穿越的地层大部分为粉土夹粉砂及粉质黏土地层，土层自立性较差，且地下水位高、水压力大，若选用轮辐形刀盘，则在掘进过程中容易发生喷水、喷泥现象，从而导致掘削面发生坍塌;而面板式刀盘的面板可直接支撑掘削面，具有挡土功能，有利于掘削面的稳定。因此，本区间盾构机选用面板式刀盘。

但面板式刀盘在掘削含黏土的地层时，易发生黏土粘附面板表面妨碍刀盘旋转，进而影响掘削质量;在砂质土层中掘进时，因土颗粒间的摩擦角大故磨擦阻力大，土体自身的流动性、抗渗性均较差，在无其他措施的情况下，掘削面稳定也极其困难。若对掘削面土体注入添加材，使开挖面处作为支撑介质的土体的塑性、流动性、防渗性和弹性等得以改进，从而使开挖土层得到改良，可确保掘削土的流动性、止水性，使掘削面稳定，并可减少盾构机掘进驱动功率，同时也可减少刀具的磨损。因此，在刀盘上钻头前端加设了5个添加剂注入口(中心轴部设1个，刀盘外周部设4个)，用以向盾构机开挖室中注入添加材。另外，因添加材注入口直接与泥土接触，故在注入口设置防护头和逆流防止阀，以防止泥土和地下水涌入开挖室。

3.1.2 螺旋输送机

螺旋输送机作为控制密封舱压力的关键部件，对其密封性能有很高的要求，为防止在地下水位较高，水压较大地层中掘进时，螺旋输送机的密封性不好而发生喷涌水、喷涌砂现象，采用了止水性能好的有轴式螺旋输送机，并对螺旋输送机设置了2道防水闸门。

3.1.3 盾尾密封刷

为防止周围地层的土砂、地下水、管片背后注入浆液、开挖面的泥水、泥土等从盾尾间隙流向盾构机体内，在盾尾设置了3道密封刷。密封油脂由12条管路压送到3排盾尾密封刷与管片之间形成的2个腔室中，以防止注射到管片背后的浆液及地下水等进入盾体内。

3.2 盾构掘进参数控制

土压平衡盾构机施工中切削面稳定的机理［1，2］是:在盾构推进时其前端刀盘旋转掘削地层土体，切削下来的土体进入土舱，当土体充满土舱时，其被动土压与掘削面上的土、水压基本相同时掘削面实现稳定。若盾构推力过大、推速快、出土率小，土仓压力则增大，这将对掘削面产生挤压而使掘削面隆起和前移，从而引起地面隆起;若盾构推力过小、推速慢、出土率大，土仓压力则变小，这将引起掘削面的塌陷，从而引起地面沉降。另外，盾构姿态也是引起地面隆起或沉降的重要因素。因此，为了更好地控制地面隆起与沉降量，主要从土仓压力、出土量及掘进过程中的盾构姿态3方面进行控制。

3.2.1土压力控制

图1 区间隧道与地面建筑物平面关系(单位:m)

根据各段隧道的埋深、地层地质情况、地下水位、区间上方地面车辆荷载等，综合计算土仓压力理论值为0.18 MPa，施工过程中土压力值设置略高于理论计算值，使刀盘前方土层有较小的隆起，隆起量控制在2 mm左右，随着盾构机的通过与土体的固结，隆起值回落，并开始缓慢沉降。施工时土仓压力设置高于理论值约0.01 MPa，施工过程中根据线路埋深与地层地质情况的变化，及地面隆沉的监测数据，不断调整土压力设定值，并通过调整刀盘扭矩与总推力，来调整土仓压力。整个施工中土仓压力控制在0.18～0.22 MPa。

停机状态处理(停机保压):当盾构机掘进完第7环，完成洞门封闭注浆后正值春节，停机当天上午土仓压力为0.18 MPa，中午11点土压力降至0.14 MPa，为确保掘削面稳定、控制好地表沉降，并保证节后盾构机能正常运转，及时将盾构机向前顶进建立土压至0.20 MPa后停机。假日期间，派专人值守，对盾构机状态进行了监测，根据土压力下降情况，采取了每隔4～5 h盾构机向前顶进建立土压至0.20 MPa，并严格保证土压力不小于0.14 MPa的措施。根据地表沉降监测数据显示，停机6 d内，采取间隙推进保压的措施，地表沉降量被控制在+2～-3 mm之间，控制效果较好。地表沉降监测数据见图2。

图2 春节期间停机6 d地表沉降监测数据

3.2.2 出土量控制

土压平衡盾构机的排土机构由螺旋输送机、排土控制器组成。盾构掘进时，在相同推进速度的情况下，出土量直接影响到土仓压力值，因此，应根据开挖直径、开挖进尺、岩土损失及岩土松散系数(取1.3～1.4)计算出理论出土量，施工中将实际出土量与理论出土量进行比较，做到出土量与进尺量平衡，施工中将出土量控制在98%～100%。当实际出土量与理论出土量相差较大时，及时分析原因做出调整，防止超挖造成地表沉陷。

根据实际施工经验，主要采取以下两种方法来控制出土量:一是将螺旋输送机的转速调整到一定值，保持出土量基本不变，然后根据土舱内的土压计和刀盘的掘削扭矩的监测仪表控制盾构推力和推进速度，以达到排土量与掘土量的平衡;二是将盾构的掘进速度调整到某一定值，保持掘土量基本不变，然后由设置在螺旋输送机内的土压计的实测值控制螺旋输送机的转速，以控制出土量，从而达到排土量与掘土量的平衡。也可根据实际情况，两种方法结合使用。

3.2.3 盾构姿态控制

区间线路在平面上处于左转的曲线上，纵断面上于第8环开始变坡，一直到63环变为25‰的下坡。因盾构机在平面和纵断面线路上均处于曲线段，且盾构所处地层上硬下软，盾构姿态较难控制，最初盾构司机未掌握此地层中盾构姿态变化规律，在掘进至第34环时，盾构机出现了“磕头”现象。针对实际情况，及时进行了纠偏。并总结经验如下。

(1)盾构推进时将偏离量控制在规定允许偏离量的50% ～80%，并在该范围内修正偏离，进行推进管理。

(2)方向修正时，先把方向角变化量或者掘削面至盾尾偏移的变化量换算成上下左右推进千斤顶行程的变化量。推进中的方向变化，可通过行程计测得的各区千斤顶的行程差、陀螺方位角的变化、倾斜计的纵向角等参数的变化掌握。监视这些推进数据与目标值的对比结果，调整各区千斤顶的推力，控制盾构机的推进方向。

(3)在方向控制时，必须随时掌握盾构在推进方向上的偏离量，按可以把偏离量拉回到控制值以内的原则设定方向修正量，即使超过管理值也可以考虑先修正几米的原则进行方向控制，避免强纠猛纠与纠偏过度而反复纠偏。

(4)有条件进行试验段施工时，应通过试验段施工总结管片脱出盾尾稳定后的上浮量或下沉量，以便在盾构机推进时在纵断面竖向设置相应的预偏量。

(5)在修正盾构方向的同时，还必须慎重地进行管片组装管理。在曲线地段推进，每环管片组装后，均应测量管片与盾尾板的间隙，如果尾隙过小，会导致管片无法组装，同时接头错位，缝隙增大，致使漏水，且易导致管片自身出现裂纹等损伤。因此，为满足盾构方向修正的需要，必须使用楔形管片修正隧道轴线方向。

(6)施工时在满足规范要求的基础上，根据实际情况适当提高测量频率，测定盾构隧道的轴线偏移情况，根据测量数据分析盾构姿态，及时采取纠偏措施，避免误差累积，平稳地控制盾构推进的轴线，确保盾构机姿态与隧道姿态符合线型要求。

3.3 注浆控制

3.3.1 同步注浆

对砂质土及软黏土等地质条件，盾构掘进时若不及时进行同步注浆，则管片不能被周围土体固定，盾构千斤顶的推力无法准确地传向后方，由此将带来管片的变形，隧道轴线的移位，且因尾隙的维持时间较短，引起地层的沉降，因此，必须及时进行管片背后注浆。同步注浆的质量主要从浆液性能(流动性、稠度、析水率、凝胶时间、浆液强度等)、注浆压力与注浆量等方面进行控制。

异位发酵床的粪尿处理工艺如图1所示，猪舍中的粪污通过排粪沟直接进入集粪池中，通过切割搅拌机进行搅拌处理，避免沉淀等问题发生。粪污切割泵进行打浆，将其抽送到喷淋池中，随后将粪污均匀喷洒到异位发酵床上，然后进行微生物发酵剂的添加，将垫料跟粪污混合进行发酵处理，分解猪粪，并进行臭味的有效消除[2]。喷淋机往返喷淋粪污，且翻堆机能进行混合垫料的及时供给，这样也能够完成猪粪污的有效处理，并将垫料转变为有机肥，为养殖人员带来良好的经济效益。

(1)浆液原材料及配比

参照相邻区间的施工经验，并根据本区间地质情况及周边环境情况，注浆采用新型改良浆液(准厚浆)，原材料主要为消石灰、膨润土(钠基)、粉煤灰(Ⅱ级)、中细砂、外加剂(减水)、水等，配比见表2。

表2 同步注浆浆液配比与原材料指标 kg

浆液性能指标:浆液坍落度初始值控制在24～26 cm，2 h内不低于24 cm;稠度10～13 cm;凝结时间14 h;抗压强度 R7=0.7 MPa，R28＞1 MPa;密度 1.82 g/cm3。

(2)注浆量及注浆压力

注浆压力通常选用地层阻力强度与注入条件(浆液性质、喷出量及注入工法等)决定的附加项的和，若注浆压力小于地层阻力强度，则浆液无法压入，但若注浆压力过大，则管片封顶块的螺栓可能被剪断，故注浆压力一般设定为地层阻力强度加上0.1～0.2 MPa。本区间施工时同步注浆压力控制在0.5 MPa以内。

注浆量不仅与管片背后空隙量有关，还与注入压力、土层性质及施工损耗等因素有关，本区间施工开始同步注浆注入率按220%。根据本区间现场实践，发现盾构机同步注浆自动计量系统所显示的注入量(面板显示注入量)和实际拌浆量有所差异，界面显示注入量比实际拌浆量多0.5～1 m3/环。鉴于此，同步注浆量控制以实际拌浆量控制为主，操作界面显示量控制为辅。洞门注浆封闭结束后，同步注浆从+5环开始起注，在控制注浆压力不超过0.5 MPa的前提下，每环定量注入准厚浆3 m3，并根据地表监测数据反应的地面沉降量对注浆量进行不断地调整。由监测数据发现从第5环至18环沉降量逐步增大，经过分析决定从第22环开始将每环注浆量调整至3.5 m3(注入率为254%)，注浆量调整后地面沉降量逐步减小，为更好地控制沉降，从47环开始将注浆量调整至3.8 m3(注入率为276%)，通过监测数据可知，调整注浆量后地面沉降被控制在4 mm以内。地面沉降监测结果见图3。

图3 地面沉降与同步注浆量关系

(3)注浆施工注意事项

3.3.2 二次注浆

因1～4环处于洞门端头加固区内，土体自立性较好，施工中未进行同步注浆，须进行二次注浆补充管片外空隙，其余管片背后因同步注浆浆液的凝固发生体积缩减，以及因地层特性等因素造成的管片背后空隙未被完全填充等，须通过管片上的注浆孔对管片背后进行二次跟踪注浆。二次注浆采用水泥水玻璃双液浆。根据地层情况及实验结果，确定注浆参数如下。

(1)浆液配合比

水∶水玻璃=3∶1(质量比) 水泥浆水灰比=1∶1(质量比)

水泥浆∶水玻璃=1∶1(体积比)

(2)注浆量及注浆压力

1～5环二次注浆量30 m3，从第6环进行二次跟踪注浆。注浆顺序为每一环管片的左下和右下，隔环的左上和右上，平均每环注浆1.0 m3。注浆压力0.3～0.4 MPa。每环注浆采用注浆量与注浆压力双控，以保证注浆质量。

4 施工过程控制结果

地面沉降控制目标:地面单次最大隆起小于2 mm，地面累计隆起量小于5 mm;地面单次最大沉降量小于3 mm，地面累计沉降量小于15 mm。建筑物沉降控制目标:

图4 区间右线与建筑物监测点布置

建筑物累计隆起量5 mm，累计沉降量10 mm;建筑物竖向倾斜率控制在2‰以内。

4.1 地表沉降

盾构近距离穿房屋段地表累计沉降值见图3，从图3中可见盾构穿越后，地表无隆起，累计沉降量最大为9.8 mm，在控制目标范围内。

4.2 建筑物沉降

对盾构穿越的建筑物主要进行沉降、倾斜及裂缝的监测［12］。建筑物沉降主要使用水准仪对承重墙、柱及基础进行观测;用经纬仪对其倾斜度进行观测;并通过肉眼对建筑物是否发生裂缝进行观测。医院急诊楼、社区服务中心、发热门诊楼监测点布置见图4。各建筑物累计沉降值见表3。由表3可看出，3幢房屋隆沉最大的为社区服务中心，最大隆起量为5 mm，最大沉降量为-2.8 mm，在控制目标范围内，建筑物竖向倾斜率均被控制在1‰以内，通过观测3座建筑物均未发现墙面裂缝，建筑物的使用安全未受到影响。

表3 建筑物累计沉降值

5 结语

通过对盾构区间施工过程进行控制，尤其是对停机状态下的土仓压力控制、在盾构机出现“磕头”现象时结合管片姿态的调整对盾构姿态逐步纠偏、及对注浆浆液质量的控制，使得三栋房屋最终沉降量与倾斜值均控制在目标值范围内，保证了沿线建筑物的安全。由此可见，本区间施工设备选型合理、掘进参数控制得当、注浆施工参数设置合理可行，过程控制措施有效。本区间施工各项参数设置与过程控制措施可作为同类地层盾构施工的参考。

［1］ 张凤祥，傅德明，杨国祥，等.盾构隧道施工手册［M］.北京:人民交通出版社，2005.

［2］ 陈馈，洪开荣，吴学松，等.盾构施工技术［M］.北京:人民交通出版社，2009.

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［12］李永敬.地铁施工下穿建筑物沉降控制标准研究［J］.铁道标准设计，2006(2):91-92.

Control Technique of the Construction of Metro's Shield Tunnel Laterally Passing through Buildings

ZHANG Ya-yong1，XUE Xin-zhi2
(1.Suzhou Rail Transit Co.，Ltd.，Suzhou 215003，China;2.Zhengzhou Rail Transit Co.，Ltd.，Zhengzhou 450046，China)

To ensure the safety of the buildings along the metro，the construction of metro's shield tunnel section laterally passing through buildings in short distance are analyzed and controlled in respects of equipment selection，tunneling parameters，synchronous grouting and secondary grouting.The conclusion is drawn that the ground settlement values are in the scope of 0 and-9.8 millimeter，the building's uplift or settlement values are in the scope of+5 millimeter and-2.8 millimeter，and all the values are inside the scope of allowable value.So the safety of buildings along the metro can be ensured.

metro;shield tunnel;passing below the buildings;construction

U231+.3

B

1004-2954(2012)07-0111-05

2011-11-24

张亚勇(1977—)，男，工程师，2001年毕业于焦作工学院工程测量专业，工学学士，E-mail:zyy-kjb@126.com。