岩溶地层盾构机穿越建筑物施工措施研究

郑大闰　李君立

摘要：盾构工法目前已广泛应用于各国城市地铁的建设中。文章通过总结岩溶地层盾构机穿越建筑物的各项施工措施，得出适用于该地层中一套有效的施工措施，为同类工程的施工提供了参考。

关键词：岩溶地层；盾构机；穿越建筑物；盾构工法；施工措施 文献标识码：A

中图分类号：U445 文章编号：1009-2374（2015）31-0120-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.31.060

1 概述

盾构工法目前已广泛应用于各国城市地铁的建设中。随着社会的进步和法律的完善，建设过程中征拆的难度越来越大，代价也越来越高。现代城市中建筑物密集，地铁施工中盾构机穿越建筑物的情况频繁，一旦控制不当，极有可能造成建筑物沉降开裂变形，影响结构安全和正常使用，甚至会引起建筑物坍塌造成人员伤亡，因此盾构机穿越建筑物是盾构施工项目中的重大风险，需严格控制各项施工技术措施。广州地铁九号线主要位于花都区，区内水文地质条件复杂。地质情况的复杂多变给盾构法地铁施工带来巨大的难度和不确定性。而花都区又地处岩溶发育地段，由于溶蚀作用造成岩面起伏变化大，岩土层交界面附近发育土洞，岩层表层和上部溶沟、溶槽、溶隙及溶洞等发育强烈，岩溶及土洞发育呈无序状态，其形态特征、规模和分布范围难以确定。盾构机在岩溶地层掘进可能造成盾构机坍落、刀具磨损、刀盘崩裂等事故。如何在保证盾构施工质量安全的同时，确保地面建筑物的安全，给盾构法施工提出了新的挑战。本文以成功完成的盾构机穿越秀全中学宿舍楼和新华镇教办集资教师楼的实例，研究分析岩溶地层盾构机穿越建筑物的各项技术措施。

2 工程概况

2.1 房屋基础及地质情况

广州地铁九号线某标段位于花都区繁华中心，采用泥水盾构法施工，盾构隧道需穿越多栋房屋。其中一区间隧道主要穿越秀全中学宿舍楼、新华镇教办集资教师楼风险较大，如图1所示。

秀全中学宿舍楼为1988年建造的8层框架结构，条形基础。下方的地质情况依次为：<1>人工填土层，<4N-3>冲积-洪积硬塑粉质黏土层，<5C-1B>可塑状炭质泥岩、灰岩、炭质灰岩残积土层，<9C-2>微风化灰岩。建筑物下方隧道穿越地层主要为<9C-2>微风化灰岩层。

新华镇教办集资教师楼为1991年建，框架7层，独立基础，地质为：<1>人工填土层，<4N-2>可塑粉质黏土，<5C-1B>可塑状炭质泥岩残积土，<8C-2>中风化炭质灰岩，<9C-2>微风化炭质灰岩。隧道埋深约17.3m（隧道中心线），左线隧道洞身掘进范围均为微风化灰岩<9C-2>，右线隧道洞身掘进范围为微风化灰岩<9C-2>及中风化灰岩<8C-2>。

工程勘察及岩溶处理阶段均在这两栋房屋下方发现溶洞。

2.2 水文情况

根据区间水文地质资料及地下水赋存条件，盾构穿越这两栋房屋区域地下水主要为孔隙水和岩溶（土洞）水。其中孔隙水主要赋存于冲积-洪积砂层，渗透系数为5～15m/d。岩溶（土洞）水部分与砂层中的地下水呈互补给状态，地下水水量很大，一般具有承压性，但灰岩的透水性、富水性均较弱。

3 盾构穿越房屋施工措施

3.1 溶洞处理措施

岩溶地层中掘进最主要的影响因素是溶（土）洞的存在，虽然通过地面钻探和CT扫描能够大致确定溶（土）洞的位置及形态，但对于溶（土）洞的具体边界很难精确探明。而较大溶（土）洞如未经处理或者处理过程中未填充密实，则盾构机通过时极有可能整体下陷，且因为部分溶洞富含水且与外界相连通，还可能因为击穿溶洞而导致大量承压水涌入盾构机，导致地面沉降、上方建筑物损坏，产生灾难性的后果。因此对于溶（土）洞的处理及应对措施是盾构施工能否取得成功的前提。溶（土）洞形态各异，与盾构隧道的空间关系也不尽相同，因此对盾构施工的影响也不同，如何对溶（土）洞进行处理、处理范围如何界定、处理效果是否满足盾构施工的要求等问题均是泥水盾构在岩溶地层中施工安全首先要解决的问题。

3.1.1 处理原则。根据工程类比和施工经验，确定以下溶（土）洞处理原则：（1）隧道洞身范围的土洞，不需处理；（2）全填充溶（土）洞内充填物的标贯大于5，不需处理；（3）需处理的溶（土）洞，应在隧道平面轮廓线外3m范围以内；（4）位于隧道上方或隧底下方10m范围或10m范围外但上部无不透水层的土洞需处理；（5）位于隧道顶以上或隧底以下5m范围内或隧底以下5～10m范围内但上部为砂层的溶洞需处理；（6）盾构管片安装时，隧道底部要预留好隧底加固注浆管，以便在盾构施工完后处理新发现的溶（土）洞。

3.1.2 处理措施。

第一，注浆参数。处理范围的外排注浆孔注双液浆，双液浆质量配比为水∶水泥∶水玻璃=（0.8～1）∶1∶（0.08～0.20），水玻璃波美度为38～43Be′，模数为2.4～3.0；内侧注浆孔注普通水泥浆，浆液水灰比为0.8∶1～1∶1，施工中根据现场试验确定；注浆压力控制在0.4～1.0MPa，注浆速度30～70L/min。水泥浆拌制采用42.5级普通硅酸盐水泥。

第二，施工步骤。

第一步：钻机成孔。采用XY-150地质钻机成孔，成孔直径为91mm，如钻进过程出现孔壁坍塌，则采用泥浆循环护壁成孔。

对于钻探发现的溶（土）洞，按照2m×2m方格状布置钻孔查找洞体边界，查找范围至溶（土）洞边界，如图2所示，由已揭露溶洞的钻孔向周围扩散布孔探查，钻孔的顺序为按列为①→②→③……，每列的钻孔顺序为由内至外，如图域2中箭头所示。在查找洞体边界时，若外围钻孔未发现溶、土洞，则暂时不处理，采用回填处理。在钻孔过程中揭露的溶、土洞要做好记录，以供注浆作业参考。

第二步，下注浆管。根据详勘、超前钻及洞体边界探查取得的洞体数据，在溶、土洞顶板以上的部位用实管，在溶、土洞范围内使用花管，注浆管底部加下闷盖。溶洞注浆管下至溶洞底。endprint

将实、花管根据要求连接后，在管内注满清水检查密封性能。立即将注浆管沿钻孔下至设计标高，上端露出地面40cm左右，并加盖上闷盖。为保证顺利下管，管中要注满清水，以重力抵消套壳料的浮力。下管后在孔壁间隙靠近地面1～2m范围内充填水泥砂浆加固。

第三步：注浆浆液配制。根据溶洞面积及高度估算预配制浆液的体积，按水灰比计算出所需的水泥和水的用量，在搅拌机内加入计算好的用水量，边搅拌边加入计算好的水泥用量，搅拌均匀后倒入储浆池内备用。

第四步：注浆。开注前先进行注水试验，以检查注浆管路是否正常和判断地层的吸浆能力等，并防止堵管；灌浆量按拌浆桶桶数进行计量。

对于注浆压力的控制应注意以下情况：（1）外围孔采用双液浆注浆时，初期采用小压力注浆慢速注浆，并采用间歇往复注浆，以有效控制浆液流失；（2）内排孔主要以压力控制终孔，灌至注浆压力后稳压10min为止。若孔内注浆量已达到设计值但注浆压力仍无明显上升时，停注单液浆，改注水泥浆+水玻璃双液浆。

注浆施工的操作方法为：（1）注浆方式采取后退式分段注浆工艺，即在注浆带内由孔底自下而上进行注浆，每次注浆段长0.5m，注完第一段浆段后，上提注浆芯管，进行第二注浆段注浆施工；（2）在芯管拔出长度大于一节管长时，停注拆取该节芯管及接头，将接头接在未拔出的芯管上继续注浆，依此进行直至完成注浆；（3）注浆过程中如需暂停注浆时，必须先将水泥浆管拿出放入清水桶中，并同时将注浆芯管提升0.4m，向孔内注清水后再停止注浆，这样既保持管路畅通，又保证注浆不受注水影响；（4）对于双液注浆，需暂停注浆时或每次注浆完成前，改用单液浆注浆1min，提出注浆芯管后，用钢管插入注浆管底部用清水由下至上冲洗注浆管，单液浆则直接停注后进行冲洗，并在管顶盖上闷盖；（5）为保证注浆效果，一般采用重复注浆方法。两次注浆时间间隔为6～10h，注浆3次，满足终孔压力时停止注浆，并用水泥砂浆封孔；（6）注浆过程中填好注浆工作记录表，注浆孔的注浆工作情况及注浆工序作业时间。注浆过程中随时分析和改进注浆作业，并且认真记录实际孔位、孔深、孔内地下物、涌水等，当与地质报告不符时，应采取措施进行修正。

3.1.3 盾构机超前钻探、加固。对于泥水盾构在岩溶地层中的施工来说，受制于地面场地条件，导致部分隧道区域内的溶（土）洞无法探明或者无法加固，此时可在盾构机前体设置超前钻探和加固系统，以保证盾构在掘进过程中，通过超前探测、超前加固及时处理隧道下部的溶（土）洞。

3.2 增设试验段

为了使盾构能安全顺利下穿这两栋建筑物，对下穿前30环范围采用新的技术参数进行试验掘进（选30环范围作为试验段主要受工程条件限制，若非如此，应选择100环范围作为试验段）。

在试验段掘进期间，对盾构施工的各个工艺流程进行24小时不间断监控，实时记录各项数据和异常情况。通过对试验段掘进参数的统计分析，为下穿这两栋建筑物提供了可靠的施工技术参数和措施，主要包括盾构总推力、扭矩、切口水压、刀盘转速、掘进速度、注浆量和地面沉降监测数据。

隧道洞身主要穿越灰岩地层，施工过程中为保护刀具，保证盾构刀盘的切削能力，盾构施工应坚持“多开仓、勤开仓检查刀具”的原则。为全面准确掌握开挖面情况和确保盾构机处于最佳状态，在每一次穿越房屋之前，都开仓检查刀具及进行必要的更换，并尽可能彻底地清理土仓内残留的大块岩石，为盾构逆循环掘进提供条件，逆循环掘进更有利于维持切口压力平稳，同时在开仓的过程中对设备进行保养，确保设备处于良好

状态。

3.3 盾构下穿建筑物的控制措施

3.3.1 盾构施工措施。在盾构下穿建筑物时，除了根据试验段得出的各项施工参数结合实际进行设置外，还采取了以下专项措施：（1）在岩溶地层中岩层破碎，大块的石头造成环流堵塞十分严重，每日频繁拆管，施工效率低下，针对于此，采用盾构掘进过程中需要正、逆循环交替进行，防止大块岩石堵塞排泥口引起切口压力突变，影响地面建（构）筑物安全；（2）严格控制盾构掘进时的切口压力波动，防止因切口水压突变造成对地下土体的扰动，减小对地面建（构）筑物造成的影响；（3）尽量控制盾构机以均匀的速度掘进，在推力、扭矩各项数据正常情况下，控制盾构掘进速度为10mm/min左右；（4）保证注浆质量，盾构机掘进时同步进行壁后注浆以填充管片与地下土体间的间隙。同时通过二次注浆提高注浆效果，同步注浆以140%空隙率控制，每环注入量约5.6m3，二次注浆按照“量、压双控”原则，正常情况下注入量不超过1.5m3，注浆压力控制在0.5MPa以下；（5）每5环施作一道止浆环，把管片注浆孔全部打开，注入双液浆；（6）加强岩样管理，每环收集岩样进行分析，判断地质条件，及时调整施工参数；（7）加强泥浆管理，适当增大泥浆黏度，并保证足量的后备泥浆储存量，以应对突发的岩溶空洞导致浆液流失；（8）做好单液浆离析率试验，根据浆液离析损失量及时进行二次注浆；（9）掘进过程中做好盾尾密封管理工作，严防因盾尾漏浆过大造成地下水压力瞬间失衡。掘进过程中根据每环掘进进度，在盾尾密封舱注入油脂，每环盾尾油脂注入量为50kg左右；（10）合理安排掘进与洗仓时间，掘进过程中若刀盘扭矩持续增大，可判断土仓内可能残留大量渣土，应及时将残留渣土洗出再进行掘进，避免土仓内残留渣土过多，容易对刀盘造成破坏；（11）在保证质量的前提下，提高管片拼装速度，减少盾构机停机时间，使盾构机以尽快的速度通过建筑物下方。

3.3.2 监测措施。（1）对这两栋建筑物增加裂缝监测项目，选取结构柱、伸缩缝等布设监测点；（2）增加震速监测项目。获取震速对房屋沉降的影响，以信息化反馈指导施工；（3）过房屋阶段，地面监测点的横断面布设，由图纸要求的50m一个断面改为10m一个。地面监测点根据现场实际条件，尽量加密布置；（4）施工监测和第三方监测均为每4小时一次，二者错开时间进行监测，保证每2小时获取一组监测数据，实时反馈至中控室用于指导盾构操作；（5）安排专职人员现场24小时值班，保证及时掌握现场地面及房屋、监测等情况，发现异常，及时汇报项目经理部。

3.4 盾构通过建筑物后的控制措施

在盾构掘进通过建筑物后，继续对该建筑物进行监测，可根据监测数据的变化幅度适当调整监测频率。同时，房屋和地面的巡视工作在监测数据未稳定之前不能间断，一旦发现异常，及时进行二次补浆或多次补浆，对于情况严重的情况，可采取地面注浆加固。

4 结语

在盾构机穿越房屋期间，项目部落实了各项技术和管理措施，确保了盾构机安全顺利地通过了这两栋房屋，盾构穿越过程对房屋几乎无影响。通过总结施工过程的经验，结合相关的理论，得出以下结论：（1）岩溶地层溶洞处理的范围关系到工程施工质量和投资，本工程实例的溶洞处理原则既保证了工程施工质量，又控制了投资。盾构管片安装时，隧道底部要预留好隧底加固注浆管，以便在盾构施工完后处理新发现的溶（土）洞。在盾构机前体设置超前钻探和加固系统，以保证盾构在掘进过程中，通过超前探测、超前加固及时处理隧道下部的溶（土）洞；（2）通过试验段获取的施工参数对盾构机穿越房屋的指导意义明显，需做好试验段的数据收集和分析；（3）盾构机穿越房屋施工的关键是采取多项措施控制地面和建筑物的沉降，采用全面的信息化施工手段可以取得较好的效果。

参考文献

[1] 董生才.盾构机穿越建筑物技术措施探讨[J].北方交通，2009，（8）.

作者简介：郑大闰（1984-），男，湖北咸安人，供职于广东华隧建设股份有限公司，研究方向：市政工程施工管理。

（责任编辑：黄银芳）endprint