砂卵石地层盾构下穿浅基民房片区变形控制技术*

龚学权 唐 聪 陶炳权

(1.四川省冶金地质勘查局六〇六大队，401320，成都；2.四川省鑫冶岩土工程有限公司，405200，成都；3.四川省地创建设工程有限公司，404300，成都//第一作者，高级工程师)

近年来，我国相关学者和工程技术人员针对砂卵石地层盾构施工引发地表沉降及其控制技术已有不少针对性研究，并取得了一定的研究成果。文献[1-2]对富水砂卵石地层盾构施工引起的地表沉降原因进行了分析,并提出了针对性的控制技术;文献[3]对砂卵石地层盾构施工引起的地表滞后沉降进行了细观研究，提出砂卵石地层的特殊工程地质性质是滞后沉降形成的根本原因；文献[4]研究了浅覆土大粒径无水砂卵石地层盾构施工技术。但是，关于砂卵石地层中盾构多次下穿浅基民房区的变形控制技术还少有研究报道。本文针对成都地铁7号线2标盾构隧道施工过程中，因盾构多次穿越浅基民房片区可能引发的地面沉降和房屋坍塌问题，进行了针对性研究并提出了相关控制措施。

1 工程概况

成都地铁7号线2标段工程位于环线东北角，为府青路站—八里庄站—二仙桥站—成都理工大学站区间隧道。根据钻探结果显示，施工地层主要为：杂填土(Q4ml)、素填土、黏土(Q3al+pl)、细砂、粉土、泥岩(K2g)等。工程标段区间隧道主要穿越<3-5-2>中砂、<3-6-2>粗砂、<3-8-3>卵石土层。该地区地下水主要为孔隙型潜水、基岩裂隙水(赋存在第四系砂卵石地层中)，无承压水存在。卵石土层结构比较松散，卵石含量高,粒径大小不均匀，局部有孤石，含水丰富，渗透系数大，透水性强，水流交替循环强烈。

根据设计线路及现场调查，盾构施工过程中需多次穿越众多重要建(构)筑物，其中浅基民房达7栋。区间隧道沿线穿越的主要建(构)筑情况统计如表1所示。

表1 区间隧道沿线主要建(构)筑物情况

2 工程特点及难点

盾构施工具有广泛的地层适应性、安全性及快捷性等优点，但因水文地质和施工环境复杂多变，盾构隧道开挖会不可避免地对地层产生扰动，最终对地面建构(筑)物产生影响[5-7]。本工程区间隧道盾构需多次正穿、侧穿众多重要建(构)筑物，复杂的周边环境对盾构推进安全提出了更为严格的要求。在盾构掘进过程中,如何有效地控制地表沉降，防止地面、建(构)筑物坍塌，并对技术措施和管理措施进行总结和调整，已成为盾构施工中需要解决的难点之一。

成都地铁7号线2标段隧道工程沿线穿越砂卵石特殊地层(夹杂有粉细砂层)，地下水丰富、水位高、补给迅速，盾构施工难度大，目前尚无较好的经验可以借鉴，也无相应的标准规范。

鉴于成都地铁7号线2标段八里庄站—二仙桥站区间隧道工程特点，需要解决的难点是通过对盾构施工过程中的土仓压力、刀盘扭矩与转速、地表沉降等关键参数的分析，研究并提出适合成都砂卵石地层盾构安全穿越建(构)筑物的掘进关键技术，以降低盾构穿越建(构)筑物所产生的安全风险,以及对刀盘刀具和螺旋输送机的磨损，防止螺旋输送机出现涌水等问题。

3 盾构下穿建筑物关键技术

3.1 盾构下穿建筑物加固技术

3.1.1 难点分析

由于成都砂卵石地层卵石含量大、强度高，且地下水渗透系数大、流动性强，不适用搅拌桩和旋喷桩进行加固，故多采用袖阀管注水泥浆加固[8-10]。本文以八里庄站—二仙桥站区间高富水砂卵石地层盾构下穿二仙桥西路5号浅基础旧居民房为对象进行分析。旧民房与盾构隧道平面和立面关系如图1所示。

a)平面关系示意图

b)立面关系示意图图1 旧民房与盾构隧道的相对位置关系

图1中的7层砖混结构建筑物位于二仙桥西路5号，建成于1995年，长41.5 m，宽21.0 m，建筑面积3 064.46 m2,建筑物基础结构形式为独立柱基。成都地铁7号线盾构隧道下穿该建筑物。现场检查过程中发现，该房屋上部主体结构存在一定缺陷，详细情况如表2所示。

3.1.2 加固措施

盾构下穿浅基民房片区过程中，为了防止房屋产生不均匀沉降及倾斜，经研究决定采用隧洞内加固为主、隧洞外加固为辅的技术措施。

表2 现场建筑结构缺陷情况

3.1.2.1 洞外注浆

在盾构通过建筑物前，应与相关产权单位做好充分沟通。进场后，先进行现场管线调查，再进行注浆孔位测量放线，进而确定基础位置及打孔角度和深度。从房屋基础侧斜向注浆，注浆影响范围覆盖二仙桥石油社区大楼基础。斜向注浆具体参数要求如下： ①第1排注浆管距房屋边线50 cm，与竖向夹角为17.5°，钻孔深度为7.3 m，基础底部4 m范围均进行加固； ②第2排注浆管距房屋边线100 cm，与竖向夹角24.0°，钻孔深度为7.3 m，基础底部4 m范围均进行加固。对于不能采用地面注浆加固的部位，则采用隧道内多孔注浆、加强型管片加强注浆等方式进行加固。地面加固平面范围如图2所示。

图2 地面加固平面范围图

袖阀管深孔注浆注意事项：首次注浆范围为基础底部以下4 m，袖阀管水平间距d=1.5～2.0 m布置，遇到地下管线干扰时可适当加大。沿建筑物两侧布置两排，排间距D=0.5 m，袖阀注浆管与水平面倾角按建筑物基础与隧道间关系灵活布设，向建筑物斜下方打设。浆液的水灰比1∶1，注浆压力0.3～0.5 MPa，注浆速度30～40 L/min，注浆次数2～3次,反复注浆，采用少量多次的注浆方式进行注浆加固。注浆结束后清洗管路，保留注浆口，留待盾构通过时再次注浆。本次盾构穿越二仙桥石油社区共成功打设148个孔，基础加固注浆共506 t，给盾构安全顺利下穿二仙桥石油社区提供了有效的保障措施。

3.1.2.2 隧道洞内注浆

盾构在富水砂卵石地层中下穿浅基民房的洞内注浆包括盾构掘进时的同步注浆及盾构穿越后的二次深孔注浆[11-12]。

(1)同步注浆： ①最佳注浆压力为320～420 kPa，实际盾构注浆压力约为0.3～0.4 MPa；②富水砂卵石地层中,注浆量一般每环为6～8 m3； ③采用“纳米改性塑性转向剂”优化同步注浆浆液。根据本工程盾构隧道砂卵石地层特点，对同步注浆浆液性能进行改良优化，在现场实际施工中达到了很好的应用效果。注浆液的主要配比参数如表3所示，配比稠度为(12±1)%，初凝时间为6～8 h。优化后的同步注浆浆液性能得到较大提升，主要体现为：高密度、充填性良好；体积收缩率低；浆液不分层、不离析；良好的固性，不易流失；良好的流动性。

表3 优化后盾构推进同步注浆材料及配比

(2)二次深孔注浆需要从以下3个方面进行控制： ①注浆管加工采用φ32 mm×3.5 mm的钢花管，长度不小于2.0 m(其长度根据实际情况而定)，钢花管设φ4 mm泄浆孔，孔间距10～15 cm,呈梅花形布置的溢浆孔； ②钻孔采用隧道顶部开直孔，开孔位置避开封顶块和拼接缝，在邻接块吊装孔位置每环管片开一个孔，两孔之间距离不得小于3 m，孔内插入φ32 mm的钢花管； ③钢花管与二次注浆设备连接，采用双液浆进行注浆，隧道内采用二次深孔注浆,对隧道上方房屋一定范围内的地层进行压密注浆加固。

3.2 盾构掘进参数控制

3.2.1 掘进参数取值

3.2.1.1 土压力参数

通过前期100 m试掘进，在确保地面建筑物安全的条件下，适当调高土仓压力，最后确定下穿建(构)筑物过程中的土仓压力参考值为： ①盾构始发段100 m(隧道埋深约10.0～11.5 m，卵石土层)，参考土仓压力值为0.08～0.10 MPa；②二仙桥石油社区(隧道埋深约11.5～13.0 m，卵石土层)，参考土仓压力值为0.10～0.11 MPa。

3.2.1.2 刀盘转速、推进速度及推力

保持盾构土仓压力相对平衡情况下进行盾构掘进参数的选取与动态调整。为减小盾构下穿期间的房屋变形，建立了试掘进参数数据库，并对参数进行统计分析和优化。盾构下穿二仙桥石油社区时采用的试掘进参数设置如下：盾构掘进速度40 mm/min左右，盾构总推力控制在16 000～18 000 kN，刀盘转速控制在1.2～1.3 r/min，扭矩控制在4 000 kN·m以下。

3.2.1.3 同步注浆和二次注浆

同步注浆与二次注浆是减少与防止因隧道掘进而引起地表沉降的关键措施。

(1)同步注浆。砂卵石由于地下水丰富，存在流动性,管片拱顶浆液难以填充密实，且注浆管道极易造成浆液堵塞现象。为确保管片注浆的饱满，在进行盾构掘进设计时，对盾构同步注浆系统在原成都地铁盾构注浆管路的基础上进行优化。优化前后对比情况如图3所示。由于浆液是从盾尾4个注浆孔注入地层，因此上部注浆孔压力比下部约小0.05 MPa。根据地质及隧道埋深情况确定的同步注浆压力为0.3～0.4 MPa，每环同步注浆量为6～8 m3。为确保安全，盾构穿越二仙桥石油社区建筑物基础时实际注浆量均大于6 m3，对于注浆压力未达到设定值的区段，进行二次补充注浆。

(2)二次注浆。二次注浆在盾构脱出4～6环后即开始实施，对房屋基础下部隧顶120°范围内的土体进行注浆加固。

3.2.2 实际掘进参数控制

以八里庄站—二仙桥站区间隧道右线掘进100 m为研究对象，对盾构施工的各项主要技术参数进行统计与分析，为富水砂卵石层盾构施工提供参考依据。

a)优化前(4孔注浆4孔备用)

b)优化后(4孔注浆6孔备用)图3 优化前后盾构同步注浆管布置图

(1)土压力参数选择与控制：盾构下穿浅基础旧民房区时,盾构司机手动进行土压控制，使土仓压力保持在1.0～1.1 MPa。

(2)推进速度、推力及刀盘等参数控制：盾构下穿浅基础旧民房区时,保持均速通过，掘进速度40 mm/min，刀盘转速1.2～1.3 r/min。穿越过程中需减少刀盘左右旋转调整次数，且刀盘扭矩需控制在4 000 kN·m以下，总推力控制在16 000～18 000 kN。

(3)出土量控制：盾构下穿浅基础旧民房区时,采用出土量和出土质量双控措施，把出土量始终控制在56 m3，出土质量控制在101 t，以确保地层稳定。

(4)管片加强：根据设计要求，盾构下穿浅基础旧民房区时，采用增设注浆孔的加强型管片。在提高隧道衬砌承载力的同时，便于隧道内进行加密二次注浆。

(5)同步注浆和二次注浆：同步注浆浆液采用改良后的浆液，该注浆浆液在现场实际施工中体现出很好的效果，可确保地层稳定。在管片顶部120°范围内进行加密注浆，双液浆凝结时间控制在60 s左右，对管片外围进行封堵，确保注浆效果。

3.3 砂卵石层中滞后沉降控制

根据成都地区以往工程实例，由于砂卵石具有黏聚力小、摩擦角大的特点，在盾构穿越后易形成拱效应，因此在盾构穿越后需及时进行二次补偿注浆。本工程所有危险源均处于隧道穿越全断面或上半断面卵石层后，所以为有效防止后期沉降，需尽快使扰动的土体固结。除二次注浆外，还需在隧道内通过管片吊装孔及增设注浆孔进行二次深孔注浆。注浆区域位于隧道穿越建(构)筑物前后3个环范围内。二次深孔注浆采用φ32 mm×3.5 mm的钢花管，打入隧道壁的长度不小于2 m(可根据实际情况而定)。

对增设注浆孔的加强型管片进行加密注浆，尤其是盾尾后4环处应及时进行二次注浆，浆液配比为：水∶水泥∶水玻璃=1∶1∶0.3，试验凝结速度为60 s，注浆压力为0.3～0.5 MPa。

3.4 分阶段封闭成环技术

盾构推进至浅基民房时，在加大同步注浆的同时需对盾尾进行分阶段二次注浆封闭。

(1)盾构穿越前的掘进通道封闭。在盾构刀盘即将下穿老旧居民区时，扣除盾构身长度(9 m)，在盾尾后20环采用单液浆先进行全环封闭，水泥浆液水灰比为1∶1，注入量为每环2～3 m3，隔3环注1环，以确保盾构掘进段后浆液损失的补充。

(2)盾构穿越期间保持土层稳定。对加强型管片进行加密注浆(参数同上)，注入量为每环2 m3，隔1～2环注1环。双液浆具有凝结快的特点，可及时稳定盾尾管片，确保地层稳定。

(3)补充注浆。在盾尾通过后15环及居民楼基础范围内，在台车上用单液浆再进行二次补充注浆，水泥浆液水灰比为1∶1，注入量为每环2～3 m3，隔3环注1环，以确保居民楼基础下方浆液饱满。

工程实践证明，通过采用分阶段注浆措施，可有效控制地表沉降，确保了地面建(构)筑物的安全。

3.5 建筑物变形监控量测

(1) 建筑物的安全控制标准。根据设计及规范要求，二仙桥石油社区建筑物独立柱基础的沉降控制值要求在15 mm范围内。

(2) 现场监测结果分析。盾构隧道右线在下穿二仙桥石油社区建筑物基础前，在建筑物上布设相应的监测点位，其对应盾构隧道管片环号为70～120环。

对建筑物沉降监测点在盾构穿越前后的沉降数据进行统计分析，沉降时态曲线如图4所示。

a)监测点JZ6-31—JZ6-42沉降曲线

b)监测点JZ7-43—JZ7-54沉降曲线图4 建筑物沉降时态曲线

由图4可以看出：采取相应控制措施后，盾构穿越对旧居民房沉降影响很小，其中监测点JZ7-54沉降值最大(-2.2 mm)，盾构穿越后基本稳定在2 mm左右，均在控制目标范围内。

4 结语

由成都地铁7号线2标段盾构施工实际情况可知，通过采取相应的工程技术措施可有效减小盾构施工对浅基建筑物的影响。针对今后类似盾构隧道工程，提出以下建议。

(1)对掘进后期可能存在的地下空洞应及时开展探索、预防和补偿注浆措施研究。施工中应加强掘进出土的监测和信息化施工管理，及时根据监测数据探查因出土量和土压不同带来的地下空洞，并根据探查结果采取适当的补偿措施。

(2)同一平面上，沉降监测点设置在建筑物上比设置在地面上效果要好很多，不仅能反映现场监测数据的真实性，而且有利于对建筑物的沉降作进一步的分析。

(3)对建筑物的变形量数据应进行汇总和统计分析，以便准确掌握盾构穿越前后建筑物的变形情况，为后续施工提供参考依据。