盾构下穿建筑物施工控制技术研究

刘明山

（中铁十局集团第一工程有限公司，济南 250001）

目前，土压平衡盾构法隧道施工面临着许多复杂条件下穿越建筑物施工的风险，盾构施工工法虽然在安全、快速、环保等方面具有独特的优势，但盾构施工长距离穿越建筑物，难免由于刀盘对地层的扰动导致地层位移，引起地面建筑物的不均匀沉降及结构失稳等风险。济南轨道交通3号线王舍人站-裴家营站区间穿越建筑物群施工，通过施工措施、施工监测、施工参数控制等一系列手段，顺利完成盾构穿越建筑物施工，未对建筑物造成任何影响。

1 工程概况

王舍人站-裴家营站区间隧道下穿的建筑物群有农行济南东郊支行、苏宁电器大楼、昌隆宿舍楼、济南化肥厂宿舍楼群等建筑物。农业银行济南东郊支行大楼，3层砖混结构，无基础，区间隧道结构与农行济南东郊支行大楼在左XK15+724.349～XK15+772.260里程范围最小垂直距离为13.10m；苏宁电器大楼，4层砖混结构，1987年建造，基础资料遗失，隧道与苏宁电器大楼在左XK15+778.906～XK15+822.090里程范围最小垂直距离为12.72m；昌隆公司宿舍楼为6层框架结构，独立基础，建造时间1999年，无地下室，隧道与昌隆公司宿舍楼在左XK15+900里程附近最小垂直距离为12.55m，化肥厂宿舍楼群为4～6层框架结构，独立基础，个别宿舍含地下一层，建造时间最早在1971—1980年，较久远，无基础，隧道与济南化肥厂宿舍楼群在左XK16+038.069～XK16+161.709里程范围最小垂直距离为13.22m，济南第三人民医院核磁共振室、CT室均为1层砖混结构，浅基础，无地下室，隧道与济南第三人民医院核磁共振室、CT室在右SK16+238.400～右SK16+308.000里程范围内垂直距离约为14.85m。隧道与建筑位置关系详见图1、图2。

王舍人站-裴家营站区间盾构下穿建筑物群段地层分别为粉质粘土10-1层、粉质黏土14-1层、黏土14-2层、卵石14-4、碎石15-1层，隧道主要穿越粉质粘土层。地质剖面图详见图3。

2 工程风险分析[1]

2.1 建筑物结构下沉位移，建筑物结构失稳风险

王裴区间盾构下穿建筑物距离较长，穿越建筑物存在侧穿和下穿两种形式，以化肥厂宿舍为代表的部分建筑物年代久远，基础资料遗失，隧道采用盾构法施工，盾构设备地层埋深较浅，盾构掘进施工中刀盘对地层产生一定扰动，易造成建筑物沉降，建筑物结构失稳风险。

图1 隧道与建筑物平面位置关系

图2 隧道与建筑位置关系立体图

2.2 居民人身财产安全风险

区间下穿和侧穿的建筑物修建年代久远，部分房屋现状残破，地勘资料中部分建筑物无基础，部分建筑物基础资料遗失，大大增加了施工难度。盾构穿越过程中建筑物多为居民楼，穿越过程中地面沉降等因素对居民楼结构产生的影响，间接增加了居民人身财产安全的风险。

2.3 盾构施工掘进风险

盾构下穿建筑物段，部分隧道底部存在闪长岩凸起，影响掘进速度，同时地下水位较高，易发生螺旋机喷涌、盾尾漏水漏浆的风险；隧道上部以粉质黏土为主，上软下硬地层不利于地层沉降控制，易发生盾构开挖掌子面沉降过大风险。

图3 下穿建筑物段地质剖面图

3 盾构施工主要技术措施[2-3]

（1）下穿建筑物前由建设单位牵头、各参建单位参加进行现场踏勘，对建筑物现有情况数据等进行收集，保留原始资料。

（2）联合区政府与各参建单位成立下穿建筑物工作小组，信息化管理，动态施工，能第一时间处理应急情况。

（3）联合轨道交通集团、同济大学、中铁装备研发并在盾构机上安装壁后注浆监测系统，监测同步注浆的饱满程度，第一时间进行补浆。

（4）严格控制土仓压力，上下波动不超0.2bar。

（5）严格控制出土量，每斗土进尺不得低于400mm，总出土量不得大于3斗（54m3）。

（6）每环同步注浆量不得低于6.9m3，严格控制水泥砂浆质量，稠度控制在10～12mm，初凝时间控制在4～6h。

（7）建筑物下隧道管片选用无破损、无裂缝管片，并严格控制拼装质量，如拼装时发生破损影响防水效果，及时进行更换，保证建筑物下隧道不渗不漏。

（8）施工中根据下穿农业银行、苏宁电器的沉降分析，管片脱出盾尾后2d左右建筑物沉降开始增加，及时在管片脱出盾尾5到8环位置进行二次补浆，少量多次，并严格控制注浆压力，地面监测和洞内注浆做好信息联动，避免建筑物隆起及管片开裂。

（9）应急深孔注浆，如二次注浆后建筑物沉降得不到控制，洞内采用花管深孔注浆，控制建筑物沉降，如有需要采用地面袖阀管注浆加固房屋。

4 施工控制[4-5]

4.1 施工参数控制

4.1.1 土仓压力控制

区间左右线下穿建筑物埋深相近，计算左右线各自的土仓压力：

土仓压力选取常用的土力学公式按水土合算计算静止土压力，计算深度选取盾构中心位置。

式中：P—隧道中心水土压力值；P1、P2—分别指水土压力、变动荷载（选取为20kPa）；K0—静止土压力系数；h—在盾构中心上方的各土层厚度（m）；γ—在盾构中心上方的各土层容重（kN/m3）。

区间右线下穿建筑期间土仓压力在1.25±0.1～1.63±0.1bar，下穿施工至化肥厂宿舍2#楼位置时，刀盘扭矩开始有变大的趋向，取渣样发现含有碎石，且含水量增加，为降低扭矩增大对土体的扰动，调整泡沫比例，加大泡沫的注入量，减小刀盘扭矩。区间左线穿越该段建筑物时采取相同措施，保证了掘进施工的连续性。从掘进过程中建筑物的实施数据分析，影响很小。

4.1.2 掘进速度

区间左、右线在下穿建筑物期间，掘进地层全断面粉质黏土速度控制在40～50mm/min，掘进地层为粉质黏土和卵石层时速度控制在30～40mm/min，根据不同的地层及时调整掘进参数，通过渣土改良保证掘进的匀速性，缩短开挖土体对地层的扰动时间。

4.1.3 总推力

区间左、右线在下穿建筑物期间，全断面粉质黏土掘进总推力在1000～1100T，粉质黏土和卵石层掘进随着卵石层逐渐增多总推力在1200～1300 T，通过掘进施工泡沫量调整，避免了卵石在土仓内的堆积，没有出现推力持续增大的情况。

4.1.4 其他掘进参数

穿越建筑物期间为减小对土体的扰动，刀盘转速调整为1.0±0.1rpm，掘进施工对建筑物影响较小。出土量严格控制在54m3以内，未出现超挖对线路的影响。

4.1.6 同步注浆配合比及注浆参数

根据以往经验盾构机注浆管压力本工程暂取2～3bar，待盾构机进场后再根据现场实测数据进行修正。在建筑物下注浆量为理论建筑空隙的200%，本工程理论间隙为1.2π（6.682－6.42）/4＝3.45m3，考虑到下穿建筑物期间区间隧道掘进方向为曲线，适当增大注浆量，严格控制浆液的质量，下穿建筑物段注浆量不低于6.9m3。注浆速度需与掘进速度相结合。建筑物沉降较小，未对建筑物产生影响。同步注浆浆液配比如表1所示。

表1 同步注浆浆液配比

图4 化肥厂4#楼沉降监测变化曲线

4.2 监控测量[6]

根据王裴区间设计蓝图要求区间建筑物沉降控制值为20mm，倾斜控制值0.002L。

盾构下穿建筑物施工期间采取人工测量与全自动监测仪器相结合的方式进行监测，人工监测建筑物监测点共布置130个，全自动监测点布置22个。

下穿建筑物中化肥厂宿舍4#楼较具有代表性，建造年代较久远，无基础，右线穿越完成后建筑物沉降变化速率正常，最大沉降点累计沉降值0.8mm，左线完成穿越施工后建筑物沉降监测数据累计变化量正常速率及均未超设计控制指要求，累计变量最大点JGC14-09累计变量为1.12mm。

5 结语

选择合理的盾构掘进参数，保持连续平稳的掘进施工，对沉降控制有利；盾构同步注浆浆液采用“水泥砂浆”，保证充足的注浆量，能够较好地控制盾构掘进通过后的沉降，对施工沉降的控制起着重要作用。盾构长距离下穿建筑物依靠盾构自身施工工艺及施工控制措施在济南地区粉质黏土及卵石地层中施工可满足施工沉降控制要求。