盾构富水砂层中穿越低矮建筑群施工技术研究

摘要：针对南昌轨道交通2号线一期工程七标盾构隧道工程施工过程中，因穿越老旧低矮建筑群而可能出现的地面沉降和房屋坍塌问题，就富水砂层盾构下穿建筑物风险进行分析，并基于盾构前期掘进过程中的掘进参数、地表沉降等的统计情况，从盾构下穿建筑物期间的掘进参数控制、通过后控制措施等方面进行分析，提出针对性的控制措施。对盾构通过前后建构筑物沉降监测分析可知：地表沉降累计值最大为13.1mm，实现地面累计沉降值小于20mm的目标，盾构施工过程中未对原有房屋结构质量产生明显影响。

Abstract： In the construction process of the seven-standard shield tunnel of the first phase of Nanchang Rail Transit Line 2， the groundwater subsidence and house collapse caused by the passage of the old low-rise buildings will be under the shield of the rich sand layer. The risk analysis of the building is carried out， and based on the statistics of the excavation parameters and surface settlement during the tunneling process， the excavation parameter control and the post-control measures during the tunneling of the shield are analyzed. Control measures. According to the monitoring analysis of the shield construction through the front and rear structures， the cumulative value of surface settlement is 13.1mm， and the target of the ground settlement is less than 20mm. The construction of the shield does not have a significant impact on the structural quality of the original building.

关键词：盾构;富水砂层;低矮建筑群;沉降控制;施工技术

Key words： shield;water-rich sand layer;low-rise buildings;settlement control;construction technology

中图分类号：U445.4                                      文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）18-0222-03

0  引言

目前国内各地地铁建设中，盾构穿越建筑物的掘进技术依旧是研究重点，加之近年来北京地铁、上海地铁、广州地铁、杭州地铁在地铁施工中频发安全事故，直接威胁到人民生命财产安全，给居民的生命财产造成很大危害的同时，也给地铁施工带来巨大困扰和经济损失，更给南昌地铁2号线施工敲响了警钟。对于南昌地铁2号线，区间隧道穿越城市老式民房区，沿线分布多达几十处居民楼、办公楼、沿街店铺，从砖砌结构低矮建筑群到高层现浇框架结构大楼均有涉及，对环境的控制要求更为严格。隧道开挖范围主要为砂砾层及风化岩层，层厚较大，富水性好，透水性强，软弱不均，受到扰动后对土体的变形较为敏感，易导致崩塌、突涌、地面沉降过大等问题。因此，在富水砂层中如何安全顺利穿越建构筑物是本工程面临的最大挑战，也是制约本工程进度的最大因素。

1  工程概况

南昌轨道交通2号线一期工程七标顺～辛区间左线盾构在里程约ZDK41+883.052～ZDK41+899.852（第46～第60环）总长约16.8m，侧穿1层砖结构低矮民房;右线盾构在里程约YDK41+883.052～YDK42+015.698（第46～第156环）总长约132.646m下穿1～3层砖结构房屋共12栋，采用条形基础，占地面積974.8m2。1层砖结构房屋基础底高程约19.2m，隧道外轮廓距离基础底面的最小净距为10.519m;2～3层房屋主体结构型式为砖混结构，采用条形基础，基础底高程约17.2～18.6m，隧道外轮廓距离基础底面的最小净距为8.518m。顺～辛区间双线与低矮建筑群的平面及空间关系位置如图1、图2所示。

1.1 地质情况

顺～辛区间隧道在该区域埋深约11.47m，地层自上而下分别为1-2素填土，层厚约为2.5m、3-1粉质粘土，层厚约为4.5m、3-3细砂，层厚约为5.3m、3-6砾砂，层厚约为4.5m、最下层为5-1-1强风化泥质粉砂岩和5-1-2中风化泥质粉砂岩，隧道开挖范围为3-3细砂，地下水埋深8m。

1.2 地下管线情况

低矮建筑群北侧道路上分布有供电、供水等不同钟类管线，均在区间左线隧道上方穿过。其中，东西走向穿过的管线有3条，1条为10kV强电管线（盾构施工专线），管线埋设深度约为0.9m，距房屋最近距离约3m;1条弱电管线（内含军用电缆），管线埋设深度约为1.02m，距房屋最近距离约5m;1条110kV高压埋地线（2档共6根电缆），管线埋设深度约为0.8～0.9m，2档线分别临近房屋约9.6m和11.8m;南北走向穿越的管线1条，为DN200自来水管道（铸铁），管线埋设深度约0.35m;详见图3所示。

2  风险分析

对顺～辛区间施工阶段的邻近建筑物风险进行评估，通过评估数值分析得出：盾构区间施工引起低矮建筑物群地表最大竖向位移为-42.7mm（下沉），大于地表沉降控制值-30mm。砖一（#32降）地表沉降 40.5mm，房屋倾斜值2.09mm/m;砖三地表沉降42.7mm，房屋倾斜值3.49mm/m。综合考虑地层情况、建筑物重要等级等方面因素以及盾构通过前后沉降变形规律，运用模糊综合评价法和 R=P×C 法分析得知，隧道下穿建筑群的风险等级为极高。又通过对顺-辛区间周边低矮建筑物群进行观感性鉴定，该建筑物群经鉴定评定为C级，建议拆除。根据低矮建筑群风险评估结果，在盾構隧道施工前、过程中级施工后对该建筑群引起重视，为确保盾构隧道施工及地表建构筑物的安全，地铁施工之前必须先充分对建筑物进行预加固处理，对地表及建筑物的变形进行实时监测，且增加建筑物变形监测的次数。

3  建筑物保护及技术措施

根据专家意见，盾构在穿越该区域施工期间应采取人员撤离，建筑物围挡保护，必要时采取加固、修复、拆除等措施。盾构施工时加强监测，低矮民房三级预警指标分别为：沉降预警值12mm，沉降报警值14mm，沉降控制值16mm;整体倾斜率报警值2.5‰，整体倾斜率控制值4‰，建筑物角变化不大于2‰。盾构完成穿越后由具有资质的相关单位对建筑物进行评估，并根据评估情况采取相应措施（加固、修复或拆除等），建筑物确保安全后方可回迁居民。

3.1 技术方案

盾构能否顺利穿越建构筑物的关键因素在于地面沉降控制，因现场无进行房屋加固的条件，因此，本次穿越房屋沉降控制主要以地下措施为主，即能否有效控制掘进过程中的地面沉降取决于盾构掘进参数的选择是否合适。通过左右线参数对比，前期试掘进参数总结，制定盾构穿越建构筑物专项施工方案，为每处建构筑物量身定制掘进参数，最大限度控制地面沉降。

3.2 掘进参数确定

①左线始发试掘进参数设定。

通过左线始发40环试掘进阶段总结，结合盾构区间施工经验，在掘进过程中土仓压力设定为3/4仓左右，并根据地表沉降数据及时调整土仓压力设定值，在管片拼装过程中采取停机保压措施，上土压控制在0.8bar左右。

②左线百环验收参数总结。

通过对盾构机参数的调取，得到左线盾构掘进参数统计：推力1500～2200T;掘进速度30～50mm/min;刀盘转速1.4～1.6rpm;刀盘扭矩3.0～4.0Mnm;土仓压力0.9～1.1bar。

洪辛区间左线百环地表沉降通过累计沉降数据显示，左线沉降量累计最大为-19.1mm，均在设计及规范值之内，地面无变形情况，满足盾构施工要求，如图4所示。

由此证明，左线盾构掘进参数对穿越低矮建筑群施工有指导意义，可用于右线盾构机穿越低矮建筑群施工。

③右线穿越低矮建筑群掘进参数设定。

通过左线百环掘进参数总结以及右线始发试掘进阶段参数调整，得出右线穿越低矮建筑群掘进参数设定表见表1。

3.3 右线穿越低矮建筑群掘进控制

①盾构姿态控制。盾构掘进至临近建筑物10m时，重新校对盾构姿态、地下导线控制点、导向系统数据，严密复测，确保盾构机沿隧道设计轴线方向掘进，减少超挖，避免不必要的纠偏作业。发生姿态偏差时，应本着“勤纠、少纠、适度”的原则操作，尽可能降低对地层的扰动，减少地面及建构筑物的沉降变形。

②土压平衡模式掘进。

1）上土仓压力确定。根据左线百环掘进参数和右线始发段掘进参数统计，得出盾构士仓土压值设定，以土压计至地面水柱高度+0.01bar设定。因此右线穿越低矮建筑群时的上土仓压力设定在08～1.0bar左右。

2）出渣量控制。土压平衡模式掘进过程实质上是对土体的扰动及再平衡过程，是依靠土仓建立的主动土压力平衡掌子面的被动土压力来实现的。在盾构下穿掘进施工中应对土仓内压力的变化时时关注，必须把控好盾构掘进速度和出土量关系，使土仓进出土量保持在一种动态平衡状态。土仓压力的波动越小，对土体的扰动越小，地层就越稳定，对地表建构筑物造成的影响就越小。当土仓内压力出现波动，压力不平衡时，应及时调整出土量、出土速度或泡沫发泡率，保持切削进入土仓土量与排出土量间的动态平衡。

本次盾构隧道的开挖断面为30.974m2，单环管片长度为1.2m，每掘进一环的理论出土量为37.2m3。砂层中掘进出土松散系数为1.3～1.5，本区域取值为1.3，即每环实际出土量应控制在48m3左右。

③推力、刀盘转速及掘进速度控制。盾构掘进过程中推力过大会造成前方土体受挤压加大，土体受扰动加大;推力过小会造成盾构机速度下降，引起土压波动加大，同样会造成土体扰动加大。为最大程度的降低盾构施工对地层的扰动，应根据实际情况调整推力、刀盘转速、推进速度等盾构掘进参数;在盾构下穿前的2～5环，应减小掘进速度，降低刀具贯入度，控制出土量并时刻监测土仓压力值，避免压力控制不当造成地层沉降或隆起;到达前1环时再进一步调整盾构掘进推力;下穿时，掘进推力控制在1800t左右，刀盘转速控制在1.5r/min左右，掘进速度控制在40mm/min左右;过程中实时关注各类盾构掘进参数，确保盾构快速平稳通过。

④同步注浆。盾构管片与隧道洞体间存在空隙，如不及时充填，地层应力释放后后长生变形，从而导致地面及地表建构筑物发生沉降变形甚至破坏。为此，在盾构掘进拼装完每环管片的同时，及时进行同步注浆及二次注浆，保证在空隙出现的同时对空隙进行注浆充填，降低隧道周边土层、地表建构筑物的沉降变形。注浆材料采用凝结速度快强度高的双液浆，其凝固时间在18～25s左右。为保证空隙充填效果，注浆过程中严格控制注浆压力和注浆量，注浆压力不可过大，保持在0.2～0.35MPa范围。考虑浆液扩散系数，每环同步注浆量为理论注浆量的1.8～2.0倍，每环理论注浆为3.2m3，得出每环实际同步注浆量为5.8～6.4m3。

⑤渣土改良。隧道开挖范围主要为粗砂或细砂层，地层主要特征为：透水性强，富水性好，受到外界干扰时土体很容易发生变形，且容易出现土层塌方、突涌、超挖与沉降过大等风险。所以，盾构在下穿低矮建筑群掘进时，为避免上述情况的发生，降低对地层的扰动，始发前将一套螺旋机渣土改良系统加装在原有渣土改良系统上，进行改造。掘进过程中，通过渣土改良系统往土仓和刀盘前方注入膨润土与泡沫剂混合溶液进行渣土改良，膨润土水土比8：1，泡沫溶液浓度3%、发泡率10～15倍，以增加土体的流塑性，保障螺旋机出土顺畅，降低盾构刀盘前方土体扰动。另外，在土仓和刀盘前方注入孔注浓度为0.5%的进口“高分子聚合物”溶液，每环注入量为4～6m3，可进一步提高渣土改良的效果。

当盾构在下穿掘进施工时一旦出现喷涌或者其他不良情况，可以设置第二道防线遏止不良工况持续发展，主要是将高分子聚合物注入到螺旋输送机进土口位置形成土塞，保证施工顺利进行。

⑥通过后沉降控制方法。在盾构下穿通过低矮建筑群区域，由于盾构掘进造成的地层扰动等的持续影响，以及掘进过程中同步注浆可能存在注浆不充分、浆液收缩等，使得盾构管片与隧道洞体间仍存在一定间隙，从而引起土体在盾构机通过后仍发生沉降变形。因此，在盾构通过该区域后，对该建筑群区域通过前5环及通过后5环的范围采取二次壁后补强注浆来填充管片与隧道洞体间的空隙。注浆浆液采用水泥浆-水玻璃双液漿，水泥浆配比为水泥：水=1：1（质量比），水泥浆与水玻璃溶液配比为1：1（体积比）。注浆过程中，应同时进行注浆压力和注浆量控制。正式注浆作业前，应反复试验，确认注浆效果以及对地层及地表建筑物的影响，并根据实时反馈的地面及地表建筑物变形监测数据进行调整，避免因注浆压力过大引起地表隆起或注浆不足影响浆液填充效果。

4  结论

经过10天的掘进，盾构安全顺利穿越顺～辛区间低矮建筑群，保障了地面建构筑物和地下管线的安全，保障了居民的生命财产安全。根据第三方监测数据反映，地表沉降累计值最大为-13.1mm，实现了地面累计沉降值小于20mm的目标，对穿越后的低矮建筑物群进行观感性鉴定，盾构施工过程中未对原有房屋结构质量产生明显影响。

参考文献：

[1]何志辉.地铁隧道盾构法施工下穿建筑物沉降分析与控制[D].武汉：湖北工业大学，2017.

[2]宋书显，郭磊.郑州地铁03标盾构施工重难点分析及对策[J].隧道建设，2011（S2）：81-87.

[3]王思凡，袁维.盾构穿越火车股道群沉降控制技术研究[J].企业技术开发，2012（13）：1-3.

[4]胡国喜.双线盾构隧道连续下穿老旧建筑群施工技术[J].公路，2018（11）：319-325.

[5]乔秀兵，李猛，周平.济南地铁富水地层盾构下穿建筑物风险分析与控制[J].现代制造技术与装备，2018（9）：319-325.