盾构施工对既有建筑物影响分析及安全控制技术

冯 凯，李 明，夏正超，彭 丰

（1.中铁北京工程局集团城市轨道交通工程有限公司，安徽 合肥 230088；2.西南科技大学，四川 绵阳 621010）

0 引 言

随着地铁建设沿线的开发，工程建设面临日渐复杂的周边环境［1-3］。盾构掘进时既需要保护既有建（构）筑物，又要确保隧道施工本身的安全性，因此对不同的情况采用相应的安全控制技术十分必要。

1 工程概况

昆明轨道交通地铁系统 4 号线 5 标含一站三区间。此次选取昆菊区间范围内区间隧道侧穿黑土下（上）凹村村舍，与区间隧道邻近的房屋大部分为 2～6 层钢筋混凝土结构，无地下室，房屋基础为浅基础。为方便后续计算分析，选取较为不利工况，以区间隧道侧穿黑土下（上）凹村村舍为典型建筑进行分析。

1.1 水文地质

根据详勘资料，施工范围及附近无地表径流，可以不考虑地表水对建筑材料的腐蚀性情况。地下孔隙承压水＜2-5＞层粉土、＜3-7＞层细砂含水层的稳定水位为 3.4～3.6 m，渗透系数为 1.21×10-3～2.1×10-3cm/s（1.04～1.811 m/d），地层的透水性较好。＜6-5-1＞层粉土、＜10-7＞层细砂含水层的稳定水位为 4.5～5.7 m，渗透系数为 6.39×10-4～1.19×10-3cm/s（0.552～1.029 m/d），地层的透水性较好。地下基岩裂隙水＜25-1＞含水层的稳定水位为 6.5 m，渗透系数为0.051～0.076 m/d，平均 0.06 m/d，地层的透水性一般，且位于 YDK16+460 至区间终点段，＜25-1＞层地层透水性弱，埋深较大，对工程影响不大。

1.2 工程地质

根据地质勘查资料，区间盾构掘进涉及地层主要为＜1-2＞层素填土：呈带状广泛分布于地表，厚度为 0.3～6.2 m。土质多为黏性土夹碎石角砾，局部为碎石、角砾土。＜2-2＞层粉质黏土：可塑状为主，局部硬塑。局部为黏土，具中压缩性，孔隙比 e 均值为 0.64，压缩系数均值为 0.28 MPa-1，压缩模量均值为 5.5MPa。＜3-2＞粉质黏土：可塑状，具中压缩性，孔隙比均值为 0.693，压缩系数均值为 0.29 MPa-1，压缩模量均值为 5.5MPa。标贯实测锤击数 N 值平均值为 12.8，土体工程性质以及自稳性一般。

2 盾构掘进及加固措施

为保证盾构施工过程中周围既有建筑物的安全性和稳定性，盾构施工前需对既有建筑物进行有效的加固措施；此外，为减小盾构施工对既有建筑物的影响，应合理选择盾构掘进参数。

2.1 既有建筑物加固技术措施

1）盾构通过前，例行对盾构机进行检查和维修，尽可能做到不停机通过。

2）盾构通过前，进行地面预注浆加固，清洗注浆管预留后续注浆条件，盾构通过时及时进行补浆，盾构通过后要根据监控及量测结果来决定是否实施跟踪注浆，加固体渗透系数应小于 1×10-6cm/s。

3）严格控制盾构的掘进参数，及时进行壁后注浆，并应注意控制壁后注浆的量与压力。

4）在管片上增设注浆孔，根据地质及掘进情况，选择合适的时机对隧道周边一定范围内的地层进行注浆加固。

2.2 盾构施工措施

1）盾构通过前，合理设置掘进参数，如表1所示。

表1 盾构掘进参数

2）刀盘前方采用由泡沫添加剂 3.0 %、水 97 % 组成的泡沫溶液，经充分膨胀后在刀盘、刀具与碴土相互作用的区域增加全方位的润滑作用。

3）构机穿越建构筑物区段，为了缩短浆液初凝时间，控制管片上浮、错台及隧道线型，二次注浆点位主要设在 15 点/1 点、2 点/14 点四个点位上，按照此顺序依次调整注浆孔位。

二次注浆采用双液浆，水泥浆液（水泥∶水）和水玻璃（水玻璃∶水）配比：1∶1。控制注浆量以及注浆压力，每环注浆量控制在 0.4～0.8 m3。二次注浆压力为 0.1～0.2 MPa，注浆后 24 h 后用钢钎通过管片螺栓孔进行检查，确保二次注浆及时填充空隙不漏水。注浆位置选择脱出盾尾 4～6 环。

4）隧道洞内深孔注浆采用钢花管注浆加固方式进行，即利用管片吊装孔（包括增设注浆孔），将Ф32 的钢花管打入隧道内部，在末端安装逆止阀，并进行注浆加固，注浆压力值取 0.1～0.2 bar，注浆过程中注浆压力逐步增加并稳定注浆流量后确认注浆完成，加固体应有良好的均匀性。

注浆管浆液为水泥浆液、水玻璃浆液双液浆，其中水泥采用 P.O 42.5 普通硅酸盐水泥；水灰比为 1∶1，注浆压力拟定控制在 0.2～0.4 MPa，根据实际情况不断优化注浆参数，注浆后在两注浆孔之间取岩土芯，测试其土体无侧限抗压强度需不小于 1.0 MPa。

3 盾构施工穿越既有建筑物变形影响数值模拟

3.1 计算说明

参照图1的典型工况进行计算，本计算采用显式有限差分计算程序 FLAC3D［4］，三个模型范围横向取 160 m，沿隧道长度方向取 50 m，上至地表，下至隧道洞底以下 50 m。顶面为自由面，其他各边界施加垂直于该面方向的约束。管片采用 35 cm 厚 C50 钢筋混凝土，按弹性匀质圆环考虑，用小于 1 的刚度折减系数η来体现环向接头的影响。模型中用壳单元模拟管片；地层视为理想弹塑性材料，服从描述岩土材料的力学性质的莫尔-库伦屈服准则；注浆层考虑为弹性材料，地层和注浆层均模拟为实体单元。最终的既有建筑物计算模型如图1所示，各土层的物理力学参数如表2所示。本次计算考虑上部既有建筑物的影响，既有建筑物采用实体单元模拟，建筑物的物理力学参数如表3所示。

图1 隧道侧穿既有建筑物计算模型

表2 各土层的物理力学参数

表3 建筑物物理力学参数

3.2 盾构施工模型（见图2）

刚度迁移法是视刚度和载荷的迁移过程类比成盾构向前的推进过程［5］。盾构掘进过程中同时注入的惰性浆液，在计算模拟盾构推进的过程中，会逐渐更替浆体的材料参数。

在施工模拟中，需要设置具体的施工参数，实际施工中的参数主要有正面土压、推进力、扭矩、推进速度和同步注浆量以及注浆压力；在计算模拟施工过程中，主要控制的参数是正面土压、注浆压力、摩擦力以及注浆量（通过升温膨胀模拟）。用降低土体刚度来模拟盾构施工对周围所引起的土体扰动和盾尾空隙，就能很好反映周围土体的大变形现象。

图2 盾构施工模拟示意图

3.3 计算结果分析

地表及建筑物的位移云图如图3～图5所示。论文选取施工完成阶段，即掌子面距离建筑物中心线 -25 m进行对比分析。

图3 左线掌子面距离建筑中心线-25 m（单位：m）

图4 右线掌子面距离建筑中心线-25 m（单位：m）

图5 盾构施工完成后地表及建筑物竖向变形

通过图3～5 可以发现，在盾构机的推进作用下，施工对建筑物的影响逐渐增加。左线施工完成时，建筑物的最大沉降为 1.84 mm，右线施工完成后，建筑物的最大沉降为 2.20 mm。分析表明右线距离建筑物较近，因此对建筑物的影响较大，且建筑呈向盾构开挖方向倾斜的状态。

4 盾构施工穿越既有建筑物变形现场监测数据分析

4.1 地表沉降控制效果

下穿建筑物段的地面沉降监测结果如表4所示，表中累计沉降量为 2018年5月 16日到 7月 30日的累计沉降，选取 5 个沉降量较大的点作为参考点。

由监测数据可以看出，右线通过后，多数测点的累计沉降控制在 10 mm 以内；左线通过后，多数测点的累计沉降控制在了 10 mm 以内。采取了系列的控制措施，盾构穿越既有建筑物的地表沉降未超过规定阈值。

表4 地表沉降表

4.2 下穿建筑物段的建筑物沉降效果

下穿建筑物段的部分建筑物沉降点监测结果如表5所示，表中累计沉降量为 5月 16日到 7月 30日的累计沉降，选取 4 个典型沉降点作为参考点。

表5 建筑物沉降表

由监测数据可以看出，由于采取了相应的控制措施，建筑物沉降均小于 10 mm，盾构穿越既有建筑物的建筑物沉降均未超限。另外，建筑物沉降大小与建筑的结构形式、层高以及基础形式均有一定关系。

5 结 语

昆明地铁 4 号线昆菊区间下穿黑土下（上）凹村既有建筑物的时候，采取了控制盾构掘进参数、地面注浆加固以及对建筑物基础进行注浆等综合减灾技术措施。通过监测数据表明，双线通过后，多数测点的累计沉降控制在 10 mm 以内，盾构穿越既有建筑物的地表沉降未超限。可见本工程施工中采取的控制措施是有效的。