富水砂层区盾构下穿建(构)筑物风险控制技术研究

2020-03-30炊鹏飞

水利与建筑工程学报 2020年1期

炊鹏飞

(北京安捷工程咨询有限公司, 北京 100037)

盾构法作为一种常用的地铁区间施工工法，在地铁工程建设中得到广泛应用，已积累了丰富的施工和安全风险管理经验[1-2]。杨振伟等[3]、朱海军等[4]、白云飞[5]、周江等[6]和乔秀兵等[7]对土压平衡盾构机在富水砂层中施工技术进行研究，提出在盾构掘进施工过程中，通过对掘进参数优化，可有效控制地层损失和周边环境变形。秦学波[8]、杨喜等[9]和吴文斌[10]从盾构下穿建(构)筑物风险控制方面，对安全影响性评估、盾构选型、加固措施方面，提出了相关风险控制措施和建议。

太原轨道交通2号线一期工程为山西省第一条轨道交通工程建设线路，如何快捷有效的积累施工及安全风险管理经验意义重大。太原市地下水位埋深浅，地层敏感性强[11]，区间盾构施工主要穿越地层有黏质粉土层、粉细砂及中砂层，其中局部黏质粉土层和粉细砂层具有液化性，富水砂层受施工扰动易产生砂土液化，对周边环境影响强烈。

本文以太原地铁2号线一期工程双塔西街站—大南门站区间为研究对象，从盾构掘进前的预加固措施，掘进过程中的盾构施工参数选择与优化、建(构)筑物跟踪注浆，后期的洞内补充注浆等风险控制措施，研究富水砂层区盾构近距离下穿施工对10个建(构)筑物Ⅱ级环境风险源的变形影响，结合现场监控量测情况，在盾构选型、盾构施工参数制定，加固措施的适用性及施作时机、风险专项设计措施的可操性等方面作经验总结，可为后续类似盾构区间设计、施工、风险管理工作提供经验借鉴。

1 工程概况

1.1 设计及施工概况

太原地铁2号线一期工程双塔西街站—大南门站区间，左线隧道长度1 098.933 m，右线隧道长度1 171.880 m，左右线间距14.2 m～18.2 m，线路为V型坡，最大坡度为25‰，区间覆土厚度11.7 m～24.3 m。左右线分别采用中铁装备Φ6440、日立Φ6350土压平衡盾构机施工，2018年8月左线盾构机从双塔西街站北端头下井组装，于2019年5月双线贯通。

1.2 工程地质

区间线路地层由上而下分别为：杂填土(1-1)，结构松散，层厚2.90 m～13.00 m、素填土(1-2)、黏质粉土(2-3-1)、粉质黏土(2-2-1)、黏质粉土(2-3-3)、粉质黏土(2-2)、粉细砂(2-4)，饱和，层厚0.80 m～11.00 m、中砂(2-5)，饱和，层厚1.00 m～13.50 m、粗砂(2-6)、砾砂(2-7)、细圆砾土(2-8)。

区间盾构掘进地层主要为中砂(2-5)和粉细砂(2-4)，详见图1。

1.3 水文地质

本区间地下水为孔隙潜水，位于杂填土(1-1)层，埋深2.30 m～7.50 m，标高约为779.22 m～781.45 m，盾构隧道在水位线以下。场区范围内地层富水情况如下：2-2粉质黏土、2-3-1黏质粉土属弱透水层；2-4粉细砂属中等透水层；2-5中砂属强透水层。

图1 区间下穿建(构)筑物段地质纵剖图

1.4 地层特点

本区间掘进地层以中砂(2-5)，粉细砂(2-4)为主。盾构在饱和砂层中掘进时，在往复剪切作用下，会发生瞬间滑移破坏，孔隙体积减小，趋于振密，而不可压缩的孔隙水不能及时排出，导致孔隙水压力上升，上升到等于上覆压力时，抗剪强度丧失，粉细砂转变为流体状态，产生振动液化流动现象。盾构掘进施工中对渣土改良、刀盘转速、开挖面土压力及盾尾回填注浆压力等参数控制要求较高，易出现开挖掌子面坍塌、盾尾和螺旋输送机后舱门涌水涌砂等风险事件，导致地层损失，地面沉陷甚至坍塌。

2 环境风险源情况

双大区间盾构施工下穿建(构)筑物风险源情况描述[12]见表1。

3 风险控制措施

3.1 风险控制措施清单

双大区间盾构下穿各建(构)筑物采取的风险控制措施如表2所示。

3.2 鉴定、评估

双大区间掘进施工前，经专家咨询，建设单位委托专业鉴定、评估单位，对公交公司宿舍、迎泽苑7号楼开展了安全性鉴定和影响性评估，鉴定评估结果[13-15]见表3。

3.3 预控措施

区间左线侧下穿公交公司宿舍楼、晋城大厦、太原市电信局宿舍前，沿楼体邻近隧道一侧斜向打设双排150@300复合锚杆桩进行地层预加固，桩竖向斜角为30°，总长约22 m～23 m，进入45°滑移面破裂线以内5 m，见图2。

表1 双大区间建(构)筑物风险源描述

表2 双大区间下穿各建(构)筑物风险控制措施清单

表3 公交公司宿舍、迎泽苑7号楼鉴定评估结果

注：两栋建筑物施工安全影响性评估时均已考虑上述预加固措施，同时将洞内径向注浆按照预加固措施考虑。

图2 太原市公交公司宿舍复合锚杆桩预加固图

3.4 过程中控制措施

3.4.1 盾构施工参数控制

(1) 盾构掘进参数。掘进过程中，根据监测成果，对推力、刀盘扭矩、上部土压力等施工参数不断进行动态调整，最终掘进参数见表4。

表4 盾构掘进参数表

下穿建(构)筑物时严格控制土舱压力波动幅度，减少对掘进地层的扰动。正常掘进过程中，根据上覆土厚度变化情况及时调整盾构上部土舱压力控制值。

(2) 姿态控制。下穿前将姿态调整到最佳状态，保证推进速度的稳定、恒定，严格控制盾构推进方向，减少纠偏，特别是严禁大量值纠偏。下穿过程中将轴线高程和平面偏差控制在30 mm内，并及时进行人工复核，出现偏差，遵循“勤测勤纠”原则，杜绝大量的纠偏，关闭超挖刀。

(3) 出渣量控制。每环出土量的控制是盾构掘进过程中周边环境变形控制的关键，保证控制地层损失率的最直接、最有效的手段。出土量控制以渣土体积控制为主，重量复核为辅。盾构施工中，做到出土量量测的精细化管理，对掘进所排出的渣土样本进行分析，判断地质情况，根据地质情况，确定合理的出土量。

(4) 同步注浆。盾构机左线的刀盘开挖直径为6 460 mm，右线的开挖直径为6 380 mm。管片外径为6 200 mm，当管片在盾尾处安装完成后盾构机向前推进，管片与土层之间形成的建筑间隙时，及时采用浆液材料通过4组管路填充此环形间隙有利于防止和减少地层变形，提高隧道结构的稳定性。

采用水泥砂浆(可硬性浆液)作为同步注浆材料，具有凝结时间短、强度高、耐久性好和抗腐蚀性好等特点，同步注浆配比见表5。

表5 同步注浆材料配比

同步注浆参数如下：

① 注浆压力：控制在0.2 MPa～0.3 MPa。

② 注浆量：施工单位根据施工经验取环形间隙理论体积的1.4倍～1.6倍，左线每环壁后注浆量4.3 m3～5.0 m3，采用4.5 m3/环。右线每环3.0 m3～3.4 m3，采取3.2 m3/环。

③ 注浆速度：同步注浆速度应与掘进速度相匹配，按盾构完成一环1.2 m掘进的时间内完成当环注浆量来确定其平均注浆速度。

(5) 渣土改良。渣土改良效果好，可方便螺旋机的出渣，减少刀具、刀盘的磨损，稳定土舱压力等参数，同时可减少螺旋机喷涌现象，双大区间下穿建(构)筑物区段采用泡沫进行土体改良。

3.4.2 地表跟踪注浆

为有效控制下穿施工对建(构)筑物的影响变形，对侧下穿的公交公司宿舍、公交公司新建住宅楼、晋城大厦、太原市电信局宿舍，正下穿的迎泽公园内单拱桥和八角亭采用地表深孔跟踪注浆。注浆采用1∶1水泥水玻璃浆液，注浆压力控制在0.2 MPa～0.4 MPa。

3.5 后处理措施

3.5.1 二次注浆

为提高充填密实性，更好地控制地层沉降，掘进施工中在盾尾后3～5环处利用管片吊装孔进行二次补注浆。二次注浆浆液采用水泥浆，注浆压力不超过0.4 bar。二次注浆可以快速阻断地层涌水，削弱其对同步灌浆的冲刷，提高同步灌浆效果，强化管片环与围岩的固结，改善接缝防水，提高结构防渗效果，保持盾构通过后的地表稳定。

3.5.2 洞内径向注浆

盾构区间侧穿(下穿)多栋房屋，采用多孔管片，对管片周边3 m、拱顶135°范围采取钢花管进行主动填充式注浆，注浆浆液采用水泥-水玻璃浆液，见图3。

3.6 信息化管理

太原地铁自2016年2号线一期工程全面建设以来，采用安全风险监控与管理信息系统(见图4)、盾构实时监控系统(见图5)，实现了安全风险的信息化管理，盾构实时监控系统能实时显示盾构施工参数并自行进行预警，结合风险系统的安全监测数据模块，实现盾构下穿施工对周边环境风险源变形情况的综合判断。

图3 盾构下穿房屋径向注浆加固横断面图

图4 安全风险监控与管理信息系统

图5 盾构掘进参数实时监控

4 实施效果分析

4.1 监测数据分析

4.1.1 侧下穿建(构)筑物沉降监测数据统计分析

区间侧下穿建(构)筑沉降变形及异常情况统计表见表6。

表6 侧下穿建(构)筑物沉降变形及异常情况统计表

监测结果分析：

(1) 上述侧下穿建(构)筑物中除公交公司宿舍外，沉降变形控制指标为累计沉降≤30 mm，不均匀沉降≤2‰。其中，晋城大厦、电信局宿舍楼采取复合锚杆桩隔离+地表跟踪注浆，公交公司新住宅楼采取地表跟踪注浆措施后，建筑物整体未超控制指标，且未出现预警状况。

(2) 公交公司宿舍监测点布置平面图及累计沉降时程曲线见图6和图7。该建筑物最大累计沉降27.7 mm，不均匀沉降2.2‰，超评估给出的累计沉降12 mm，不均匀沉降1‰的控制值，现场巡视过程中除个别住户门窗洞口有新的细微裂缝外，结构整体和构件变形情况无明显异常。

该建筑沉降变形超标原因分析如下：①建筑物老旧，鉴定结果显示个别构件严重开裂，结构整体性相对较差；②基础为条形基础，抗变形能力弱；③较其他侧下穿建筑，距离区间最近；④公交公司宿舍位于左线始发段，盾构掘进参数尚需摸索总结。

图6 公交公司宿舍沉降监测点平面布置图

图7 公交公司宿舍累计沉降时程曲线

4.1.2 正下穿建(构)筑物沉降监测数据统计分析

区间正下穿建(构)筑下穿建构筑物沉降变形及异常情况统计表见表7。

监测结果分析：

(1) 上述正下穿建(构)筑物中迎泽苑7号楼沉降变形控制指标为累计沉降≤15 mm，不均匀沉降≤1.2‰，其余建(构)筑物沉降变形控制指标为累计沉降≤30 mm，不均匀沉降≤2‰。由表7可以看出，所有建(构)筑物的最大累计沉降值及不均匀沉降值均超控制值。迎泽苑7号楼监测点布置平面图及累计沉降时程区间见图8和图9。

表7 正下穿建(构)筑物沉降变形及异常情况统计表

图8 迎泽苑7号楼沉降监测点平面布置图

图9 迎泽苑7号楼累计沉降时程曲线

(2) 由表7还可以看出，除南沙河快速路南、北箱涵外，隧道内巡视无异常情况，需结合盾构施工参数进行分析，正下穿施工时盾构施工参数建(构)筑物沉降变形超标原因分析见表8。

(3) 正下穿施工前，上述建(构)筑物均未采取预加固处理措施。

表8 正下穿盾构施工参数异常对应沉降变形超标原因分析

4.2 效果评价

盾构区间侧下穿建(构)筑物施工，在采取上述预控制、过程中控制、后处理措施后，对建(构)筑物安全性影响较小，下穿施工风险可控，措施有效。正下穿施工时，采取目前的过程中控制措施和后加固处理措施，下穿施工风险较大，措施欠佳。后续类似工程施工可通过盾构机选型优化，对建(构)筑物地基预加固、地层超前预加固，施工中严控盾构同步注浆量，保证填充效果，同时加强渣土改良和掘进姿态等方面的措施，保证下穿施工的安全顺利。