盾构小曲线半径下穿注浆加固建筑群分析

董 礼

(中铁二十局集团有限公司 陕西西安 710016）

1 引言

随着我国城市化进程的加速推进，以盾构为代表的机械化施工在地铁、综合管廊等隧道工程中应用越来越多，在盾构掘进过程中，不可避免地要下穿缆线、管道及建筑物等，为了确保地下管线和地面建筑安全，需要对地层做预加固处理，并优化盾构掘进参数，控制沉降。

目前，国内外对盾构掘进过程影响研究主要集中在两个方面:一方面是掘进过程中对周围管线、道路及建筑物的变形破坏影响及控制，在盾构施工前对区域地层进行预加固处理，以保证其安全，并在加固方法上进行了大量研究[1-4]；另一方面是掘进过程中对盾构周围土体变形机制研究，主要包括正常掘进直线段、特殊地质条件掘进段、曲线掘进段、小半径曲率掘进段等。姜忻良等人[5-8]通过对盾构掘进过程的监控量测，研究了土体沉降和水平变形的规律；徐永福等[9]对直线段隧道盾构掘进过程中周边土体的土压力进行监测，根据土体应力状态变化分析了土体的扰动程度。蒋洪胜和侯学渊[10]通过对直线段隧道盾构掘进穿越地下污水管道过程中周边土体位移进行监测，分析了盾构穿越交叠隧道过程中对周边土体的扰动规律。对小曲率半径转弯盾构隧道的研究，徐辉等人[11-12]从盾构机机械特性角度介绍如何实现和控制小曲率半径转弯。从以上研究中不难发现，目前研究方向主要集中在盾构直线段、曲线段及小曲线半径掘进过程对扰动的位移、孔隙水压力及加固后的建筑物变形监测，注浆加固后建筑物变形归根到底还是由于掘进过程中对土体扰动引起的，同时对于预注浆加固后的建筑群，盾构机在小曲率半径掘进过程中对土层的扰动情况存在空白，因此对该问题进行研究是十分必要的，对于类似工程盾构机的掘进速度及土仓压力调整具有指导意义。

本文以石家庄地铁三号线水上公园站-柏林庄站区间350 m半径小曲率转弯下穿预注浆加固建筑物为例，通过监测盾构机转弯过程中土体的分层竖向变形及水平位移数据，研究其规律及特点，同时对比直线段及曲线段特征规律，提出该条件下土体变形特征，为该工况下掘进施工提供技术支撑。

2 工程概况

2.1 区间概况

石家庄地铁三号线水上公园-柏林庄站区间位于联盟西路下，呈东西走向，后右转弯至中华北大街路下，呈南北走向，采用盾构法施工。区间隧道起点里程为左/右DK1+852.6～DK3+253.3，区间右线全长1 400.7 m，左线全长1 426.4 m(含长链25.7 m）。线路纵断面呈V字形坡，线路最大纵坡为25‰上坡，最小曲率半径为250 m，管片外径为5 m，隧道顶板埋深为10.3～17.3 m。区间穿越地层约80%为砂层(细砂，中粗砂，含卵中粗砂），工程地质较差。隧道上方建筑物密布，多为砖混结构，条形或自然基础。设计和安全评估要求建筑物变形控制标准为:地表沉降速率≤1 mm/d，累计沉降≤20 mm，建筑物局部倾斜≤0.002。考虑确保盾构准确掘进，实现沉降控制确保建构筑物安全，采取地表注浆加固后穿越，监测断面位于高柱小区65号楼上行线，如图1所示。

图1 线路平面示意

2.2 建筑物地表注浆加固

注浆加固采用袖阀管注浆工法，袖阀管注浆工法是在内压力的作用下，将包裹在PVC外的橡胶圈胀开和套壳料挤碎。当压力逐渐增大到一定程度，被加压的浆液就会沿着地层结构产生充填、渗透、压密、劈裂流动，此时由于供浆量小于进入量，压力会自动恢复到平衡状态，续后的浆液在压力作用下，使得劈裂裂缝不断向外延伸，浆液在土体中形成固结体，从而达到增加地层强度，降低地层渗透性的目的。

本工程加固区主要为黄土状粉质黏土和粉细砂，硬塑，弱透水及中等透水，具体参数见表1。

表1 高柱小区地下土层力学指标

主要通过渗透和劈裂方式加固土体。由于浆液在黄土中流动困难，因此浆液胶凝时间、注浆压力取大值，注浆速度取小值。扩散半径:扩散半径指浆液能符合设计要求的扩散距离，跟注浆压力、地层及浆液渗透系数、注浆时间、水灰比、浆液材料粒径等相关，施工中按经验值选取。一般粉细砂层0.5～0.8 m，本工程通过试验确定扩散半径选0.5 m。排孔布置，注浆孔位以1.414 m×1 m，梅花形布置，如图2所示。

图2 注浆排孔布置（单位：cm）

胶凝时间:根据设计说明，采用42.5普通硅酸盐水泥单液浆，水灰比0.45∶1～0.55∶1，根据注入性，初凝时间取6～8 h。注浆速度:根据经验，黄土状粉质黏土层注浆速度取20～40 L/min，砂层取40～60 L/min。本段的注浆孔总计为108个，注浆孔深为17.9 m，注浆量705.3 m3，剖面如图3所示。

图3 高柱小区64号楼注浆加固剖面

3 监测方案及分析

3.1 测点方案

本次监测主要监测各层土体竖向位移、外侧水平位移及内侧水平位移，布设如图4所示，竖向位移采用单点位移计进行布设，竖向每个3 m布设一个，水平间距为2 m，测量精度为0.01 mm，内、外水平位移采用测斜仪，测量精度为0.1 m，分别设在盾构两侧外1 m处。

3.2 盾构机掘进参数

本工程选用中铁建重工ZT6250土压平衡盾构机，采用辐板式刀盘，刀盘开口率和刀盘强度通过试验调整了均衡参数，刀盘刀具配置、耐磨设计等按照满足一次通过1.4 km密实砂层及小曲率半径不换刀的要求设计。通过小半径曲线时，中间及尾部铰接形式为被动铰接，铰接油缸规格180/80 mm，铰接最大收缩力为1 000 t，铰接最大转向角度1.3°，在使用1 500 mm管片时盾构最小转弯半径250 m。为了防止在刀盘内形成土拱，针对砂层自立性差及改良相对困难的特点，配置了膨润土系统，膨润土系统配置两台挤压泵，最大注入流量10 m3/h，土仓压力为5 MN，推进速度为4.0 m/h。

图4 监测平面布置（单位：m）

3.3 预注浆段掘进监测分析

3.3.1 土体竖向分层位移

盾构掘进过程中主要分为5个阶段，即刀盘预到达阶段、通过阶段、管片闭合阶段、注浆加固阶段及二次补注浆阶段。预到达阶段:刀盘压力较小时，土体会产生沉降，压力较大时会产生上拱。通过阶段靠盾壳支撑土体较为稳定。管片闭合阶段，由于管片与土体存在空隙，多数会存在沉降。注浆加固及二次补注浆阶段填充管片与土体间空隙，加固土体。

盾构掘进过程中，隧道纵断面土体变形如图5所示，纵轴正值代表沉降，负值代表上拱，横轴代表刀盘与监测断面位置关系，负值代表未到达监测断面，正值代表经过监测断面。

图5 盾构机掘进过程中各层土体分层变形值

第一阶段竖向变形不明显，上下波动在1～2 mm，主要原因是掘进还未对土体造成实际扰动，该阶段位于盾构监测断面之前，引起沉降是由地下水位沉降和开挖面过量取土引起的；第二阶段盾构快要通过该断面，由于土压控制不足，土体变形引起沉降或隆起；第三阶段由土体沉降转变为上拱，较小且沉降逐渐收敛，这与未加固土体产生较大沉降相比，原因主要是土体一侧进行了注浆加固时水泥浆液在土体中通过渗透进入了未加固土体；第四阶段上拱持续发生且不收敛，达到20 mm；第五阶段主要有上拱转变为沉降变形，开始趋于稳定且收敛。

3.3.2 土体水平位移监测

盾构机掘进过程经过监测断面时土体水平位移如图6、图7所示，其中图6位移为建筑物地基加固侧(外侧）水平位移，距隧道轴线距离为4 m，图7为隧道内侧水平位移，距隧道轴线距离为4 m，位移向管道外侧为正，向内侧为负。

图6 盾构外侧土体水平位移

图7 盾构内侧土体水平位移

(1）盾构外侧土体水平位移

由图6可知，土体水平位移普遍存在上拱现象，盾构过程对上部土体扰动现象明显大于侧向，由于部分土体进行了预加固注浆，土体变形较为平缓，这与小曲率半径掘进土体扰动情况有所不同，监测断面土体变形主要分为5个阶段:第一阶段，盾构机尚未到达，隧道上部机侧向变形较小，无明显挤土现象；第二阶段，变形逐渐变大，管片侧向较为明显，最大变形2.4 mm，变形不稳定且不收敛；第三阶段，变形持续变大，最大变形3.9 mm，中后期变形开始收敛，变形收敛过程由盾构机侧面向上部逐渐发展；第四、五阶段，变形略有回缩，但是变形量很小，因该阶段主要进行管道拼装，对土体无明显扰动。隧道转弯时外侧管片下侧土体出现较小的位移，管片土体由近到远上拱量依次减小，水平位移情况出现与之前研究直线段及曲线段土体扰动情况不同，主要是由于注浆原因引起的变化，管片侧向土体强度大于上部土体强度，故产生了一定的上拱变形。

(2）盾构内侧土体水平位移

由图7可知，与外侧土体扰动情况不同，隧道上部土体明显小于侧向土体，各层土体扰动向外位移，位移较为均匀，盾构机通过监测段面各阶段情况如下:第一阶段，变形量较小；第二阶段，位移向外持续发生，盾构机侧向土体变形最大为2.5 mm，上部土体变形明显大于下部土体；第三阶段，中后期变形开始收敛，最大值为2.7 mm，第四、五阶段，变形略有震荡，主要是由于安装管片、注浆及二次补注浆引起。

4 结论

本文通过对盾构机以小曲率半径穿越注浆加固建筑物的土体进行监测，得到如下结论:

(1）隧道上方土体受外侧建筑预加固及小曲率转弯双重影响，竖向变形在直线段及曲线段存在明显差异，以往盾构多是以控制沉降为主，而该工况下存在上拱，最大上拱量为40 mm，建议在该工况下减小刀盘土压，降低速度。

(2）盾构外侧土体水平位移主要发生在盾构上部土体，受预加固地基影响，下部无明显变形，因此上部及下部位移不协调，上部最大位移3.9 m，下部最大位移1.5 m，这与以往是截然不同的。盾构内侧土体水平位移主要发生在管片周围，出现两头小中间大的趋势，最大位移量为2.7 mm。

(3）盾构掘进对地下管线及地面建筑的影响，其本质是土层受到扰动的结果，本次研究可以得出在小曲率半径穿越预加固建筑物时，水平位移不大，竖向向上位移较大，而且很容易引起地面上拱，因此施工中要引起注意。