地铁盾构斜穿建筑物桩基群施工关键技术研究

周学彬

（1.中铁南方投资集团有限公司，广东 深圳 518000；2.盾构及掘进技术国家重点实验室，河南 郑州 450001）

随着“交通强国”战略目标的提出和我国现代综合交通运输体系构建的加快，我国隧道及地下工程的发展迎来了新一轮发展的机遇期。在城市轨道交通建造方面，截至2019 年底，中国共有40 个城市开通城市轨道交通运营线路208 条，运营线路总长度6 736.2km。其中，地铁运营线路5 180.6km，占比76.9%，当年新增运营线路长度974.8km[1～3]。在各类城市轨道交通建设中，盾构法以其安全、高效、环保的优点成为地铁隧道建设的重要工法[4～7]。地铁隧道地处繁华密集城市建筑群，隧道建造不可避免要面临穿越既有建构筑物等难题，由于盾构法隧道在开挖过程中会引起隧道上方土体应力场重构，盾构在穿越建筑群过程中需要控制对地层的扰动，减少地面的沉降一直是工程中关注的重点问题，一旦沉降控制不好，将会引发地表建筑物沉降开裂等工程事故[8～11]。

1 工程背景

深圳轨道交通14 号线是深圳市“七放射、一半环”市域快线网络中东部首条线路，其中四联站～坳背站自四联出发后，往东北方向拐入贤合小区至四联路与红棉二路交会处，下穿四联河暗渠，然后向东北方向分别穿越茂盛村南区地块，华乐路南侧旱塘村、广达路南侧独竹村、东侧189 工业园区，自红棉三路与二号路交会处沿红棉四路-南北干道下方敷设，下穿四联河暗渠、横坪快速路、厦深高铁后继续沿红棉四路铺设至坳背站，四坳区间平面图如图1 所示。

图1 四坳区间平面图

四坳区间盾构右线范围为DK20+572.093～DK23+199.27，全长2627.183m。左线范围为ZDK20+572.850～ZDK23+199.262，全长2 615.35m。区间采用复合式土压平衡盾构施工，区间最小曲线半径650m，线间距6.6～30.86m，埋深约8.5m～39m，选用管片外径6.7m、内径6m，厚度0.35m，管片宽度1.5m。

2 工程难点

四坳区间隧道线路需要斜穿茂盛村多栋建筑，茂盛村房屋均为混凝土结构，层数在3～6 层之间，桩基为浅基础，埋深在4.5m 左右，隧道拱顶距地面距离在11.146～15.887m 之间，区间下穿隧洞范围主要地层为，粉质黏土、强风化角岩、中风化角岩、微风化角岩，区间地质纵断面图如图2 所示。

图2 四坳区间下穿房屋段地质纵断面图

盾构穿越茂盛村施工下穿房屋建筑物量多，房屋老旧，对地表沉降控制要求十分严格，此外由于盾构在斜穿建筑物过程中，由于地层损失的时空效应会造成隧道上方建筑物下部土体的应力重分布，会导致建筑物基础薄弱部位和建筑物拐角位置的稳定性发生改变，易造成建筑物因地表沉降而损坏。因此，对盾构穿越茂盛村桩基群的施工过程控制，保障盾构穿越桩基群建筑物稳定和安全是本工程关注的重难点。

3 盾构斜穿桩基数值模拟

为了模拟盾构穿越茂盛村桩基群的工况，数值分析模型按照茂盛村建筑物群1∶1 模型进行建立，隧道埋深为12m，模拟地层分别按照第一层人工填土，第二层粉质黏土，第三层强风化角岩，第四层中风化角岩开展建模，独立基础埋深4m，盾构穿越建筑物依次为JZ-10、JZ-11、JZ-12、JZ-13、JZ-15。其中隧道正下方穿越JZ-10 和JZ-11，侧穿JZ-12 和JZ-13，其中建筑物JZ-15 被左右线隧道分别穿越建筑物两边，盾构下穿建筑物桩基群数值模型如图3 所示。

图3 盾构下穿建筑物桩基群数值模型

3.1 桩基础地表沉降规律

为了研究盾构开挖过程中对桩基建筑物地表变形规律，在盾构掘进方向截取6 条剖面进行地表沉降规律分析，如图4 所示。图中剖面20、30、40、50、60、70 分别表示盾构在进入建筑物群范围内20m、30m、40m、50m、60m、70m 处的横剖面，分别提取各剖面的地表沉降数据，可得到盾构穿越未加固地层时地表沉降规律曲线，如图5 所示。

图4 不同位置剖面图

图5 隧道横断面变形规律

通过各个剖面地层沉降曲线分析发现，剖面20 的地表沉降规律未能表现出明显的沉降特征。剖面30 的地表沉降规律呈现出突变的特性，建筑物所在区域的地表沉降值小于原始地表沉降值，建筑物边界沉降在6.0～10.1mm 范围之间。剖面40 位于两栋建筑物的中间区域，地表沉降呈现出靠近建筑物区域地层沉降较缓，在远离建筑物区域地层沉降较大。剖面50 在没有建筑物存在区域地表沉降呈现出明显增大的趋势，最大为15.4mm，在建筑物区域地表沉降出现逐渐变小的区域，建筑物边界沉降在13.2～11.1mm 范围之间。剖面60 在没有建筑物区域地表沉降呈现出明显增大的趋势，最大为15.5mm，在建筑物区域地表沉降出现逐渐变小的区域，建筑物边界沉降在10.5mm 附近。70 剖面位于建筑物外侧10m距离，地表沉降未能受建筑物产生明显影响，地表出现规律性沉降。

3.2 不同加固深度地表变形

为确保盾构穿越建筑物桩基群地表沉降在控制值以下，分别计算了加固5m、7m、8m、10m不同加固深度的地表沉降数据，分析了盾构穿越建筑物桩基群时最大地表沉降，不同加固深度的地表变形数据如图6 所示。

图6 加固地层地表沉降曲线

通过对不同加固深度的地表沉降特征分析可以发现未加固地层的地表沉降数据突变较大，建筑物区域地表倾斜达到6.5mm/m，超出了《建筑地基基础设计规范》中1.5～4mm/m 限定值，未加固条件下盾构掘进通过极容易造成建筑物倾斜开裂。对建筑物在7m、8m、10m 范围加固后，发现地表沉降较为均匀，建筑物范围内地表倾斜在0.4mm/m 附近，因此盾构在掘进通过建筑物桩基群对建筑物加固应在7m 范围以上，此种工况下盾构斜穿桩基群时能够保障建筑物的安全稳定。

4 盾构穿越桩基群加固控制

通过数值分析明确安全加固范围后，为使盾构机在穿越建筑物桩基群前和穿越桩基群后有效减小地表沉降，降低对建筑物的影响，采用提前预埋袖阀管在盾构穿越过程中地面跟踪注浆和洞内深孔注浆两种方式进行建筑物加固。

4.1 地面跟踪注浆加固施工

地面跟踪注浆施工整体工艺流程如图7 所示，在注浆前需要在房屋前后两侧预埋单排跟踪注浆孔，注浆孔距房屋边缘为1.5～5m 不等，注浆加固孔中心距为1m，遇到地下管线干扰时可适当加大孔间距，相邻房屋注浆加固时，两排注浆孔间距0.5m 以上，加固时需进行斜孔注浆，角度为30°～55°，注浆深度为地面以下7～11m，浆液扩散半径为1m。

图7 注浆施工工艺流程图

注浆孔按照现场实际情况明确管线及障碍物的位置，施工应避让管线位置，不能破坏既有地下管线，钻孔平面布置如图8、图9 所示。

图8 地表预埋袖阀管布置示意图

图9 地表注浆加固剖面图

注浆压力控制上以水泥浆液能顺利注入为原则，注浆孔口初压0.3～1.0MPa，稳压为1.0～2.0MPa，浆液材料为42.5（R）普通硅酸盐水泥，水灰比为1∶0.6～1∶1，注浆过程中，尽可能采用较小的注浆压力，以减小地面冒浆和破坏周边管线，同时注意地面房屋隆起情况。

4.2 洞内深孔注浆

由于盾构下穿的部分民房区不具备地面注浆条件，需采取盾构通过后，从管片注浆孔打设钢花管进行注浆加固，结合地质条件以及管片拼装方式，本工程洞内注浆利用单环管片9 点位～3点位上部管片吊装孔作为注浆孔，间距按照管片环宽1.5m 布设，单根注浆管长度为3m 进行洞内深孔注浆加固，洞内深孔注浆如图10 所示。注浆材料主要采用水泥砂浆作为注浆材料，水灰比0.8∶1，注浆压力控制与洞内二次注浆保持一致，压力控制在0.2～0.4MPa 范围内。

5 盾构穿越桩基群掘进参数控制

为了确保盾构均衡、匀速地穿越建筑物，减少盾构推进对周边土体的扰动，以免对建筑物产生不利影响。盾构穿越建筑物施工过程中，应进行24h 不间断连续施工，以避免盾构长时间停顿引起的后期沉降，通过对掘进过程中试验段掘进参数提取，分析可知推进速度最大值不超过53.65mm/min，均值在26.06mm/min，如图11 所示，盾构在推进过程需要匀速推进，减少斜穿建筑物桩基过程的扰动。在推进过程中刀盘采用低速旋转，刀盘转速控制在0.9～1.2r/min 之间，如图12 所示，推进过程中还需要观察刀盘扭矩和盾构转角等数据。在推进过程中盾构刀盘扭矩最大值不要超过2 630kNm，扭矩均值控制在1 749kNm 左右，系统最大推力为36714kN，推力均值控制在30 205kN 左右，如图13～图14 所示。通过关键参数的控制一方面可以充分发挥盾构的优势，另一方面尽可能减少对地层的扰动，防止对地面建筑物的影响。

图10 洞内注浆孔布置剖面示意图

此外盾构在穿越建筑物桩基群过程中还应密切关注正面土体改良效果，可通过刀盘上部的注浆孔压注水或膨润土来改良刀盘前方土体，增加土体的和易性，减少刀盘扭矩，密切关注螺旋输送机的转速和油压，根据土压压力及时调整螺旋输送机的转速，且要平缓调整避免导致土压力大幅度的波动。通过上述技术措施的控制盾构已经顺利通过密集建筑物桩基群。

图11 推进速度曲线

图12 刀盘转速曲线

图13 刀盘扭矩曲线

图14 总推力曲线

6 结语

针对盾构斜穿老旧建筑物桩基群，本文通过数值分析的方法给出了建筑物桩基加固处理范围、相应的工程注浆加固方法及盾构斜穿桩基掘进参数控制范围。避免了因盾构开挖土体应力重构引发地表建筑物沉降开裂等工程事故。通过本文提出的方法不仅减少了盾构穿越桩基群对地面建筑物的影响，而且保障了盾构隧道施工的安全性，为后续类似盾构斜穿桩基群施工控制提供借鉴和参考。