盾构长距离穿越老旧建筑物群微沉降控制技术

刘文志

（中铁十四局集团大盾构工程有限公司， 江苏 南京 210000）

0 引言

近年武汉市的轨道交通建设一直在有序进行，盾构法地铁隧道穿越技术日趋成熟。地铁建设的施工环境决定了地铁隧道线路通常在城市既有建筑或道路下方，盾构穿越施工极易引起穿越区间建筑物的不均匀沉降以及倾斜。特别是长穿越区间高密度棚户区时，由于棚户区建筑上部结构多为砖混或砖木结构，基础多为天然基础或条形砖基础，外观破损严重，大部分存在墙体有裂缝、墙体变形、墙面掉皮等现象，在施工过程中风险较高，因此盾构在掘进施工过程中要严格控制地表沉降。由于所穿越的建（构）筑物面积比较大，所以对地面沉降控制要求高，如何顺利通过，盾构掘进采取何种控制措施，保证建（构）筑物沉降满足现状要求，是施工的重点[1]。据监测结果及时有效地采取处理措施，控制地表沉降，确保房屋安全，是此类工程的难点之一。

1 工程概况

司门口站～昙华林站盾构区间采用两台开挖直径Φ6.48m的土压平衡盾构机施工，自司门口站大里程端头始发，穿越楚才社区16#楼（桩基础已拔除），然后长距离穿越高密集棚户区（穿越总长约580m），到达昙华林站小里程端头接收。左线设两个半径分别为2km和3km的曲线,右线设三个半径分别为2km、1.5km和1km的曲线，线间距11.2m～15.2m。区间左右线均采用“V”字坡，左右线纵坡最小坡度为2‰，最大坡度为4.8‰。管片外径6200mm，管片内径5500mm，管片厚度350mm。区间掘进约100米后即穿越得胜桥街棚户区，共计下穿房屋85户，侧穿房屋116户，多为砖混和砖木混合结构，绝大部分是在七十年代以前建筑完成的，另外还存在着一些百年老建筑。造成在地下盾构施工过程中存在较高风险。该里程段隧道覆土厚度10.5～11.8m。

2 控制措施

2.1 盾构掘进参数控制

在盾构掘进过程中，应参照地质情况和地面建筑物的保护要求，制定具体掘进方案，根据掘进方案严格盾构掘进参数[2]。掘进过程中，应时刻掌握盾构机运转情况、掘进参数的数值变化、泥土进排情况，及时对数据进行汇总和分析，根据分析出结果调整掘进参数，对盾构姿态进行调整控制。在盾构掘进施工过程中，要严格进行现场管理，随时调整数据，现场实际土压要略大于土压计算值。充分利用信息化系统及时调整和修改掘进参数，使土压力值处于规定的范围之内[1]：

2.1.1 土的受力值计算

土的压力值用朗肯原理公式算得:

计算得出土压力理论值。

土的压力值在施工中通过刀盘和土仓的压力计测定，根据地质情况、埋设深度和地面监控量测信息进行汇总分析，同时还要考虑掘进过程中，螺旋机转速根据推进速度与土压控制，螺旋机转速要满足土压平衡。要适时调整土压力到合适数值、掘进速度大小、盾构掘进力值大小和背后注浆量的多少，要确保地面沉降量控制在合理的范围内。

为达到在刀盘切入土体后土压平衡条件，在进入加固区，开始建立土压。根据朗肯原理及在相关地层掘进的相关经验得出的土压力为1.0～1.2MPa之间。

2.1.2 刀盘速度

在掘进过程中，刀盘要根据不同的地质情况选择适宜的转速，在掘进速度相同的前提下，机器转速的高低将直接影响锥入度的大小，从而可能影响盾构机扭矩的大小。如果在推进过程中刀盘转速过大，可能将会引起刀盘刀具的磨损速度过快，并且高转速还加大对地层造成扰动，为减少刀盘对地面的影响，刀盘转速不易过快，盾构机施工到棚户区地下的刀盘速度应控制在0.8rpm和1.2rpm之间。

2.1.3 开挖速度控制

为保证盾构机能对土体进行正常切削，防止推进轴线偏位、刀盘磨损加快，在始发时不易以较快速度推进，应使盾构机在保持缓慢稳步中推进，盾构机全部进入加固区域后的开挖速度应控制在5～10mm/min，只有在盾构机全部脱离加固区域后，才可以逐步增加推进速度到30mm/min。

2.1.4 刀盘扭矩

刀盘在穿越棚户区时，扭矩应控制在2000KN/m。因为在相同的地质情况下，锥入度越大扭矩就越大，所以在锥入度、速度等掘进参数一定时，当扭矩出现明显增大时，我们就要考虑到刀具磨损情况是否严重，如果刀具的磨损是直接造成扭矩明显增大的原因，此时需关掉盾构机查看刀具磨损情况[3]。

2.2 盾体和土体间隙填充克泥效

2.2.1 调整最佳克泥效配比。

克泥效使用方法是将高浓度的泥水材料（克泥效水溶液，常用浓度为380～420KG/m3）与塑强调整剂（水玻璃40be）两种液体分别通过配管压送到盾体径向孔处，再将该两种液体以体积为20：1的比例混合，形成高黏度塑性具有支撑力挡水性胶体后，在盾构掘进过程时所引起的第三阶段沉降，辅助第四阶段沉降控制[2]。

2.2.2 选择合适注入孔。盾构机开挖直径为6.48m，盾尾直径为6.39m。注入孔点位布置在前盾径向孔处。按以往经验，该尺寸盾构机在11点～1点区间任意一点注入均可保证上方2/3圆填充密度。

2.2.3 优化施工工艺。

盾构机在进入风险源前要在第十环前开始，通过从盾构机中间位置的径向孔处同步注入克泥效溶液，及时填充盾构施工过程中超挖部分，具体施工过程中要根据盾构机上方地面的下沉量随时进行调整。克泥效的注入点的位置是11点到1点钟之间，由于克泥效有良好的流动性，小盾构可以只需要单点注入。在克泥效的注入过程中，也会向盾体周围的地层中渗透一部分溶液，这样就形成了泥膜，可以有效的减少同步注浆的浆液向土层中渗透量[4]。

2.3 同步注浆质量控制

2.3.1 注浆材料

同步注浆材料为水泥砂浆，此材料具有强度高、耐久性好、粘结力强和防水效果好等特点。

2.3.2 浆液配合比及主要物理力学指标

同步注浆材料应具有较好的流动性和抗水分散性。凝结时间长短应根据地质条件确定，并与掘进速度和注浆作业功效相适应，应根据现场试验确定。终凝一般不超过6小时，使早期强度得到提高，以便注浆取得良好效果。注浆材料的1天强度应不小于0.2mPa，28天强度值应等于或大于1.0mPa。确定盾构机穿越棚户区地段的同步注浆配合比。

2.3.3 注浆压力

为确保能对环向空隙的进行充分的填充，不留空隙，同时又能保证管片结构不会因注浆压力而产生变形和损坏，借鉴以往经验，注浆压力应设定为0.2～0.3MPa，再根据推进过程的实际情况不断进行调整优化。

2.3.4 注浆量

盾构机开挖半径与管片外径之间形成3.57m3/环的空隙，参照以前施工的工艺参数，盾构穿越棚户区地段同步注浆量填充系数应在150%～200%范围内。还应同时考虑覆盖土较浅，并且还有盾构机的上浮影响，这样盾构机上部和底部注浆量都应按2:1控制。在进行曲线段施工时，曲线段内侧的注浆量要小于外侧的注浆量[3]。

2.3.5 注浆速度

在确定同步注浆速度时，应先确定与掘进速度相适应，且应按盾构机完成推进一环1.5m，正好是当环注浆同时完成来确定它的注浆速度。

2.3.6 注浆结束标准

通过采用注浆量和注浆压力两个指标来判断注浆是否结束，当注浆量达到设计注浆量的80%以上同时注浆压力达到设计压力时结束注浆。

2.3.7 注浆混合料质量检验

检验数量：所有完成环同步砂浆进行检测。

检验方法：检查原材料质量检验报告、出厂合格证、检测报告、计量方法和注浆记录。

检测仪器：浆液稠度用稠度仪检测，浆液初凝时间及结石率用量筒检验。

2.3.8 同步注浆效果检验

注浆结束后，及时采用超声波探测法和地质雷达法对注浆质量进行检测，对不符合要求的部位，及时进行补充注浆。对于物探检测异常部位，可采用钻孔法来破检进行验证，钻孔时要注意主筋位置，且钻孔位置距离管片接缝的距离不应小于0.6m[4-5]。

3 监控量测措施

监测是能直接反映施工情况，也是隧道施工中对重要建筑物进行保护的重要手段。通过监控量测数据的反馈分析，可以判断当前的施工方案是否可行，及时发现施工中存在的问题，并为采取有效的应对措施提供基本信息，指导工程安全顺利完成。

应对地层表面建筑物进行加强监控量测工作。所以在盾构掘进过程中，应对受施工影响的地表建筑物实时沉降监测、倾斜监测、不均匀沉降监测和建筑物裂缝开展监测等，然后对监测数据进行汇总，根据汇总的数据进行分析，再根据分析结果，对建筑物的安全隐患进行风险评估，实行动态管理。还可以根据地面监控量测取得的数据来指导施工，随时调整盾构掘进施工中所需的各项参数。同时在进行监测的情况下，也可以根据地表起伏状况及时调整掘进速度和注浆压力[5]。

在监控量测过程中，如发现数据异常，应立即停止施工，并对建筑物进行评估,如果评估存在不安全因素，这时要及时进行拆除。

3.1 盾构隧道掘进时监测内容

（1）地面沉降；（2）建（构）筑物沉降与倾斜；（3）建（构）筑物裂缝宽度；（4）建（构）筑物附近的既有管线监测；（5）盾构隧道的收敛、沉降等

3.2 监测频率

表3.2-1 监测频率

监测部位监测对象开挖面到监测点或监测断面的距离检测频率

开挖面前方周围土体和周边环境 8D～5D 1次/3d

5D～3D 1次/2d

≤3D 1次/1d

开挖面后方管片结构、周围地层和周边环境 ≤3D 1-2次/1d

3D～8D 1次/1d

＞8D 1次/3～7d

注：D——盾构法隧道开挖直接；监测数据趋于稳定后，监测频率为1～2次/月

4 结束语

本工程的施工原则为“精细化控制、平稳中推进、拼装快速、禁止停机、一次通过”；主旨是严控地表沉降；宗旨是确保工程范围内建（构）筑物安全。通过加强监测，严格控制土仓压力、刀盘转速、掘进速度等参数，重点采用克泥效工艺，并且把控同步注浆量，及时进行二次注浆，必要时采取地面加固措施，提前筹划应急预案等措施达到既定目标。