基于土压平衡模式的盾构穿越密集建筑群变形控制技术研究

刘安伟，李兆平，李 阳，李 明，严琪琛

（1. 北京市市政四建设工程限责任公司，北京 100176；2. 北京交通大学土木建筑工程学院，北京 100044）

富水黏土地层地铁隧道采用盾构法施工，一般采用泥水平衡模式居多[1-5]，但是采用泥水平衡模式盾构掘进，若土体中细颗粒含量高，则泥浆中的细颗粒分离时间长，会导致施工效率低。而土压平衡盾构主要缺点是地层沉降控制难度大，因此，在下穿建筑物地段，如果建筑物为浅基础或者建筑物抵抗变形能力差，选择土压平衡盾构掘进的风险就很大[6-8]。但土压模式的最大优点是不受出碴限制、掘进速度快、施工效率高。特别地，在稳定开挖面上，土压平衡盾构通过控制土仓压力平衡开挖面前方水土压力，而泥水平衡盾构可以控制泥浆压力和流量，依靠泥浆在开挖面上形成泥膜平衡水土压力，这使得其在富水地层具有独特的优势[9]。

本研究依托工程为沈阳地铁4号线一期工程劳动路站—望花屯站区间隧道，采用盾构法施工，区间隧道穿越地层全部为粉质黏土层，具有“渗透系数小、粉粘粒含量高(粒径≤10 μm的颗粒占比达61.23%)、含水量高(天然含水量ω约为26.0%)”等特点。区间隧道穿越众多建(构)筑物，且建筑物以居民楼为主，房屋基础主要为条形基础或桩基础，风险评估等级均为“一级风险源”。在总结试验段(0～213环)掘进经验的基础上，探讨了采用土压平衡掘进模式对建筑物的影响，提出了成套的基于土压平衡模式穿越密集浅建筑群的沉降控制措施，实际监测效果表明控制措施效果明显。

1 盾构区间隧道穿越建筑物情况

1.1 线路概况及工程地质条件

沈阳地铁4号线一期工程土建施工第二合同段由劳动路站、望花街站—劳动路站区间及劳动路站—望花屯站区间组成，线路呈“S”型敷设，如图1所示。其中，劳动路站—望花屯站区间线路自劳动路站沿劳动路从西至东，在劳动路与民强二街交叉口处向东南方偏折，区间在转弯区域内先后穿过民生家园小区等，终点为望花屯站。本区间右线长773.588 m，左线长734.187 m，线间距11.72～17 m；区间拱顶最大覆土约19.3 m，最小约11.8 m；区间设置1处平曲线，最小半径370 m。

图1 沈阳地铁4号线一期工程土建施工 第二合同段卫星图 Figure 1 Satellite image of the second contract section of the civil construction of the first phase of Shenyang Metro Line 4

本区间隧道地层主要由第四系全新统和更新统黏性土、砂类土及碎石类土组成，如图2所示。其中盾构穿越的地层均为粉质黏土层，具有“低渗透性、高黏粉含量、高含水量”等特点。

图2 望-劳区间工程地质剖面图 Figure 2 Engineering geological section of Laodonglu Station to Wanghuatun Station

1.2 穿越建筑物情况

区间左、右线隧道下穿民生家园等小区6栋多层居民楼，楼房基础为墙下条形基础，部分楼房有地下室，劳动路—望花屯区间下穿建筑物情况见表1。

表1 盾构区间隧道穿越建筑物情况Table 1 Statistics of shield-driven section tunnel passing through buildings

该盾构区间与下穿的建筑物详细位置关系描述如下。

1)民强三街小区2层居民楼：该楼房为2层砖混结构，无地下室，条形基础，如图3所示。

图3 盾构区间隧道与民强三街小区2层居民楼立面位置关系 Figure 3 Location relationship between the shield tunnel and the 2-story residential building in Minqiang Sanjie Community

2)民强三街43#居民楼：该楼房为6层砖混结构，带一层地下室，条形基础，如图4所示。

图4 盾构区间隧道与民强三街43#居民楼立面位置关系 Figure 4 Relationship between the shield tunnel and the 43# residential building in Minqiang Sanjie Community

3)民强三街41#居民楼：该楼房为6层砖混结构，带一层地下室，条形基础，如图5所示。

图5 区间隧道与民强三街41#居民楼立面位置关系 Figure 5 Relationship between the shield tunnel and the 41# residential building in Minqiang Sanjie Community

4)民生家园小区36-2#居民楼：该居民楼为7层框架结构，预制管桩基础，无地下室，如图6所示。

图6 区间隧道与民生家园小区36-2#居民楼立面位置关系 Figure 6 Relationship between the shield tunnel and the 36-2# residential building in Minsheng Jiayuan Community

5)民生家园小区36-1#居民楼：该居民楼7层框架结构，预制管桩基础，无地下室，如图7所示。

图7 区间隧道与民生家园小区36-1#居民楼立面位置关系 Figure 7 Relationship between the shield tunnel and the 36-1# residential building in Minsheng Jiayuan Community

2 试验段土压平衡和泥水平衡模式的沉降控制效果分析

2.1 试验段掘进模式分段及地表沉降

该工程采用的盾构机为中交天和机械设备制造有限公司设计制造，具有土压平衡和泥水平衡2种掘进模式，且可以互相转换。

盾构从望花屯站始发，隧道前290环没有穿越建筑物，地表沉降控制相对较宽松，因此选择起点至290环作为泥水平衡和土压平衡双模式转换研究的试验段。

0～130环管片区段采用土压平衡模式掘进，掘进到130环以后开始进行掘进模式转换；131～213环为泥水平衡掘进模式；214环开始又转为土压模式掘进。

在隧道中心轴线地表布置沉降监测点，监测结果如图8所示，地表沉降普遍都在8 mm以下，且土压平衡模式与泥水平衡模式在地表沉降控制效果上没有明显差别。

图8 试验段31~290环沉降分布曲线 Figure 8 Settlement distribution curve of ring 31-290 in test section

2.2 试验段两种掘进模式工效分析

采用泥水模式，21个工作日掘进131～213环，共83环，平均日进尺仅有3.9环。富水黏土地层条件下，为有效控制地表沉降，减小盾构施工对地表建筑物的影响，比较适合的盾构掘进模式为泥水平衡模式，但是本工程试验段采用泥水平衡模式的掘进效率却非常低，其主要原因在于：盾构隧道穿越地层为高黏粉含量的黏土地层，粒径≤10 μm的颗粒占比高达61.23%。这部分土壤颗粒很难分离，产生的泥浆含过量的黏粉粒，导致泥浆分离时间长，严重影响盾构掘进效率。而采用了土压模式，20个工作日共掘进130环，平均6.5环/d，掘进效率远远高于泥水模式。

根据试验段掘进工效和地表沉降监测结果分析，只要施工措施得当，穿越富水黏土地层也可以采用土压平衡模式。为提高工效，本区间剩余区段(包含穿越密集建筑物段：290～489环)全部采用了土压平衡模式掘进。

3 穿越建筑物的盾构掘进参数及土仓压力设定

3.1 盾构掘进参数

根据对试验段土压平衡模式盾构掘进参数分析，穿越建筑物掘进参数见表2。

表2 盾构掘进参数Table 2 Shield tunneling parameters

3.2 刀盘进、出建筑物的土仓压力设定

由于建筑物有荷载，因此在穿越建筑物前后，根据楼层高度，土压力有一定的调升，进出建筑物前后有3环缓冲距离，穿越过程中严格控制土压力，刀盘进入建筑物前提前预加压力，刀盘出建筑物提前预减土仓压力，详细土仓压力设置见表3。

表3 穿越建筑物段盾构掘进参数设定Table 3 Setting of shield tunneling parameters for crossing the building section

4 基于土压平衡模式穿越建筑物阶段盾构掘进技术

4.1 B型管片上增设注浆孔

由于隧道穿越地层为富水黏土地层，具有较强的蠕变性能，为有效降低盾构通过后的地层沉降，在下穿房屋风险源范围内和前后各20环范围内，采取使用 主筋Φ22的加强型管片，且所使用管片B型管片注浆孔由正常的一个注浆孔增加至3个，便于多角度补浆(见图9)。

图9 B型管片上增设注浆孔 Figure 9 Grouting holes that are added to the B-type segment

4.2 小半径曲线段测量控制技术

由于区间线型为R=370 m左转弯，测量换站频繁，因此盾构下穿构筑物前需换站完毕，避免在穿越构筑物过程中换站，穿越距离大于测量换站周期距离的，提前做好换站准备，在建筑物下方换站应快速完成，避免长时间停留。

4.3 同步注浆浆液配置

盾构推进过程中管片与周围土体之间的空隙填充效果是制约地表沉降的最主要因素之一，本工程同步注浆采用双液型浆液，由A液与B液组成，A液材料由水泥、粉煤灰、水拌制而成，B液为水玻璃，波美度为40°Be’。通过大量的试验研究，设计了2种配比。

配比1：每方浆液的水泥410 kg，粉煤灰400 kg，水700 kg，初凝时间20 s；

配比2：每方浆液的水泥380 kg，粉煤灰420 kg，水700 kg，初凝时间25 s。

制备的浆液具有如下特性：

1)良好的长期稳定性及流动性、适当的初凝时间；

2)良好的充填性能；

3)在满足注浆施工的前提下，尽可能早地获得高于地层的早期强度；

4)在地下水环境中不易产生稀释现象，具备抗地下水稀释分散性能；

5)固结后体积收缩小，泌水率小。

盾构掘进过程中根据沉降监测数据，及时调整浆液配比。

4.4 盾尾密封控制

盾构机采用三道盾尾钢丝密封刷，有效防止盾尾透水。推进过程中加强盾尾油脂的注入，确保盾尾密封油脂压力不小于0.4 MPa，最低不小于0.3 MPa，防止地下水涌入。

4.5 刀盘开挖轮廓与盾体外缘之间的间隙填充注浆浆液

本工程的盾构机刀盘外径6190 mm，前盾、中盾机盾尾外径均为6160 mm，土体和盾体之间存在30 mm的间隙，且由于盾构自重的作用，上部盾体与土体的间隙更大，及时填充盾体与土体之间的间隙，可以有效减小地层沉降，通过试验，研制了性能类似于克泥效的填充材料，该填充材料主要成分为黏土、水、高分子聚合物，其黏度值为50 Pa·s。具备以下几个特点。

1)操作简单，易于从盾体上的径向预留注浆孔注入。

2)具有一定的黏性，不会从注入点快速流失到刀盘前或盾尾后。

3)材料具备一定抗稀释能力，能避免很快被地下水稀释。

4)不会硬化，避免硬化后抱死盾体。

通过使用研制的填充材料能及时充填刀盘开挖轮廓与盾体外缘之间的间隙，达到控制盾构通过时建筑物变形的目的。

5 盾构下穿阶段建筑物沉降监测结果分析

5.1 各建筑物沉降测点布置及监测结果

1)民强三街2层居民楼。民强三街2层居民楼监测点布置及累计沉降值如图10所示。刀盘进楼及盾尾出楼环号分别为284环、313环，隆起最大点位JGC73，累计隆起最大值2.0 mm，下沉最大点位JGC75，累计沉降最大值–0.9 mm。

图10 民强三街2层居民楼监测点布置及累计沉降值 Figure 10 Layout and accumulated settlement value of monitoring points in the 2-story residential building in Minqiang Sanjie Community

2)民强三街43#居民楼。民强三街43#居民楼监测点布置及累计沉降值如图11所示。刀盘进楼及盾尾出楼环号分别为324环、347环，隆起最大点位JGC51，累计隆起最大值1.5 mm，下沉最大点位JGC52，累计沉降最大值–1.3 mm。

图11 民强三街43#居民楼监测点布置及累计沉降值 Figure 11 Layout and accumulated settlement value of monitoring points in the 43# residential building in Minqiang Sanjie Community

3)民强三街41#居民楼。民强三街41#居民楼监测点布置及累计沉降值如图12所示。刀盘进楼及盾尾出楼环号分别为363环、393环，没有隆起点，下沉最大点位JGC41，累计沉降最大值–2.5 mm。

图12 民强三街41#居民楼监测点布置及累计沉降值 Figure 12 Layout and accumulated settlement value of monitoring points in the 41# residential building in Minqiang Sanjie Community

4)民生家园36-2#居民楼。民生家园36-2#居民楼监测点布置及累计沉降值如图13所示。刀盘进楼及盾尾出楼环号分别为409环、425环，隆起最大点位JGC25，累计隆起最大值1.4 mm，下沉最大点位JGC27，累计沉降最大值–2.5 mm。

图13 民生家园36-2#居民楼监测点布置及累计沉降值 Figure 13 Layout and accumulated settlement value of monitoring points in the 36-2# residential building in Minsheng Jiayuan Community

5)民生家园36-1#居民楼。民生家园36-1#居民楼监测点布置及累计沉降值如图14所示。刀盘进楼及盾尾出楼环号分别为459环、595环，隆起最大点位JGC17，累计隆起最大值1.1 mm，下沉最大点位JGC22，累计沉降最大值–3.0 mm。

图14 民生家园36-1#居民楼监测点布置及累计沉降值 Figure 14 Layout and accumulated settlement value of monitoring points in the 36-1# residential building in Minsheng Jiayuan Community

5.2 居民楼沉降控制效果总体分析

本次下穿建筑物严格按照下穿风险源方案施工，前4栋楼沉降值均在3 mm之内，第5栋楼最大沉降达到3.0 mm，主要原因是：在下穿第5栋楼房范围内，盾构姿态不太好，由于推力小，扭矩小，不容易纠偏，通过增大土仓压力方法，增大推力纠偏，在此范围内土仓压力达到0.16～0.17 MPa，导致盾尾出楼后，沉降较大，通过后续在管片上打孔补浆，控制了沉降的继续发展。总体来说，在盾构穿越建筑物阶段，最大沉降值均没有超过楼房评估给定的控制值5 mm。

6 结论

以沈阳地铁4号线一期工程劳动路站—望花屯站区间土压平衡盾构隧道工程穿越密集建筑群为工程背景，研究了富水粉质黏土地层下土压平衡盾构穿越建筑群施工关键技术。主要结论如下。

1)根据试验段土压平衡模式和泥水平衡模式的地表沉降控制效果对比，富水粉质黏土地层下不同掘进模式采用合理的掘进参数均能有效控制地表沉降。为提高掘进效率，针对该地层提出了采用土压平衡模式穿越高风险等级建筑物的方案，从该区间隧道的214环开始全部采用土压模式，掘进效率平均10.34环/d，且穿越了密集建筑物，建筑物沉降全部在控制标准内；

2)提出了富水粉质黏土地层下穿越建筑物阶段的土压平衡盾构掘进参数和土仓压力设定值；

3)在B型管片上增设注浆孔，多角度补充浆液，可以有效控制盾构穿越后的地表沉降；

4)由于本工程的建筑物均位于小半径曲线段，提出了适合小半径曲线段盾构姿态控制测量技术；

5)研制了同步注浆浆液配置以及刀盘开挖轮廓与盾体外缘之间的间隙填充注浆浆液。可以有效填充土体间隙。