富水粉砂层中盾构穿越建筑物沉降控制技术研究

张李恒

(中铁十八局集团第四工程有限公司，天津市津南区双港高科技产业园丽港园33号 300222)

盾构法是在各类土层中进行地铁区间建设的主要方法，在地铁建设中占有重要地位。天津地铁自修建以来，建设者对在粉质粘土地层中盾构穿越建筑物的施工技术做过大量研究，但对于在富水性强、含砂量高的地层中穿越大量地面建构筑物情况下的盾构法施工关键技术却有待研究。

1 工程概况

天津地铁6号线渌水道站—双港站区间长1567.153m，最小曲线半径450m，最大坡度25‰，线间距13.2～17.3m，隧道覆土厚度10.5～21.9m。在该区间地铁穿越外环河，侧穿环美公寓、郭黄庄建筑群，下穿微山路桥。外环河区段地下水丰富且承压水水压较高。环美公寓为5层砖混结构住宅，桩基础，隧道顶与桩底竖向净距约4.9m。郭黄庄建筑群约有12座建筑物，均为浅基础。微山路桥为箱涵结构，长72m，箱涵混凝土强度等级C35；箱涵基础为木桩基础，桩径250mm，有效桩长8m，间距1m，方形布置，隧道顶与桩底竖向净距约6.9m。环美公寓及临街商铺处主要地层从上至下分别为杂填土，④1、⑥1粉质黏土，⑥2淤泥质土，⑥4、⑦、⑧1粉质黏土，⑧23粉砂、⑨2粉砂。该处层压含水层主要赋存于⑧1粉质黏土和⑧23、⑨2粉砂中。盾构穿越建构筑物情况见图1。

渌双区间下穿侧穿的建筑房屋结构有环美公寓、环美公寓临街商铺及郭黄庄等12座建筑物，穿越形式见表1。

图1 渌水道站—双港站区间平面示意图Fig.1 Schematic plan of Lushuidao station to Shuanggang station section

表1 区间下穿建筑物统计表

2 建筑物受力数值模拟分析

2.1 建筑物受力模型建立

针对文中研究的盾构先后穿越连片民居建筑物的沉降控制难点，为进一步了解盾构穿越房屋时建筑物变形情况，以便有针对性地采取加固措施和设置适合的盾构参数，分两个步骤予以研究确定：一是根据本区间同等地质盾构已掘进的地面沉降数据(见图4)，以及获得的具有代表性的建筑物基本信息，进行建模数据模拟分析，分析盾构下穿施工对该片区房屋可能产生的不利影响，以获取建筑物沉降和变形规律的理论分析结果，为确定盾构推进参数、地面和洞内加固方案提供理论依据[1]；二是通过盾构穿越建筑物后实际沉降数据，验证理论分析结果，同时总结盾构实际推进参数，得出适合该富水粉砂层盾构推进各项参数及建筑物加固措施[2]。

选取3处典型房屋进行分析，结构布置参数见表2，结构材料特性见表3。

表2 典型房屋结构参数

表3 房屋结构材料特性参数

砌体结构的几何模型及数值受力模拟分析见图2、图3。

三层结构 四层结构 五层结构图2 砌体结构几何模型Fig.2 Geometric model of masonry structure

三层结构受力数值模拟分析

四层结构受力数值模拟分析

五层结构受力数值模拟分析图3 砌体结构几何模型受力分析Fig.3 Stress analysis of geometric model of masonry structure

2.2 隧道施工中地表沉降曲线

隧道掘进造成地表不均匀沉降是引起房屋开裂的主要原因。地表沉降曲线选取同等地质(区段)和施工条件的实测数据，累计最大沉降横断面见图4，最大沉降值为19mm。

图4 地表沉降横断面输入Fig.4 Cross section input of surface subsidence

2.3 建筑物在盾构下穿后受力分析结果

1)三层结构。在最大实测地表沉降作用下，纵横向正应力最大值为0.36MPa，出现在窗口角点，略大于砂浆抗拉强度设计值0.29MPa。竖向正应力最大值为1.45MPa，出现在门洞底部；考虑到地基的只受压特性，在实际中将会表现为条形基础与地基之间的脱空。考虑地基脱空情况后，竖向拉应力为0.21MPa，主拉应力为0.49MPa。墙体均不会出现开裂。脱空条形基础最大拉应力为1.3MPa，也不会发生开裂。

2)四层结构。纵横向最大拉应力为0.55MPa，出现在首层窗口下沿角点，超过齿缝抗拉强度0.29MPa。竖向最大拉应力为0.53MPa，出现在门洞底部，此拉应力在实际中将表现为条形基础和地基土之间的松脱，而不会出现水平砂浆裂缝。最大主拉应力为0.67MPa，出现在过道上、窗口下的墙体，小于四层砌体压剪验算强度0.77MPa。墙体最大压应力未超过砌体抗压强度2.9MPa。

3)五层结构。纵横方向正应力最大值为0.60MPa，出现在窗口角点位置、门洞上沿角点位置，超过砂浆抗拉强度。有1处主拉应力为1.00MPa，超过五层砌体压剪强度0.98MPa。最大竖向压应力仅有1处超过抗压强度(3.5MPa>2.9MPa)，出现在门洞底部，但范围很小，此范围内可能出现砌体压坏。

2.4 可能出现的最不利情况分析

建筑物及其砌体结构变形包含不均匀沉降和局部承受其他不均匀外力导致倾斜等多种形式，而文中主要研究的是建筑物因盾构穿越产生不均匀沉降导致的建筑物及其砌体结构变形。但是，在本案例实际的盾构施工过程中，建筑物地面加固措施制定也适当地考虑了其他因素导致砌体变形，文中未作赘述。

1)在底层窗口、门洞角点多个位置，纵横向拉应力最大值超过砂浆的抗拉强度(最大超过1倍)，推断在这些位置处可能出现砂浆破裂、结构缝隙加宽情况。

2)竖向正应力多处超出砂浆抗拉强度，出现在墙体与基础交界位置；考虑到基础的只受拉特性，会引起条形基础和地基局部脱空，但不会出现水平砂浆缝开裂。

3)三层结构、四层结构主拉应力、主压应力均小于设计强度，不会出现砌体本身的裂缝；五层结构在门洞底部主拉应力与强度差别小于5%，可以认为不会出现砌体本身拉裂。五层结构在门洞底部出现主压应力超限情形，可能出现砌体局部压裂，但范围很小。

3 盾构穿越建筑物监测结果汇总分析

盾构穿越建筑物的监测基于人工沉降观测构建的沉降变形监测系统进行。对下穿建筑物期间的监测，频率采取人工一天2至4测，并随掘进时地表沉降情况加密或减少[3]。

3.1 盾构掘进中地面沉降结果

通过对图5的曲线分析可以看出，盾构到达粉砂层时变化较大，但随时间的变化沉降速率逐渐平缓，大部分沉降量在穿越完成1个月内完成，之后逐步趋于稳定。个别地表监测数据变化较大，但是累计沉降在控制值范围(+10mm，-30mm)以内。地表累计沉降变化最大值为-23.98mm。

图5 地面沉降—时程变化曲线Fig.5 Land subsidence time history curve

3.2 盾构穿越建筑物沉降结果

分析建筑物沉降数据尤其是不均匀沉降数据，是为证明上一章节模拟建筑物沉降变形分析结论的准确性，以及验证盾构实际掘进中盾构参数设置的准确性和地表洞内加固的有效性。文中对数值模拟和实际沉降数据之间关系的确定和有关结论仅建立在印证理论分析和实际是否互相匹配和合理性方面，对数值模拟和实际沉降之间的线性或非线性关系没有进行深入的研究，这也是该项目下一步研究的方向。从图6中可以看出，在建筑物各沉降监测点从一开始的普遍下沉到10月13日较为一致的达到稳定，未出现较大的不均匀沉降，较为准确地印证了理论分析中“墙体均不会出现开裂、脱空条形基础最大拉应力为1.3MPa，也不会发生开裂”等理论分析结论。这为科学制定加固和注浆方案提供了理论和数据支持，不会出现过度保护建筑物的情况[4]。

图6 房屋沉降—时程变化曲线Fig.6 Housing settlement time history curve

通过对图6的曲线分析可以看出，盾构到达房屋下方时开始发生较大沉降，直到盾尾脱离管片处沉降最大，大部分沉降量在穿越完成1个月内完成，之后逐步趋于稳定，这与数值模拟分析中建筑物竖向位移变化规律的结论基本一致。房屋累计变化最大值为-20.98mm。盾构穿越建筑物不但应重视累计沉降值，还应注意不均匀沉降。不均匀沉降对建筑物的危害更大，不均匀变形过大就会引起建筑物的开裂，因此要对建筑物进行实时的数据检测，尤其注意房屋的不均匀变形。从本区间建筑物监测数据可以看出，各监测点之间沉降数值差不大，其中沉降最大处为JC-13，沉降值为20.98mm，沉降最小处为JC-02，沉降值为17.2mm，差异性沉降差为3.7mm，房屋未出现裂缝，与建筑物受力分析结论基本吻合，不均匀沉降差异化程度不严重，未因不均匀沉降造成建筑物破坏[5]。

4 盾构在富水粉砂层中穿越建筑物时掘进参数控制数据

本部分给出的盾构参数为在实际掘进中使用的盾构参数的基础上，基于以上数值模拟分析研究，结合盾构推进中地表及建筑物沉降数据分析情况，在进一步优化调整了同步注浆的实际注浆量、注浆方位、浆液配比、推力等参数，总结分析得出的富水粉砂层盾构推进主要控制参数，可保证建构筑物安全[6，7]。

1)土压力设置。为了补偿实际盾构推进中的后期沉降和盾尾脱出管片地层损失产生的沉降，需要将土仓压力波动与衰减充分考虑在内，设定实际土压力时通常会略微高于理论土压力，适当提高0.01～0.02MPa，根据实际情况实时修正。上部土仓压力计算值为0.054～0.15MPa，根据砂层地层特性，在盾构掘进时尽量使土仓压力≤掌子面计算土压力，因盾构施工工况复杂，土压力在一段幅值内变化是正常的，一般取用0.08～0.15MPa之间。实操时，根据参数调整，保障掌子面和地面建构筑物的稳定。

2)推力控制。正常掘进段，推力控制在800～1100t，推力过大或者过小，就要提高警惕，仔细分析造成推力异常的原因。

3)刀盘转速与扭矩。刀盘对掌子面的扰动较大，为减少对地面的影响同时考虑到盾构机的贯入度，刀盘转速控制在1.5～1.7r/min；刀盘扭矩控制在3000～4500kNm。

4)推进速度。穿越砂层、富水地区和建筑物时，快速通过，尽可能减少盾构推进对土体的扰动，且防止超方，推进速度保证在50～70mm/min。

5)渣土改良。泡沫剂原液掺量为2.5%～3%，膨胀率为12%～15%，流量250～330L/min，根据掘进参数调节泡沫原液比例；根据情况注入膨润土，流量控制100～200L/min。

6)出渣量控制。区间采用1.5m管片，出渣重量采用土箱量测和龙门吊称重来计量，出渣量严格控制在57m3以下，重量125t以下。应计算每斗的方量与推进行程是否匹配，严禁超挖，防止地面产生大的沉降与塌陷。

7)同步注浆的控制。单环注浆量不少于7m3，充盈系数在穿越建筑物时保证在200%左右，并根据监测数据适时调整，压力控制在0.2～0.35MPa，充分保证注浆量。同步注浆材料配比为水泥∶粉煤灰∶膨润土∶沙∶水=250∶3500∶90∶600∶340，初凝时间小于3.5h。

5 盾构在富水粉砂层中穿越建筑物加固及监控措施

5.1 地面注浆加固

采用套管护壁水冲法钻进成孔，钻进深度超过房屋基础底部以下2m，据引孔深度连接袖阀管，袖阀管上口露出地面20cm，将连接好的袖阀管下口用尖底封好；然后将袖阀管下入孔中，要确保袖阀管下到孔底。然后拔出护壁套管，在地面1m以下采用砂或碎石填充，在孔口周围的填充面到地面以下1m的距离范围内采用速凝水泥砂浆封堵，以防止注浆过程中冒浆现象的发生。注浆材料采用水泥浆，水泥用普通硅酸盐水泥，水泥浆水灰比为0.8∶1～1∶1，注浆压力按照0.4MPa控制[8]。地面加固示意图见图7。

图7 建筑物基础注浆加固图Fig.7 Grouting reinforcement drawing of building foundation

5.2 洞内多循环注浆

1)同步注浆。最初的注浆压力根据理论的静止水土压力确定，在实际掘进中将不断优化，注浆压力取1.1～1.2倍的静止水土压力，最大不超过0.35MPa，做到“掘进、注浆同步”，通过控制同步注浆压力和注浆量双重标准来确定注浆时间。

2)二次补浆。二次注浆的水泥浆注浆压力为0.2～0.4MPa，浆液流量为10～15L/min，使浆液能沿管片外壁较均匀地渗流。对脱出盾尾5～8环的管片及时进行二次补浆，注浆压力0.25～0.35MPa，采用双液浆，每5环注一次，形成有一定范围的环箍，限制隧道的变形和沉降，注浆量约为2m3，配比如表4所示，凝固时间控制在45～60s。

表4 二次注浆配合比

5.3 注入厚浆

新型厚浆浆液材料在具备大比重、低稠度、高剪切性能的同时，提高了材料的保水、抗稀释性能，能较好地提高区间质量，可降低浆液注入土层后分散性，有效控制地面沉降，保持结构稳定。厚浆性能指标见表5。

表5 厚浆性能指标

6 结语

文中以控制在富水砂层中盾构连续穿越建筑物时不均匀沉降为出发点，采用有限差分软件进行数值模拟，分析盾构侧穿或下穿建筑物时产生不均匀沉降受力情况，为施工提供理论指导；结合地表和建筑物的一段时期沉降监测值，分析确定下穿该段建筑物盾构掘进参数的准确取值范围。利用数值模拟分析得出的盾构穿过建筑物时易变形部位，超前对房屋地基及薄弱部位进行注浆和结构性支托加固；结合实际沉降监测数据，采取洞内注浆和地面隔离注浆和加固，是减少建筑物沉降的有效措施。