小半径下穿密集老旧房屋施工技术及控制措施

侯显超

（中国交建轨道交通分公司,北京 100088）

0 引言

线路曲线半径小等于350 m一般被称为小半径，小半径曲线盾构掘进施工存在轴线难以控制、地层损失大、对土体扰动大等困难，易直接引起地表变化，而在此基础上还要下穿密集老旧房屋建筑物群，施工难度可想而知。施工掘进控制不当，轻则地表沉降超限，房屋开裂，重则房屋倾斜、破损，被迫拆迁[1]。因此，下穿密集老旧房屋时如何做到将地表沉降、房屋差异沉降控制在允许范围内，从而保证房屋结构安全，是盾构施工的关键。该文从下穿施工准备、关键施工技术及主要控制措施等方面进行论述、总结[2]。

1 工程概况

1.1 工程简介

东江道站—学苑北路站区间为单洞单线隧道，左右线各一条盾构隧道，采用2台复合式土压平衡盾构机从学苑北路站始发，到东江道站接收。隧道外径6 200 mm，内径5 500 mm，管片厚度为350 mm，区间长1 324.536 m，区间左右线平行布置，线间距12.4～15 m，最小平面曲线半径350 m，“V”字形纵坡，最大坡度25.17‰，隧道结构顶部覆土约9.3～19.9 m，线路平面位置如图1所示。

图1 东江道站—学苑北路站区间平面图

1.2 区间地质情况

该段区间穿越地层主要为⑥1粉质黏土、⑥3黏质粉土、⑥4粉质黏土、⑥34粉砂、⑦1粉质黏土、⑧1粉质黏土、⑧11黏土、⑨1粉质黏土、⑨2黏质粉土、⑨13黏质粉土、⑨14粉砂、⑨24粉砂。

1.3 区间水文情况

该场地浅层地下水类型主要为第四系孔隙潜水，赋存于Ⅱ陆相层及以下的粉土、砂层的地下水具承压性，为承压水。隧道主要位于潜水层及第一承压水层。

1.4 区间下穿、侧穿建筑物情况

东学区间下穿、侧穿建筑物皆为20世纪80年代老旧砖混房屋，具体情况如表1所示。

表1 下穿、侧穿房屋情况统计

2 施工准备

（1）成立含建设、设计、监理、施工、勘察、监测及专家在内的盾构穿越房屋安全保障小组，小组下设7个小队，为下穿施工提供试验、掘进、注浆、技术、监测、物资供应及抢险应急保障。

（2）提前研判区间盾构掘进施工重难点，重视盾构机选型，加强配置，如：配置/使用仿形刀、径向注浆孔、两道闸门可伸缩螺旋机、主动铰接、同步注浆管道（4主4备）、盾尾密封单孔单泵等。

（3）逐层培训、交底，从上到下，层层提升盾构施工技术及管理水平。

（4）逐一核实、确认勘探孔封堵状况，如有异常提前封堵、加固。

（5）施工前聘请专业房屋鉴定单位对房屋外观、结构形式、基础类型、楼房公共区现状及建筑物倾斜度进行实地统计，并形成房屋现状调查报告，为后续建筑物变化情况提供对比依据。

（6）下穿前设置100 m长试验段，总结盾构施工参数、土压变化的规律、沉降影响的实际范围，控制好盾构轴线、注浆压力对地面变形的影响，同时磨合好盾构机的各项性能。

3 关键施工技术

3.1 小半径曲线掘进

（1）利用主动交接，预先设定弧线态势。在盾构将进入缓和曲线段处，调节铰接角度，使其水平张角逐渐调节到设计铰接角度，以符合隧道轴线要求的曲率半径[3]。随后在圆曲线隧道掘进过程中将基本保持这个水平张角，直至走完整个曲线段。

（2）采用超挖刀在曲线内侧位置进行超挖，有利于纠偏。该区间盾构机刀盘上配备2把超挖刀，以用于曲线段掘进时对曲线内侧位置进行超挖，以有利于纠偏。

（3）盾构沿曲线内侧（割线方向）掘进，使得轴线留有预偏量。由于受水平分力影响，隧道易向曲线外侧平移，因此盾构机在进入曲线段之前，应将盾构水平姿态调整至曲线内侧20～30 mm，使盾构沿曲线内侧（割线方向）掘进，便于盾构水平姿态纠偏。

（4）勤测勤纠，精确控制盾构方向。小半径曲线段掘进过程中，加大对盾构姿态及管片姿态的复测频率，确保当前的姿态准确无误，同时对比左右侧千斤顶的行程差是否达设计要求，以便及时调整左右侧的压力差。

3.2 下穿房屋主要施工参数的设定

（1）土仓压力。盾构掘进施工土压控制尤为重要，土压过大地表则会直接隆起，反之沉降明显。根据大量类似经验计算，浅埋隧道盾构机土仓压力的计算主要考虑土层压力、地下水压和附加荷载（预备压力），其中土层压力取静止侧向土压力。以本区间下穿6层砖混房屋为例，其覆土厚度为18.7 m，本段地下水静止水位埋深0.90～2.20 m，此处盾构机理论土仓压力P的计算公式如下：

P（土仓压力）=p1（静止侧向土压力）+p2（地下水压力）+p3（房屋附加荷载）=1.78+0.172+0.5=2.452 bar

p1（静止侧向土压力）=K0h1r1= 0.5×18.7×1 900×10-4=1.78（kg/cm2）=1.78 bar

K0：静止土压力系数，砂一般取值0.35～0.45，粘土一般取值0.5～0.7，这里取0.5；

h1：区间覆土厚度，此处为18.7 m；

r1：土的天然容重(密度），一般为1.60～2.20 g/cm3，这里取1.9 g/cm3；

p2（地下水压力）=qh2r2= 0.1×（18.7-1.5）×1000×10-4=0.172（kg/cm2）=0.172 bar

q：土层渗透系数，此处粘土渗透系数一般取值0.1；

h2：地下水位距刀盘顶部距离，此处隧道顶部埋深18.7 m，静水位埋深取1.5 m，则此处地下水距刀盘距离为18.7-1.5=17.2 m；

r2：水的天然容重(密度）为1 g/cm3；

p3（房屋附加荷载）:依据经验，一般多层楼房每层荷载为0.15～0.2 bar，共计6层，总荷载按1 bar考虑，根据上面静止侧向土压力计算公式，则此处房屋附加的侧向静止土压力为0.5×1=0.5 bar。

由以上公式可知，计算参数多为半经验数值，且多为范围值，计算结果存在差异，因此具体土仓压力的设定还需根据试验结合沉降监测数据综合确定，该文这里只供参考。

（2）渣土改良。渣土改良在盾构掘进施工中一直扮演着很重要的角色，如若效果不好，则会直接出现掘进速度减缓、推力增大、扭矩变小等不良现象。盾构施工常用渣土改良方法有向刀盘、土仓及螺旋输送机添加水、泡沫溶液或膨润土泥浆以及聚合物等。该区间主要使用泡沫剂改良，经统计平均每环管片（环宽1.5 m）泡沫剂用量25 L。具体用量可参考下列配比：

泡沫剂溶液：一般泡沫原液1.5%～7.5%，水92.5%～98.5%。

FER发泡率：一般压缩空气86%～94%，泡沫溶液6%～14%。

FIR注入率（泡沫剂溶液注入量与出渣量的比值）：地质不同注入率则不同，根据目前经验，砂性土30%～50%，砂、砾石性土25%～35%，砂、黏土混合25%～30%，硬黏土20%～35%，软黏土50%～70%。

以上皆为经验配比，实际用量还应根据渣土成分、出土状况、施工成本等综合因素考虑。天津地区盾构穿越地层多以黏性土、砂性土为主，中低压缩性，工程性质较好，对渣土改良效果依附不高，如换成成都、广州砂卵石、粉砂岩地层则对渣土改良要求较高。

（3）出土量控制。出土量控制是盾构掘进的根本，是控制地层缺失率的最直接、最有效手段。出土量控制必须以渣土体积控制为主，重量复核为辅。

环宽1.5 m管片根据计算每环出土量控制在57.7～58.8 m3，上下偏差最大不应超过1 m3。该区间以58.8 m3为标准，每车出土量（18 m3）须与相应的推进距离及时对比复核。如每环渣土量超过基准值的2%以上，则立刻上报值班领导，由项目部组织专题分析，采取有效措施后方可连续掘进。

（4）同步注浆。同步注浆是对刚拖出盾尾管片背后进行最直接、最有效的密实填充，填充的质量很快会在地表监测变化中得到验证。填充材料采用水泥砂浆，为缩短同步浆液初凝时间、调整浆液泌水率，进而将胶凝时间控制在6 h以内。该区间经反复试配、试验，并结合地表监测数据，最终确定下穿房屋同步浆液配合比如表2所示。

表2 同步浆液配比表

经计算理论注浆量为：1.5×π(R2-r2)=3.87 m3（刀盘开挖直径6.46 m，半径R为3.23 m；管片外径6.2 m，半径r为3.1 m），注浆压力保持在0.3～0.5 MPa，本区间根据注浆压力、注浆量双重指标控制，实际注浆量多为6.5～7.8 m3，为理论值的170%～200%，根据现场实际监测结果，下穿房屋期间同步注浆7 m3/环对地表沉降控制较为有利。

（5）二次注浆。在下穿房屋过程中，二次注浆对限制地表工后沉降非常重要，因此将二次注浆作为盾构下穿房屋推进过程中的常态化工序非常有必要，二次注浆浆液多采用单液浆和双液浆。

该区间下穿房屋过程中，为将地表沉降反应时间控制在最短、沉降变化控制在最小，自制紧跟盾尾二次注浆操作平台（详见图2），拖出盾尾3～4环的管片就能及早进行二次注浆填充，注浆压力按0.3～0.45 MPa控制，平均每环二次浆液注入量为0.8～1 m3（双液浆），使得盾构穿越后的地表工后沉降得到了很好的控制。具体双液浆配比如下：

图2 紧跟盾尾二次注浆操作平台（掘进与二次注浆可同步进行）

水玻璃浆液=水∶水玻璃（体积比3∶1）。

水泥浆液水灰比为1∶1。

双液浆=水泥浆液∶水玻璃浆液（体积比1∶1）。

（6）其他掘进参数。综合100 m试验总结的掘进参数，并结合实际地质条件、盾构覆土埋深及设备状况，下穿房屋时盾构机推力设定为10 000～13 000 kN，盾构机刀盘扭矩1 800～ 2 200 kN·m，推进速度为30～35 mm/min。

4 主要控制措施

4.1 监控测量与全天不间断现场巡视相结合

由于下穿房屋过于重要，每2 h对盾构刀盘前后50 m范围内所有监测点位测量一遍，现场出具快捷监测数据结果，同时安排固定人员全天24小时不间断对盾构机掘进前后范围地表及建筑物进行巡视、观察，有效地将盾构施工对环境所产生的影响第一时间进行反馈，为施工掘进参数的优化调整提供了高效的指导。

4.2 信息化监控盾构姿态

利用信息化监控手段，搭建盾构机动态实时监控平台，对盾构机的掘进姿态及参数进行动态监控，盾构掘进姿态超过设定限值后，监控系统第一时间发布姿态预警信息，促进做好勤纠、缓纠和动态纠偏。

4.3 重视渣样分析

盾构下穿房屋期间，每隔3～5环就对渣土进行采样分析，核定渣土含砂率及土质占比，并与地勘资料相比对，如若偏差较大，据此及时调整各项掘进参数。

4.4 做好盾构机维保

平稳、匀速、不间断的盾构掘进，对施工工效、施工成本及施工安全都非常重要。因此要确保推进系统完好、注浆系统畅通、盾尾密封良好、各类显示系统正常，就要不间断地做好盾构机维保，降低机械故障率。

5 结束语

通过以上技术和措施的综合应用，加上全体施工人员严谨、认真的工作态度和不畏艰辛的付出，单线1 324 m的区间掘进任务历时130余天顺利完成。沿线地表、建筑物的各项监测数据累计变化皆在允许范围内，小半径曲线盾构下穿老旧房屋群的难题也得以解决。