复合地层中大直径盾构下穿建筑物群施工技术

2022-12-13叶至盛杨凤梅

城市轨道交通研究 2022年10期

关键词：砖房刀盘渣土

叶至盛杨凤梅

(1. 中电建铁路建设投资集团有限公司， 100044, 北京；2. 中国电建华东勘测设计研究院有限公司， 310014，杭州∥第一作者，高级工程师)

盾构穿越复合地层过程中对建(构)筑物影响规律尤为复杂。盾构机外径、水文地质条件、基础型式等因素对其动态施工过程中地表沉降、建筑物沉降会产生极大的影响，这对盾构施工技术措施及信息化管理提出了较高的要求。

本文以某盾构区间下穿建筑物群为例，详细介绍盾构穿越建筑物群前、中、后采取的施工技术措施。通过数值模拟分析和精心施工组织，配合先进的监测技术，结合现场试验段调整后的盾构掘进参数，成功实施并穿越建筑物群[1-4]。

1 工程概况

1.1 下穿段与建筑物群的关系

以盾构机下穿建筑物群区段(以下简称“下穿段”)为研究对象。采用海瑞克盾构机，开挖直径8.63 m，全长110 m。刀盘采用六辐条+六面板的复合式刀盘，刀盘面板率为36.5%，中心开口率为46.5%。盾构管片采用外径8.3 m、内径7.5 m、厚0.4 m、宽1.8 m的钢筋混凝土管片，每环由7块管片组成，采用错缝拼装。

建筑物群修建于2000年，为3层砖房；其基础为柱下独立基础，埋深为2 m。盾构机穿越区间位于曲线半径为1 200 m的左转圆曲线，处于坡度为22‰下坡段。盾构机共穿越8栋砖房，从砂卵石黏土复合地层开始穿越第1栋砖房，到掘进至中风化泥岩地层穿越完成第8栋砖房。隧道埋深约26 m，隧道顶部与房屋基础底部最小竖向净距约24 m。盾构隧道与建筑物群关系示意见图1。

1.2 地质条件

隧道穿越地层主要为全断面砂卵石、砂卵石-泥岩、泥岩等地层。勘察期间车站范围地下水位埋深为3.89～7.15 m，平均渗透系数为0.44 m/d，属弱-中等透水层。中风化泥岩黏聚力为20 kPa，内摩擦角为18°，天然极限抗压强度为4 MPa。

1.3 工程难点

1) 盾构掘进断面大，地层扰动大，对地表和建筑物群沉降影响大。

2) 复合地层中砂卵石占比约77%、黏土占比约3%、中风化泥岩占比约20%，整体上软下硬，出土量控制难度大。隧道掘进地层变化较大，变化趋势为：全断面砂卵石层→砂卵石-泥岩复合地层→泥岩地层。复合地层中掘进刀盘易结泥饼，易超方引起沉降。

3) 建筑物群为老旧房屋，其基础为浅基础，工程风险大。

2 盾构机穿越控制措施

2.1 盾构机穿越前准备工作

2.1.1 地质补勘

为核实地层的准确情况，对下穿的建筑物之间进行地质补勘，共布置16个补勘孔，进一步确认地质信息。对补勘的孔位进行排查，确保补勘孔和监测用的深层土体竖向位移孔位已全部封堵严实,避免浆液串出地面。

2.1.2 房屋鉴定及入户调查

联合属地街道办事处、社区等单位对建筑物进行入户调查，并委托有资质鉴定单位对盾构下穿的所有房屋进行鉴定，出具书面鉴定报告。

2.1.3 地面预注浆加固

从房屋基础外侧打设斜孔预注浆，斜孔打设至拱顶上方2 m范围，斜孔间距为5 m；斜孔在地面共布设3排，采用梅花形布置，间距为2 m×2 m。

2.1.4 带压开仓换刀

地铁施工通常采用降水井+常压换刀，极少采用带压开仓。本工程由于地面条件受限，穿越的建(构)筑物众多，地面管线复杂，地下水较发育，降水困难，故在穿越前盾构机在复合地层下启动泥膜护壁带压换刀施工。保压实验合格后进行带压开仓作业，对刀具进行了全面的检查并对存在问题的刀具进行了更换，同时对渣土改良系统中心的加水系统和泡沫系统进行检查。复合地层中带压换刀的特点及风险如下：

1) 换刀位置掌子面不能有效形成泥膜，盾体周围留有空隙，致使气压不能有效建立，气体损失量远大于气体补充量，无法达到换刀条件。

2) 仓内作业区域有限、掌子面不稳定等情况会危及仓内作业人员的人身安全；作业人员在带压环境中作业，若加减气压操作不合理，可能会引起减压病。

3) 盾构机停机带压换刀期间地表沉降较大，地下管线受损，地表建筑物受到影响，危及周边环境安全。

2.2 盾构机穿越中的掘进控制

2.2.1 渣土改良

1) 管路优化。在刀盘面板上设置6路泡沫管路与2路加水管路，在土仓内的牛腿上设置2路泡沫管路；在刀盘中心设置1路专用的加水管路，同时在土仓的承压墙上设置2路加水管路。

2) 泡沫。采用分散型泡沫剂进行渣土改良。分散型泡沫剂为2.5%～3.0%泡沫剂与97.0%～97.5%的水混合成的泡沫溶液。同时单根泡沫管液体流量不小于30 L/min，气体流量为250～300 L/min。

3) 聚合物。在第208环—第250环的掘进过程中，由于地下水较大，易造成螺旋机出现喷涌现象。在该段土层掘进过程中，每m3水中加入40 g聚丙烯酰胺以防喷涌。第250环后，随着黏土及泥岩的增加未再添加聚合物，在每m3水中加入2.5 kg分散剂，可有效防喷涌。

2.2.2 掘进参数

如表1所示，盾构机掘进过程中的总体参数显示正常；仅在第261环—第263环、第276环—第277环掘进过程中，盾构机参数异常。

表1 盾构机穿越不同地层时的参数统计

2.2.3 复合地层出土量控制

盾构掘进过程中，对每箱渣土箱内的渣土高度进行测量。设专员收集每环洞内实际出土量、龙门吊起吊渣土量等数据资料。每环根据出土量及龙门吊起吊渣土量进行双控，分析是否超方；同时对比前后3环出土量及起吊渣土量，核实是否有突变情况。若发现超方后渣土管理专员立即根据“信息全报，分级处理”的原则通知相关人员进行超方处置。

在盾构机穿越建筑物群期间，因地层变化较大，出土量逐步由128 m3增加至170 m3，在掘进过程中要求每环分上、下半环从皮带机上随机取渣样进行清洗和分析，并将现场渣样分析结果作为调整松散系数的依据。松散系数由砂卵石地层的1.2逐步调整至泥岩地层的1.6。下穿段地层变化统计见表2。

表2 下穿段地层变化统计

2.2.4 综合注浆

1) 同步注浆及二次注浆：为了保证管片壁后注浆饱满，同步注浆量均大于11.8 m3，超过理论建筑间隙的1.64倍；同时在掘进过程中将二次注浆进行常态化管理，管片脱出盾尾7～10环后及时进行二次注浆。二次注浆材料为水、普通硅酸盐水泥，水灰比为0.8∶1.0～1.0∶1.0。根据现场试验，确定二次注浆压力为0.2～0.5 MPa。二次注浆点位优先选择盾构刀盘3、9点位以上的注浆孔，点位之间错位布置，保证管片壁后注浆饱满。若注浆后止水效果不佳，可适当增加注浆量，并同时注入水玻璃，水泥浆液与水玻璃比例为1∶1。

2) 中盾注泥：通过盾构机自带的中盾注泥系统，及时填筑盾体与土层的间隙，隔离开挖仓与注浆腔，起到预防浆液前窜等功能。同时，为减少穿越建筑物造成的沉降，采用螺杆泵注入泥浆。泵的设计流量为58 L/min。每环的泥浆理论注入量为1.09 m3，实际注入量为2.3 m3(推进时间为40 min)，能达到良好的隔离效果。

3) 深孔注浆：在1号台车顶部搭设平台，在盾构机穿越建筑物过程中，采用φ42.0 mm、壁厚3.5 mm的钢花管进行洞内深孔注浆加固。注浆材料采用水泥浆液。特殊情况下采用水泥-水玻璃双液浆，水灰比为0.8∶1.0～1.0∶1.0，水泥浆和水玻璃的体积比为1∶1～2∶1。根据现场试验，注浆压力控制在0.05 MPa以下。防止管片破损，深孔注浆范围为：管片上方180°范围为3 m，管片下方180°范围为0.5 m。

2.2.5 姿态控制

1) 盾构机姿态：盾构机水平姿态保持在10～30 mm，竖向姿态控制在-50～-70 mm，且均未出现突变情况。

2) 管片成型姿态：成型管片姿态良好，且未出现较大上浮现象。水平姿态最大为34 mm，发生在第216环；垂直姿态最大为-30 mm，发生在第228环。

2.3 盾构机穿越后的控制措施

1) 袖阀管注浆：为了确保房屋安全，采用袖阀管对房屋基础及隧道拱顶上方进行空洞排查以及后注浆加固，确保盾构机穿越房屋的安全性。

2) 空洞探测：为探明已穿越区域的地下情况，组织专业单位采用“微动探测”技术对已掘进隧道中心线上每隔5 m的地层进行空洞探测。MSM(微动探测法)是从圆形台阵采集的地面微动信号中，通过空间自相关法提取其瑞雷面波频散曲线，经反演获取台阵下方S波速度的地球物理探测方法。该方法可用于地震构造探测及场地稳定性评价[5]。

2.4 盾构机掘进中遇到的问题及处置措施

1) 地层变化：在第261环—第263环土层的掘进过程中，地层变化较快，无法准确判断松散系数，盾构机掘进参数未出现较大变化。但通过渣样分析，发现砂卵石质量分数显著减少(由43.3%减少至33.9%)。掘进过程中未能根据地层变化对盾构掘进参数进行调整，导致出土量不可控，超方约9.3 m3，立即停机进行原因分析。超方后地面及时采用临时围挡进行围蔽。恢复第264环土层掘进时，为了控制出土量将土压由240 kPa加大至260 kPa,盾构机推力由25 MN逐步增加至30 MN，扭矩由6 500 kN·m增加至10 000 kN·m，同时增大了加水量。如图2所示，在第266环土层的掘进过程中，地面在第260环(刀盘位置为第264环)隧道右侧出现冒泡沫的现象。现场及时采用沙袋进行了围蔽，同时采用篷布进行遮盖，并采用消泡剂消散及斗车进行清运[6-7]。

2) 刀盘结泥饼：在第276环—第277环的掘进过程中推力及扭矩明显增加，推力最大达到31 MN，扭矩最大达到11 MN·m。掘进过程中速度波动较大，且皮带上有大块泥团，怀疑土仓内有结泥饼的现象。随后停机对土仓内加入51.3 m3的分散剂水溶液进行泡仓处理，泡仓13 h后恢复掘进。恢复后掘进参数有所好转，推力降低至21 MN，扭矩降低至800 MN·m，速度较稳定。由于第277环泡仓后土仓内存在大量的分散剂水溶液，渣土较稀，出土量不易计算，通过理论计算第278环超方10.8 m3。为了确保地面安全，停机进行地面隐患排查工作。在地面第276环—第278环对应的刀盘位置(第280环—第282环)进行钻孔排查，发现地层较密实，未发现空洞，此时注入水泥浆3.2 t。后续通过带压开仓，验证了结泥饼的判断。

3 下穿段数值模拟结果及分析

3.1 三维计算模型的建立

利用MIDAS-GTS有限元分析软件，根据圣维南原理和实际需要，为消除边界效应，建立下穿段三维计算模型。模型计算范围为360 m×240 m×80 m(长度×宽度×高度)，如图3所示。

三维计算模型单元总数158 432个，节点总数 268 440个。计算模型网格划分见图3。模型采取的边界如下：① 上边界取至地面，为自由面；② 其余边界采用固定位移边界，其中4个侧面地层边界限制水平位移，下边界限制竖向位移。

3.2 计算结果分析

沿线三层砖房基础的沉降云图见图4。

根据表3，对1#、2#、3#、7#砖房再次进行补强注浆，确保穿越过程中建筑物安全。

表3 沿线三层砖房最大沉降和基础倾斜汇总

4 下穿段监控量测结果及分析

盾构机穿越过程中存在地面及房屋沉降的风险。采用人工观测手段对地表沉降及建筑物沉降进行监测，同时进行全天不间断巡视观察，掌握盾构机穿越建筑物群时周边环境的变形情况，以指导施工，亦为盾构安全穿越提供及时、准确的监测数据支撑。盾构机下穿建筑物群期间的建筑物沉降、地表沉降、地中位移见图5—图7和表4。

比较表3与表4中的建筑物沉降，可以明显判断通过二次补强注浆的1#、2#、3#、7#砖房沉降较小，沉降得到了有效控制，验证了数值模拟的有效性。5#砖房沉降偏差约-7.80 mm、8#砖房沉降偏差约7.08 mm，考虑为模型地层选择与实际地层偏差(5#砖房下方实际地质条件较差，与地勘报告存在一定偏差)，即地层不均匀性导致，也可能是盾构机穿越5#砖房过程中参数未及时调整或注浆不及时所致。盾构机穿越建筑物群期间建(构)筑物沉降、地表沉降，以及土体分层竖向位移均在设计要求的控制范围内。目前，各个监测点变化速率均较小，且盾尾脱出后监测点变形趋于收敛，整体处于安全可控状态。