富水砂层盾构下穿老旧村庄沉降控制研究

陆宏朝，李 鹏，郭 峰，李军锋，侯建林，郑选荣

（1、中铁北京工程局集团有限公司 合肥 230088；2、西安科技大学建筑与土木工程学院 西安 710054）

近些年来，随着城市轨道交通的飞速发展，城市地铁线路愈发密集，新的地铁隧道建设过程中不可避免要下穿一些老旧村庄建筑群，这些年代较为久远、没有严格按照规范进行设计、施工的老旧村庄，对沉降变形十分敏感。当盾构下穿引起地层损失后，极易引起建筑物开裂、不均匀沉降、倾斜等危害。部分区域以自稳性差的富水砂层为主，地层的复杂进一步加大了盾构施工的难度与风险。为此，富水砂层盾构下穿老旧村庄施工过程中，必须采取有效的沉降控制措施，以确保盾构顺利、安全、高效地掘进。

针对盾构下穿引起的建筑物不均匀沉降以及地表沉降等问题，国内外许多学者都进行了研究。PECK［1］基于对大量数据进行分析，提出了著名的PECK 公式，假定地表横向沉降槽呈正态分布；雷江松［2］对盾构隧道注浆加固进行分析，提出上下隧道工程应采取注浆加固保护手段，控制并减小施工对既有隧道的影响，上隧道施工时，下隧道的注浆加固范围应尽可能加大；贾小伟等人［3］认为盾构穿越桩基础时，桩基会抑制土体竖向位移，使其变形曲线为“蝴蝶状”；徐林等人［4-5］对盾构穿越建、构筑物的影响规律进行研究，发现建筑的倾斜值、最大沉降量以及最大扭矩与两建筑物间的净距和隧道的深度有着密切联系，相邻建、构筑物间存在保护现象；赵星等人［6］通过数值模拟手段对隧道侧穿建筑物进行研究，随着刀盘距离建筑物越来越近，盾构对建筑物的影响越来越大，建筑物发生的变形也越来越大，主要变形表现为建筑物的沉降；卢鹏等人［7］研究认为建筑沉降与地表沉降规律相近；余涛［8］通过有限元分析盾构下穿密集房屋群时，不同盾构推力以及注浆压力对地表和房屋位移变化的规律；陈仁朋等人［9］通过有限元模拟，研究建筑物变形与地层变形间的相互作用关系；岳鹏飞等人［10］通过建立桩基-土体-隧道共同作用的有限元模型，分析在建筑物荷载作用下地层沉降规律以及桩基受力特性。国内外学者对盾构下穿引起建筑物的沉降的研究多通过理论分析、有限元模拟以及现场监测的方式找道盾构开挖引起的沉降规律，随后采取相应的施工控制措施减少沉降量。但是针对富水砂层等软弱地层，研究一套系统的盾构村庄下穿老旧村庄沉降控制方法还并不多见。

本文以西安地铁16号线一期某区间工程为依托，对富水砂层盾构下穿老旧村庄村将控制技术进行研究，通过地质勘测、有限元模拟、现场监测以及停机注浆相结合的方式，形成一整套盾构下穿老旧村庄的沉降控制方法，总结施工经验，以期为类似地层盾构施工提供实操经验。

1 工程概况

西安地铁16号线某盾构区间隧道全长1 678.148 m，左右线间距14～17 m，设计隧道地板埋深介于16.63～29.57 m，相应高程为361.14～376.70 m。区间地层从上到下主要为素填土、细砂、中砂、粉质粘土；地下水稳定埋深14.2～20.0 m。区间隧道拟采用盾构法施工，开挖直径6 480 mm。稳定地下水位埋深11.0～16.2 m。盾构与村民楼的位置关系如图1所示。盾构穿越的房屋为砖混结构，层高3.3 m，房屋由前1 层后3 层组成，基础为浅基础，基础埋深2～3 m，隧道埋深15 m。由于房屋高低不一，对沉降较为敏感。盾构区间距离地表比较接近，盾构施工对村民楼影响较大，存在较大的施工风险。

图1 盾构与村民楼的位置关系图Fig.1 Position Relationship between Shield and Village Building （m）

2 沉降控制关键技术

2.1 风险评估

根据现场地质条件，结合有限元软件模拟富水砂层区域，盾构下穿老旧村庄的全过程。并根据数值模拟的结果，评估盾构下穿老旧村庄施工过程中的风险以及对周边环境的影响。

2.1.1 盾构下穿老旧村庄有限元模拟

为评估盾构下穿老旧村庄对周边环境及地表沉降的影响，采用有限元软件MIDAS-GTS NX 建立西安地铁16 号线某盾构区间下穿老旧村庄的三维有限元模型，模型尺寸取为108 m×93 m×60 m（长×宽×高）。隧道内径5.5 m，外径6.2 m。隧道埋深为15 m，左右线竖向轴线间距17 m。村民楼基础为柱下独立基础，柱截面边长500 mm，柱长2.5 m。有限元模型中从上到下地层依次为素填土、细砂、中砂、粉质粘土。根据上述资料建立数值计算模型如图2所示。

图2 房屋及其基础模型Fig.2 Housing and Its Foundation Model

土层、注浆层采用3D 实体单元模拟，盾构管片、盾壳利用软件功能形成的2D 板单元模拟。土层采用摩尔库伦本构关系，构筑物及盾构结构均采用弹性本构关系。利用实体单元建立建筑、土体与衬砌，实体单元能够在软件中对塑性区进行可视化处理，直观地判断建筑变形的危险之处。有限元模型中各土层参数如表1所示，结构参数如表2所示。

表1 土层计算参数Tab.1 Calculation Parameters of Soil Layer

表2 盾构支护参数Tab.2 Shield Support Parameters

2.1.2 数值模拟结果分析

为评估盾构下穿对老旧村庄周边环境的影响，主要需要监测盾构下穿过程中地表沉降的变化。为了分析盾构施工过程中左右线开挖对地表沉降的变形的影响，选取一横向断面进行地表沉降监测，监测断面选取如图3所示，沉降监测结果如图4所示。

图3 监测断面选取示意图Fig.3 Schematic Diagram of Monitoring Section Selection

由图4 可知，右线开挖引起了左线周围土体沉降的进一步增大。当右线隧道贯通后，左线的沉降由原先的-7.63 mm 增长到-11.24 mm，后行开挖对先行开挖隧道周围土体产生的沉降值达到原有沉降的43.3%，由此可见后行开挖的隧道对先行隧道周围土体的二次扰动不可忽视。当左右线都贯通后，左右线的最大沉降均发生在隧道轴线上，最大沉降值为-11.24 mm。综上可知，在富水砂层盾构下穿老旧村庄施工过程中，左右线的正上方沉降最大，风险最大，且后行线开挖引起先行线周围土体的二次扰动也需要引起重视，需提前做好预防措施，确保盾构施工安全。

图4 横断面地表沉降Fig.4 Surface Subsidence of Cross Section

2.2 现场监测

采用地质沉降监测系统监测老旧村庄的地质沉降，地质沉降监测系统包括传感器终端、监测基站、服务器、中央控制器和报警器，在勘测范围内，均匀布设多个传感器终端，传感器终端与监测基站通讯连接，监测基站再与服务器、中央控制器等连接，并在中央控制器中预设地质沉降报警阈值，最终形成完整的自动化监测体系，自动化监测仪器如图5 所示。通过对监测结果进行分析，评估施工环境是否达到施工要求，若未达到施工要求，暂停施工，对盾构机附近富水砂层进行抽水注浆处理。

图5 自动化监测Fig.5 Automated Monitoring

2.3 停机抽水注浆

当施工环境不满足施工要求是，需要暂停施工，通过对盾构机进行抽水注浆处理，抽出砂层中的水，并在空出区域注入泥浆，在重新监测地质沉降，直到满足施工要求。

2.3.1 注浆前停机处理

⑴根据超前注浆施工要求，需要准备的设备和材料有钻机、双液注浆泵、双浆液（水泥浆液水灰比1∶1；水玻璃40波美度1∶1稀释）、膨润土泵、盾构膨化好的纳基膨润土（黏度设置为60～70 s）以及钻孔平台搭设所需要的手脚架等零件。

⑵在盾构机四周预留12 个超前注浆孔，超前注浆孔位置如图6所示。盾构机上预留的超前注浆孔直径为100 mm，选用钻头和钻杆直径均为42 mm，单节钻杆长2.0 m。

图6 预留注浆孔位置Fig.6 Position of Reserved Grouting Hole

⑶土仓内注浆保压：为了维持土仓压力，确保顺利开仓，以及防止超前注浆压力太大对盾体造成危害，需要对土仓内进行注浆处理，且注浆过程中反转螺旋机，确保盾体不被水泥浆凝固。

2.3.2 抽水注浆施工

⑴钻孔施工：控制好钻杆的倾斜角度、钻杆长度，确保钻杆能到达预定的深度。

⑵抽水注浆施工：采用分步抽水和注浆处理，将注浆管穿入砂层中，抽出砂层中的水，在使用双液注浆泵向砂层注入浆液。钻杆内注浆管端部封堵，注浆管周面设置有主通孔a 和副通孔b，主通孔和副通孔均在注浆管周面上均匀设置多个，注浆管横截面如图7 所示。设置的主通孔的尺寸大于副通孔的尺寸，当通过注浆管1 进行注浆时，主通孔尺寸大于副通孔尺寸，泥浆从主通孔喷出的速度小于从副通孔喷出的速度，则泥浆从主通孔喷出的距离和深度小于从副通孔喷出的距离和深度，以对不同距离和深度处进行注浆处理，注浆范围更全面。注浆结束后及逆行封孔处理，待重新监测地质沉降程度处于允许范围时，继续进行盾构机的掘进施工。

图7 注浆管横截面Fig.7 Cross Section of Grouting Pipe

通过这套系统的沉降控制措施，确保盾构下穿富水砂层老旧村庄的掘进施工效率和安全性。

3 结论

⑴双线盾构施工时，后行线施工对先行线隧道周边土层的二次扰动较大，施工过程中不可忽视二次扰动对地表建筑的影响，需要提前做好预防措施，避免危险发生。

⑵富水砂层地区，盾构下穿老旧村庄施工时，因砂层自稳性差，易造成较大的地层损失，且穿越房屋密集的村庄时，地面环境复杂，难以满足地面加固施工条件，为此采用洞内超前注浆加固，实际施工表明，加固效果良好。

⑶采用洞内盾构超前注浆，因注浆压力大，操作不当会引发盾构机设备损坏，水泥浆液冻结盾体等风险，需要加强施工前的专业技术交接和施工过程管理。