盾構(gòu)隧道下穿建筑物控制技術(shù)和監(jiān)測(cè)

李 海

(中鐵十三局集團(tuán)有限公司，長(zhǎng)春 130033)

誠(chéng)然，盾構(gòu)法修建隧道對(duì)周圍土體擾動(dòng)較小，有利于地面建筑物安全，還可減小對(duì)城市交通秩序的影響［1］。然而在蘇州、上海等東部沿海城市，由于地下水位高，又是淤泥質(zhì)軟土地層，下穿建筑物時(shí)采用盾構(gòu)法施工一般仍會(huì)對(duì)建筑物安全構(gòu)成威脅［2-5］。因此在地鐵施工過程中，必須采取有效工程對(duì)策，控制地層變形以減少盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)地表建筑物產(chǎn)生不利影響［6-7］。

1 工程特點(diǎn)

1.1 工程概況

在建蘇州地鐵一號(hào)線I-TS-05標(biāo)蘇州樂園站—塔園路站盾構(gòu)區(qū)間，單延米總長(zhǎng)度2 112.526 m，其中左線長(zhǎng)度1 066.076 m，右線長(zhǎng)度為1 046.450 m。由 2臺(tái)φ 6 340土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)在塔園路站西端始發(fā)，左右線分別掘進(jìn)，平均日進(jìn)尺8 m/d，到達(dá)蘇州樂園站。

區(qū)間隧道在里程 DK5+350—DK5+380從新區(qū)實(shí)驗(yàn)中學(xué)食堂下方穿過，隧道與建筑物平面、剖面關(guān)系如圖1、圖2所示。建筑物采用擴(kuò)大柱基礎(chǔ)，基底高程0.45 m，基底距離隧道結(jié)構(gòu)頂?shù)拇怪眱艟酁?0.66 m。

1.2 施工主要風(fēng)險(xiǎn)

隧道穿過⑤3粉質(zhì)黏土層，而且掘削面頂端處于④2粉砂層和⑤3粉質(zhì)黏土層交界地帶，并位于微承壓水位下。由于粉砂層透水性較強(qiáng)而粉質(zhì)黏土層透水性較弱，易在交界地帶積水從而形成流塑性地層。

區(qū)段處于曲線半徑350 m曲線上，已接近不安裝鉸接盾構(gòu)機(jī)的最小曲率，姿態(tài)控制存在下述困難:

1)曲線半徑越小，則糾偏量越大，糾偏靈敏度越低，軸線就比較難于控制。

圖1 區(qū)間線路與食堂平面關(guān)系

圖2 區(qū)間線路下穿剖面示意(單位:m)

2)曲線上左右油缸可用于姿態(tài)調(diào)整的油缸推力調(diào)整量很小，這就更加大了隧道軸線控制和糾偏的難度，稍有控制不當(dāng)，會(huì)形成蛇形掘進(jìn)。

3)盾構(gòu)機(jī)本身為直線形剛體，不能與曲線完全擬合，曲線上盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程中所穿越的孔洞將不再是理論上的圓形(實(shí)際為橢圓形)，實(shí)際挖掘量超出理論挖掘量，增加了地層不穩(wěn)定因素;同時(shí)，由于糾偏量較大，對(duì)土體的擾動(dòng)也大，地層損失量也增加，容易造成較長(zhǎng)時(shí)間的后期沉降。

綜合以上分析可以看出，區(qū)段水文條件復(fù)雜，且正好處于小曲率段，這都給盾構(gòu)施工控制增加了難度，稍有不當(dāng)可能引起地表沉降過大，造成建筑物開裂等極為不利的影響。

2 盾構(gòu)下穿施工及加固措施

2.1 地面加固措施

在實(shí)驗(yàn)中學(xué)食堂西側(cè)和北側(cè)，采用工程鉆機(jī)斜向鉆孔，鉆至獨(dú)立基礎(chǔ)底，區(qū)間隧道上方(高于隧道頂500 mm以上)，然后下入注漿袖閥管，如圖2、圖3所示。待盾構(gòu)區(qū)間施工至影響區(qū)后，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，必要時(shí)采取分層注漿，以補(bǔ)償?shù)貙油馏w缺失，達(dá)到控制沉降的目的。根據(jù)平面情況，共設(shè)24根注漿閥管。

圖3 實(shí)驗(yàn)中學(xué)食堂周邊袖閥管埋設(shè)

袖閥管注漿是在PVC管上鉆注漿孔作為注漿外管(即袖閥管)，注漿孔外用橡膠圈包好。注漿時(shí)把兩端都裝有密封橡膠塞的注漿芯管插入袖閥管，漿液在壓力作用下脹開橡膠圈進(jìn)入地層，逐次提升或下降芯管即可實(shí)現(xiàn)分段注漿。橡膠圈的作用是當(dāng)孔內(nèi)加壓注漿時(shí)，橡膠圈脹開，漿液從小孔中進(jìn)入土層，停止注漿時(shí)橡膠封閉，阻止土和地下水逆向進(jìn)入注漿管內(nèi)。

注漿參數(shù):注漿用水泥—水玻璃雙液漿。水泥漿水灰比為1∶1～1.2∶1，水泥漿與水玻璃體積比為 1∶1。注漿壓力 1.5～2.0 MPa，注漿速度 10～20 L/min，注漿步距為0.5 m，凝膠時(shí)間100～120 s。

注漿過程中，每段注漿完成后，向上或向下移動(dòng)一個(gè)步距的芯管長(zhǎng)度。每完成3～4 m注漿長(zhǎng)度，拆掉一節(jié)注漿芯管。注漿結(jié)束后，在注漿管上蓋上悶蓋，以便于復(fù)注施工。

2.2 盾構(gòu)下穿施工措施

1)勻速通過，減小擾動(dòng)。根據(jù)以往施工經(jīng)驗(yàn)，勻速通過能減小對(duì)地層擾動(dòng)，掘進(jìn)速度控制在30～40 mm/min。為此在通過建筑物前，盾構(gòu)機(jī)及其配套設(shè)施要進(jìn)行仔細(xì)檢修，確保通過時(shí)不出現(xiàn)機(jī)械故障。

2)嚴(yán)格控制出土量。從區(qū)間前段掘進(jìn)情況來看，在蘇州富水含砂地層中，土體膠結(jié)性較差，多出土極易形成地面局部較大沉降。通過建筑物期間，應(yīng)派專人監(jiān)控出土量，每環(huán)出土量控制在40 m3以內(nèi)。

3)保證同步注漿量。從前段施工注漿量統(tǒng)計(jì)結(jié)果來看，注漿量宜控制在4.0 m3左右，注漿壓力0.25 MPa，最大程度利用同步漿液填滿管片背后的空隙。同步漿液采用可硬性漿液，漿液配合比如表1所示。

表1 每m3同步注漿漿液材料用量 kg

4)及時(shí)進(jìn)行壁后二次補(bǔ)注漿(圖4)。二次補(bǔ)注漿采用水玻璃—水泥漿混合雙液漿。水玻璃采用39 Be'，水玻璃用水稀釋 1∶1，水泥漿水灰比為 1∶1，水泥漿與水玻璃體積比3∶1，雙液漿初凝時(shí)間15～20 s。

隧道壁后跟蹤補(bǔ)注漿必須在盾構(gòu)機(jī)過后且要在盾尾脫出管片5～7環(huán)時(shí)才開始。對(duì)襯砌圓環(huán)的3塊管片(拱底塊、左右標(biāo)準(zhǔn)塊)進(jìn)行壓漿，每隔1～2環(huán)壓漿一次，注漿壓力控制在0.3～0.5 MPa之間，平均每環(huán)管片注漿量控制在1.0 m3左右。壓力過小，漿液不能充滿土間空隙，沉降會(huì)持續(xù)下去穩(wěn)定時(shí)間過長(zhǎng)，對(duì)建筑物造成不利影響。壓力過大，會(huì)使管片產(chǎn)生變形，影響了隧道成形質(zhì)量。

圖4 隧道壁后二次補(bǔ)壓施工

5)掘進(jìn)參數(shù)的控制。盾構(gòu)機(jī)下穿實(shí)驗(yàn)中學(xué)食堂范圍共40 m，實(shí)際環(huán)數(shù)565～599環(huán)。地下掘進(jìn)時(shí)嚴(yán)格控制掘進(jìn)參數(shù)，并將掘進(jìn)情況及時(shí)上報(bào)地面，地面值班人員負(fù)責(zé)采集施工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，認(rèn)真分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)調(diào)整施工參數(shù)，與地下保持持續(xù)的動(dòng)態(tài)信息傳遞。

施工過程中當(dāng)盾構(gòu)施工至563環(huán)時(shí)，密封倉(cāng)設(shè)定土壓力由原0.18 MPa(采用公式 P0=K0(γh+q)，K0取值1.1)調(diào)整為0.21 MPa(K0取值1.3，考慮上部房屋荷載)，同時(shí)將同步注漿方量調(diào)整為4.0 m3繼續(xù)推進(jìn)。推進(jìn)至566環(huán)時(shí)，根據(jù)監(jiān)測(cè)信息反饋上部地表有的地方沉降量達(dá)到了5 mm，經(jīng)分析原因可能是房屋荷載因素考慮過小，立即對(duì)推進(jìn)土壓力進(jìn)行重新設(shè)定，由原0.21 MPa(K0取值1.3)調(diào)整為0.22 MPa(K0取值1.35)再次試推，變形量得到控制，保持在 +1～－2 mm之間。由此可以看出，土壓力系數(shù)K0的取值對(duì)盾構(gòu)穿越建筑物時(shí)的施工至關(guān)重要。

3 施工監(jiān)測(cè)

3.1 監(jiān)測(cè)范圍及頻率

監(jiān)測(cè)范圍一般為盾構(gòu)機(jī)頭前20環(huán)，后30環(huán)。在盾構(gòu)距離建筑物50 m時(shí)開始加密監(jiān)測(cè)頻率直至跟蹤監(jiān)測(cè)，房屋周圍地表沉降、建筑物沉降、土體分層沉降為2次/d;當(dāng)盾構(gòu)距離建筑物20 m時(shí)，對(duì)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目以4次/d頻率進(jìn)行監(jiān)測(cè);當(dāng)盾構(gòu)距離建筑物5 m時(shí)，對(duì)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目進(jìn)行全天候高頻率監(jiān)測(cè)，直至盾構(gòu)穿過建筑物5 m;當(dāng)盾構(gòu)離開建筑物5～20 m時(shí)，仍然以4次/d頻率進(jìn)行監(jiān)測(cè);當(dāng)盾構(gòu)位于建筑物20 m以外時(shí)，監(jiān)測(cè)頻率恢復(fù)正常。

3.2 測(cè)點(diǎn)布置

沿隧道推進(jìn)方向，在距離建筑物30 m范圍內(nèi)沿隧道中心線布置地表沉降觀測(cè)點(diǎn)。為了解土體內(nèi)部的深層沉降，在位于建筑物周圍的隧道中心線及其左右布置分層沉降管。在建筑物四周的墻角及部分立柱上布置建筑物沉降觀測(cè)點(diǎn)，用以觀測(cè)建筑物的沉降，如圖5所示。

圖5 建筑物沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

3.3 管理報(bào)警值及監(jiān)測(cè)結(jié)果

根據(jù)隧道穩(wěn)定性及建筑物安全相關(guān)規(guī)程要求，設(shè)定管理報(bào)警值為:地表累計(jì)沉降報(bào)警值為±20 mm，單次沉降報(bào)警值為±3 mm;建筑物累計(jì)沉降報(bào)警值為±30 mm，單次沉降報(bào)警值為±3 mm。

盾構(gòu)通過后中學(xué)食堂的11個(gè)建筑物監(jiān)測(cè)點(diǎn)中累計(jì)沉降最大值為9 mm，累計(jì)沉降超過10 mm的監(jiān)測(cè)點(diǎn)為0，超過5 mm的監(jiān)測(cè)點(diǎn)3個(gè)。

盾構(gòu)推進(jìn)拼裝至700環(huán)時(shí)，隧道已經(jīng)成功地穿越了中學(xué)食堂主要范圍，從監(jiān)測(cè)信息來看，變形控制在建筑物允許變形－10 mm≤S≤+4 mm。通過上述積極有效的措施，盾構(gòu)成功下穿了實(shí)驗(yàn)中學(xué)食堂，施工情況基本在預(yù)定措施的控制范圍之內(nèi)。雖然通過地下掘進(jìn)參數(shù)控制、跟蹤注漿的方式已經(jīng)使盾構(gòu)順利通過建筑物，但地面加固保護(hù)的方法仍不失為盾構(gòu)穿越建筑物施工的一道保險(xiǎn)工序，更好地為盾構(gòu)的穿越提供了安全保障。

4 結(jié)論

自2010年2月2日晚右線盾構(gòu)開始從正下方穿越蘇州新區(qū)實(shí)驗(yàn)中學(xué)食堂，于2010年2月5日中午順利通過中學(xué)食堂影響范圍。

在整個(gè)盾構(gòu)下穿建筑物推進(jìn)過程是相當(dāng)成功的，通過控制技術(shù)和監(jiān)測(cè)結(jié)果的分析，得出如下結(jié)論:

1)穿越前可選取30～50環(huán)作為正式下穿試驗(yàn)段，以確定并優(yōu)化下穿時(shí)的各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)，特別是盾構(gòu)前方土壓力設(shè)定值，保證正面土體穩(wěn)定和平穩(wěn)穿越。

2)通過重要建筑時(shí)須加強(qiáng)沉降觀測(cè)頻率，并根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)調(diào)整盾構(gòu)推進(jìn)參數(shù)，如土壓力、掘進(jìn)速度、出土量等。

3)盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)的建筑物保護(hù)，同步注漿是關(guān)鍵。必須確保同步注漿方量，可比正常情況略多。太多可能造成盾尾漏漿，效果適得其反，因此也要加強(qiáng)盾尾密封系統(tǒng)管理。

4)根據(jù)監(jiān)測(cè)資料及時(shí)進(jìn)行二次補(bǔ)壓漿，控制好建筑物的后期沉降和不均勻沉降，特別是不均勻沉降的控制是保護(hù)建筑物的關(guān)鍵。

5)不但要做好地下掘進(jìn)控制措施，還要做好對(duì)建筑物的地上應(yīng)急保護(hù)工作，這樣才能更好地保證建筑物的安全。

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