地鐵盾構區(qū)間側穿建筑物施工控制技術

張亞勇，薛新枝

(1.蘇州軌道交通有限公司，江蘇蘇州 215003;2.鄭州市軌道交通有限公司，鄭州 450046)

地鐵盾構區(qū)間側穿建筑物施工控制技術

張亞勇1，薛新枝2

(1.蘇州軌道交通有限公司，江蘇蘇州 215003;2.鄭州市軌道交通有限公司，鄭州 450046)

為保證地鐵沿線建筑物的安全，對近距離側穿建筑物的地鐵盾構區(qū)間隧道施工，從設備選型、掘進參數(shù)、同步注漿與二次注漿等方面進行分析與控制，地表隆沉最大值分別為0，-9.8 mm，建筑物隆沉最大值分別為5，-2.8 mm，地表沉降值與建筑物沉降值均控制在目標值范圍內，保證了地鐵沿線建筑物的安全。

地鐵;盾構隧道;下穿建筑物;施工

1 工程概況

蘇州火車站站—三醫(yī)院站區(qū)間盾構隧道自蘇州火車站站向西，以半徑410 m圓曲線左轉穿越蘇州火車站站場，然后依次以半徑450、350 m圓曲線沿廣濟路前進，最后以半徑350 m圓曲線到達三醫(yī)院站。線路線間距13.0～19.29 m。線路的基本走向為南北向。隧道縱坡呈"V"形，區(qū)間最大縱坡為15.309‰，最小縱坡為4.0‰。線路豎曲線與車站相連端采用3 000 m半徑，其余為5 000 m半徑，區(qū)間線路埋深9.1～17.5 m。設2處聯(lián)絡通道及1處廢水泵房。

左右線全長2 704.882 m，右線隧道盾構機由三醫(yī)院站始發(fā)，向火車站站方向掘進。沿線建(構)筑物密集，其中在右線隧道第26環(huán)～109環(huán)段近距離下穿第三人民醫(yī)院急診樓、社區(qū)服務中心、市立醫(yī)院發(fā)熱門診3處房屋。3棟房屋的建筑形式及與區(qū)間右線的位置關系見表1，平面位置關系見圖1。

表1 建筑物形式及與區(qū)間隧道的位置關系

本區(qū)間隧道土體上部為粉質黏土層，中部為中密狀粉土夾粉砂層，下部為軟～流塑狀粉質黏土層，地下水埋深6.7 m。

2 施工重難點

本區(qū)間線路在平縱斷面上大部分為曲線，且近距離穿越3處房屋，稍有不慎便會造成巨大的經(jīng)濟損失和嚴重的社會影響。因此，本工程施工重點就是保證沿線既有房屋的安全;區(qū)間施工的難點即主要任務是對施工過程進行控制，最大限度地減小隧道掘進過程中土體變形與地面建筑物的沉降，從而保證既有建筑物的安全。

3 施工過程控制

根據(jù)沿線工程地質與水文地質條件、地層特性、地面環(huán)境等因素及以往的施工經(jīng)驗，選用土壓平衡盾構施工，盾構機由三醫(yī)院站始發(fā)，向火車站站方向推進。根據(jù)盾構隧道施工的特點，減少隧道周圍土體變形、控制地面建構筑物沉降主要從設備選型、控制盾構掘進參數(shù)、調整同步注漿與二次注漿參數(shù)等方面著手［3-11］。

3.1 設備選型

3.1.1 刀盤選擇

盾構機刀盤的形狀主要有屬于敞開式的輪輻形與屬于封閉式的面板形兩種。因本區(qū)間隧道穿越的地層大部分為粉土夾粉砂及粉質黏土地層，土層自立性較差，且地下水位高、水壓力大，若選用輪輻形刀盤，則在掘進過程中容易發(fā)生噴水、噴泥現(xiàn)象，從而導致掘削面發(fā)生坍塌;而面板式刀盤的面板可直接支撐掘削面，具有擋土功能，有利于掘削面的穩(wěn)定。因此，本區(qū)間盾構機選用面板式刀盤。

但面板式刀盤在掘削含黏土的地層時，易發(fā)生黏土粘附面板表面妨礙刀盤旋轉，進而影響掘削質量;在砂質土層中掘進時，因土顆粒間的摩擦角大故磨擦阻力大，土體自身的流動性、抗?jié)B性均較差，在無其他措施的情況下，掘削面穩(wěn)定也極其困難。若對掘削面土體注入添加材，使開挖面處作為支撐介質的土體的塑性、流動性、防滲性和彈性等得以改進，從而使開挖土層得到改良，可確保掘削土的流動性、止水性，使掘削面穩(wěn)定，并可減少盾構機掘進驅動功率，同時也可減少刀具的磨損。因此，在刀盤上鉆頭前端加設了5個添加劑注入口(中心軸部設1個，刀盤外周部設4個)，用以向盾構機開挖室中注入添加材。另外，因添加材注入口直接與泥土接觸，故在注入口設置防護頭和逆流防止閥，以防止泥土和地下水涌入開挖室。

3.1.2 螺旋輸送機

螺旋輸送機作為控制密封艙壓力的關鍵部件，對其密封性能有很高的要求，為防止在地下水位較高，水壓較大地層中掘進時，螺旋輸送機的密封性不好而發(fā)生噴涌水、噴涌砂現(xiàn)象，采用了止水性能好的有軸式螺旋輸送機，并對螺旋輸送機設置了2道防水閘門。

3.1.3 盾尾密封刷

為防止周圍地層的土砂、地下水、管片背后注入漿液、開挖面的泥水、泥土等從盾尾間隙流向盾構機體內，在盾尾設置了3道密封刷。密封油脂由12條管路壓送到3排盾尾密封刷與管片之間形成的2個腔室中，以防止注射到管片背后的漿液及地下水等進入盾體內。

3.2 盾構掘進參數(shù)控制

土壓平衡盾構機施工中切削面穩(wěn)定的機理［1，2］是:在盾構推進時其前端刀盤旋轉掘削地層土體，切削下來的土體進入土艙，當土體充滿土艙時，其被動土壓與掘削面上的土、水壓基本相同時掘削面實現(xiàn)穩(wěn)定。若盾構推力過大、推速快、出土率小，土倉壓力則增大，這將對掘削面產(chǎn)生擠壓而使掘削面隆起和前移，從而引起地面隆起;若盾構推力過小、推速慢、出土率大，土倉壓力則變小，這將引起掘削面的塌陷，從而引起地面沉降。另外，盾構姿態(tài)也是引起地面隆起或沉降的重要因素。因此，為了更好地控制地面隆起與沉降量，主要從土倉壓力、出土量及掘進過程中的盾構姿態(tài)3方面進行控制。

3.2.1土壓力控制

圖1 區(qū)間隧道與地面建筑物平面關系(單位:m)

根據(jù)各段隧道的埋深、地層地質情況、地下水位、區(qū)間上方地面車輛荷載等，綜合計算土倉壓力理論值為0.18 MPa，施工過程中土壓力值設置略高于理論計算值，使刀盤前方土層有較小的隆起，隆起量控制在2 mm左右，隨著盾構機的通過與土體的固結，隆起值回落，并開始緩慢沉降。施工時土倉壓力設置高于理論值約0.01 MPa，施工過程中根據(jù)線路埋深與地層地質情況的變化，及地面隆沉的監(jiān)測數(shù)據(jù)，不斷調整土壓力設定值，并通過調整刀盤扭矩與總推力，來調整土倉壓力。整個施工中土倉壓力控制在0.18～0.22 MPa。

停機狀態(tài)處理(停機保壓):當盾構機掘進完第7環(huán)，完成洞門封閉注漿后正值春節(jié)，停機當天上午土倉壓力為0.18 MPa，中午11點土壓力降至0.14 MPa，為確保掘削面穩(wěn)定、控制好地表沉降，并保證節(jié)后盾構機能正常運轉，及時將盾構機向前頂進建立土壓至0.20 MPa后停機。假日期間，派專人值守，對盾構機狀態(tài)進行了監(jiān)測，根據(jù)土壓力下降情況，采取了每隔4～5 h盾構機向前頂進建立土壓至0.20 MPa，并嚴格保證土壓力不小于0.14 MPa的措施。根據(jù)地表沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，停機6 d內，采取間隙推進保壓的措施，地表沉降量被控制在+2～-3 mm之間，控制效果較好。地表沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)見圖2。

圖2 春節(jié)期間停機6 d地表沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)

3.2.2 出土量控制

土壓平衡盾構機的排土機構由螺旋輸送機、排土控制器組成。盾構掘進時，在相同推進速度的情況下，出土量直接影響到土倉壓力值，因此，應根據(jù)開挖直徑、開挖進尺、巖土損失及巖土松散系數(shù)(取1.3～1.4)計算出理論出土量，施工中將實際出土量與理論出土量進行比較，做到出土量與進尺量平衡，施工中將出土量控制在98%～100%。當實際出土量與理論出土量相差較大時，及時分析原因做出調整，防止超挖造成地表沉陷。

根據(jù)實際施工經(jīng)驗，主要采取以下兩種方法來控制出土量:一是將螺旋輸送機的轉速調整到一定值，保持出土量基本不變，然后根據(jù)土艙內的土壓計和刀盤的掘削扭矩的監(jiān)測儀表控制盾構推力和推進速度，以達到排土量與掘土量的平衡;二是將盾構的掘進速度調整到某一定值，保持掘土量基本不變，然后由設置在螺旋輸送機內的土壓計的實測值控制螺旋輸送機的轉速，以控制出土量，從而達到排土量與掘土量的平衡。也可根據(jù)實際情況，兩種方法結合使用。

3.2.3 盾構姿態(tài)控制

區(qū)間線路在平面上處于左轉的曲線上，縱斷面上于第8環(huán)開始變坡，一直到63環(huán)變?yōu)?5‰的下坡。因盾構機在平面和縱斷面線路上均處于曲線段，且盾構所處地層上硬下軟，盾構姿態(tài)較難控制，最初盾構司機未掌握此地層中盾構姿態(tài)變化規(guī)律，在掘進至第34環(huán)時，盾構機出現(xiàn)了“磕頭”現(xiàn)象。針對實際情況，及時進行了糾偏。并總結經(jīng)驗如下。

(1)盾構推進時將偏離量控制在規(guī)定允許偏離量的50% ～80%，并在該范圍內修正偏離，進行推進管理。

(2)方向修正時，先把方向角變化量或者掘削面至盾尾偏移的變化量換算成上下左右推進千斤頂行程的變化量。推進中的方向變化，可通過行程計測得的各區(qū)千斤頂?shù)男谐滩睢⑼勇莘轿唤堑淖兓?、傾斜計的縱向角等參數(shù)的變化掌握。監(jiān)視這些推進數(shù)據(jù)與目標值的對比結果，調整各區(qū)千斤頂?shù)耐屏?，控制盾構機的推進方向。

(3)在方向控制時，必須隨時掌握盾構在推進方向上的偏離量，按可以把偏離量拉回到控制值以內的原則設定方向修正量，即使超過管理值也可以考慮先修正幾米的原則進行方向控制，避免強糾猛糾與糾偏過度而反復糾偏。

(4)有條件進行試驗段施工時，應通過試驗段施工總結管片脫出盾尾穩(wěn)定后的上浮量或下沉量，以便在盾構機推進時在縱斷面豎向設置相應的預偏量。

(5)在修正盾構方向的同時，還必須慎重地進行管片組裝管理。在曲線地段推進，每環(huán)管片組裝后，均應測量管片與盾尾板的間隙，如果尾隙過小，會導致管片無法組裝，同時接頭錯位，縫隙增大，致使漏水，且易導致管片自身出現(xiàn)裂紋等損傷。因此，為滿足盾構方向修正的需要，必須使用楔形管片修正隧道軸線方向。

(6)施工時在滿足規(guī)范要求的基礎上，根據(jù)實際情況適當提高測量頻率，測定盾構隧道的軸線偏移情況，根據(jù)測量數(shù)據(jù)分析盾構姿態(tài)，及時采取糾偏措施，避免誤差累積，平穩(wěn)地控制盾構推進的軸線，確保盾構機姿態(tài)與隧道姿態(tài)符合線型要求。

3.3 注漿控制

3.3.1 同步注漿

對砂質土及軟黏土等地質條件，盾構掘進時若不及時進行同步注漿，則管片不能被周圍土體固定，盾構千斤頂?shù)耐屏o法準確地傳向后方，由此將帶來管片的變形，隧道軸線的移位，且因尾隙的維持時間較短，引起地層的沉降，因此，必須及時進行管片背后注漿。同步注漿的質量主要從漿液性能(流動性、稠度、析水率、凝膠時間、漿液強度等)、注漿壓力與注漿量等方面進行控制。

異位發(fā)酵床的糞尿處理工藝如圖1所示，豬舍中的糞污通過排糞溝直接進入集糞池中，通過切割攪拌機進行攪拌處理，避免沉淀等問題發(fā)生。糞污切割泵進行打漿，將其抽送到噴淋池中，隨后將糞污均勻噴灑到異位發(fā)酵床上，然后進行微生物發(fā)酵劑的添加，將墊料跟糞污混合進行發(fā)酵處理，分解豬糞，并進行臭味的有效消除[2]。噴淋機往返噴淋糞污，且翻堆機能進行混合墊料的及時供給，這樣也能夠完成豬糞污的有效處理，并將墊料轉變?yōu)橛袡C肥，為養(yǎng)殖人員帶來良好的經(jīng)濟效益。

(1)漿液原材料及配比

參照相鄰區(qū)間的施工經(jīng)驗，并根據(jù)本區(qū)間地質情況及周邊環(huán)境情況，注漿采用新型改良漿液(準厚漿)，原材料主要為消石灰、膨潤土(鈉基)、粉煤灰(Ⅱ級)、中細砂、外加劑(減水)、水等，配比見表2。

表2 同步注漿漿液配比與原材料指標 kg

漿液性能指標:漿液坍落度初始值控制在24～26 cm，2 h內不低于24 cm;稠度10～13 cm;凝結時間14 h;抗壓強度 R7=0.7 MPa，R28＞1 MPa;密度 1.82 g/cm3。

(2)注漿量及注漿壓力

注漿壓力通常選用地層阻力強度與注入條件(漿液性質、噴出量及注入工法等)決定的附加項的和，若注漿壓力小于地層阻力強度，則漿液無法壓入，但若注漿壓力過大，則管片封頂塊的螺栓可能被剪斷，故注漿壓力一般設定為地層阻力強度加上0.1～0.2 MPa。本區(qū)間施工時同步注漿壓力控制在0.5 MPa以內。

注漿量不僅與管片背后空隙量有關，還與注入壓力、土層性質及施工損耗等因素有關，本區(qū)間施工開始同步注漿注入率按220%。根據(jù)本區(qū)間現(xiàn)場實踐，發(fā)現(xiàn)盾構機同步注漿自動計量系統(tǒng)所顯示的注入量(面板顯示注入量)和實際拌漿量有所差異，界面顯示注入量比實際拌漿量多0.5～1 m3/環(huán)。鑒于此，同步注漿量控制以實際拌漿量控制為主，操作界面顯示量控制為輔。洞門注漿封閉結束后，同步注漿從+5環(huán)開始起注，在控制注漿壓力不超過0.5 MPa的前提下，每環(huán)定量注入準厚漿3 m3，并根據(jù)地表監(jiān)測數(shù)據(jù)反應的地面沉降量對注漿量進行不斷地調整。由監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)從第5環(huán)至18環(huán)沉降量逐步增大，經(jīng)過分析決定從第22環(huán)開始將每環(huán)注漿量調整至3.5 m3(注入率為254%)，注漿量調整后地面沉降量逐步減小，為更好地控制沉降，從47環(huán)開始將注漿量調整至3.8 m3(注入率為276%)，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，調整注漿量后地面沉降被控制在4 mm以內。地面沉降監(jiān)測結果見圖3。

圖3 地面沉降與同步注漿量關系

(3)注漿施工注意事項

3.3.2 二次注漿

因1～4環(huán)處于洞門端頭加固區(qū)內，土體自立性較好，施工中未進行同步注漿，須進行二次注漿補充管片外空隙，其余管片背后因同步注漿漿液的凝固發(fā)生體積縮減，以及因地層特性等因素造成的管片背后空隙未被完全填充等，須通過管片上的注漿孔對管片背后進行二次跟蹤注漿。二次注漿采用水泥水玻璃雙液漿。根據(jù)地層情況及實驗結果，確定注漿參數(shù)如下。

(1)漿液配合比

水∶水玻璃=3∶1(質量比) 水泥漿水灰比=1∶1(質量比)

水泥漿∶水玻璃=1∶1(體積比)

(2)注漿量及注漿壓力

1～5環(huán)二次注漿量30 m3，從第6環(huán)進行二次跟蹤注漿。注漿順序為每一環(huán)管片的左下和右下，隔環(huán)的左上和右上，平均每環(huán)注漿1.0 m3。注漿壓力0.3～0.4 MPa。每環(huán)注漿采用注漿量與注漿壓力雙控，以保證注漿質量。

4 施工過程控制結果

地面沉降控制目標:地面單次最大隆起小于2 mm，地面累計隆起量小于5 mm;地面單次最大沉降量小于3 mm，地面累計沉降量小于15 mm。建筑物沉降控制目標:

圖4 區(qū)間右線與建筑物監(jiān)測點布置

建筑物累計隆起量5 mm，累計沉降量10 mm;建筑物豎向傾斜率控制在2‰以內。

4.1 地表沉降

盾構近距離穿房屋段地表累計沉降值見圖3，從圖3中可見盾構穿越后，地表無隆起，累計沉降量最大為9.8 mm，在控制目標范圍內。

4.2 建筑物沉降

對盾構穿越的建筑物主要進行沉降、傾斜及裂縫的監(jiān)測［12］。建筑物沉降主要使用水準儀對承重墻、柱及基礎進行觀測;用經(jīng)緯儀對其傾斜度進行觀測;并通過肉眼對建筑物是否發(fā)生裂縫進行觀測。醫(yī)院急診樓、社區(qū)服務中心、發(fā)熱門診樓監(jiān)測點布置見圖4。各建筑物累計沉降值見表3。由表3可看出，3幢房屋隆沉最大的為社區(qū)服務中心，最大隆起量為5 mm，最大沉降量為-2.8 mm，在控制目標范圍內，建筑物豎向傾斜率均被控制在1‰以內，通過觀測3座建筑物均未發(fā)現(xiàn)墻面裂縫，建筑物的使用安全未受到影響。

表3 建筑物累計沉降值

5 結語

通過對盾構區(qū)間施工過程進行控制，尤其是對停機狀態(tài)下的土倉壓力控制、在盾構機出現(xiàn)“磕頭”現(xiàn)象時結合管片姿態(tài)的調整對盾構姿態(tài)逐步糾偏、及對注漿漿液質量的控制，使得三棟房屋最終沉降量與傾斜值均控制在目標值范圍內，保證了沿線建筑物的安全。由此可見，本區(qū)間施工設備選型合理、掘進參數(shù)控制得當、注漿施工參數(shù)設置合理可行，過程控制措施有效。本區(qū)間施工各項參數(shù)設置與過程控制措施可作為同類地層盾構施工的參考。

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Control Technique of the Construction of Metro's Shield Tunnel Laterally Passing through Buildings

ZHANG Ya-yong1，XUE Xin-zhi2
(1.Suzhou Rail Transit Co.，Ltd.，Suzhou 215003，China;2.Zhengzhou Rail Transit Co.，Ltd.，Zhengzhou 450046，China)

To ensure the safety of the buildings along the metro，the construction of metro's shield tunnel section laterally passing through buildings in short distance are analyzed and controlled in respects of equipment selection，tunneling parameters，synchronous grouting and secondary grouting.The conclusion is drawn that the ground settlement values are in the scope of 0 and-9.8 millimeter，the building's uplift or settlement values are in the scope of+5 millimeter and-2.8 millimeter，and all the values are inside the scope of allowable value.So the safety of buildings along the metro can be ensured.

metro;shield tunnel;passing below the buildings;construction

U231+.3

B

1004-2954(2012)07-0111-05

2011-11-24

張亞勇(1977—)，男，工程師，2001年畢業(yè)于焦作工學院工程測量專業(yè)，工學學士，E-mail:zyy-kjb@126.com。