盾構(gòu)極限坡度極限半徑連續(xù)穿越建筑物施工技術(shù)

李彥輝（中鐵十八局集團(tuán)有限公司，天津300222）

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盾構(gòu)極限坡度極限半徑連續(xù)穿越建筑物施工技術(shù)

李彥輝
（中鐵十八局集團(tuán)有限公司，天津300222）

[摘要]伴隨著盾構(gòu)法施工在城市地鐵隧道中的廣泛運(yùn)用，盾構(gòu)法施工面臨的環(huán)境也越來(lái)越復(fù)雜，對(duì)其施工技術(shù)的要求也越來(lái)越高。本文以天津地鐵三號(hào)線水上北路站——吳家窯站盾構(gòu)區(qū)間的施工為例，對(duì)這一工程進(jìn)行了概括并對(duì)工程的具體施工過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)分析。就極限坡度極限半徑連續(xù)穿越建筑物的施工技術(shù)開(kāi)展了探討，以期形成進(jìn)一步的深化認(rèn)知。

[關(guān)鍵詞]盾構(gòu)法；極限坡度；極限半徑；連續(xù)穿越建筑物

伴隨著城市化進(jìn)程的加快以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，僅僅依賴地面交通已經(jīng)無(wú)法滿足廣大人民對(duì)交通量的需求。在這一需求的推動(dòng)下，大多數(shù)城市逐步將目光轉(zhuǎn)向地下，開(kāi)始加大地下交通的發(fā)展力度與深度。盾構(gòu)法正是在這一背景下迅速發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)施工技術(shù)。在進(jìn)行軌道交通線路的選擇時(shí)，由于受到城市規(guī)劃與建筑物自身的限制，軌道交通的線形呈現(xiàn)越來(lái)越復(fù)雜的趨勢(shì)，在30‰的極限坡度、300米的極限半徑條件下，盾構(gòu)連續(xù)穿越建筑物的技術(shù)性、安全性、科學(xué)性、可靠性成為值得關(guān)注的研究議題。

圖1 施工方案流程圖

一、工程簡(jiǎn)介

天津地鐵三號(hào)線六標(biāo)段水上北路站——吳家窯站區(qū)間基本情況如附表1所示。

另外需注意的是：這一區(qū)間左線盾構(gòu)施工時(shí)，需要穿越的河流、建筑物包括衛(wèi)津河、天塔湖、平山里、建國(guó)樓、德才里、氣象里，并且需要連續(xù)穿越15座居民樓（居民樓間距最大34.62米，最小13.64米，建筑物于20世紀(jì)70年代修蓋，多數(shù)是連體樓。）

在工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件方面，呈現(xiàn)的主要特征如附表2所示。

二、施工方案及其具體實(shí)施過(guò)程

（一）盾構(gòu)穿越建筑物時(shí)施工方案的制定

綜合考察及分析發(fā)現(xiàn)，天津地鐵三號(hào)線六標(biāo)段水上北路站——吳家窯站區(qū)間左線施工的重點(diǎn)與難點(diǎn)體現(xiàn)在：第一，要求盾構(gòu)在極限半徑極限坡度下連續(xù)穿越建筑物群；第二，所需穿越的建筑物群基礎(chǔ)差、結(jié)構(gòu)差；第三，地質(zhì)條件相對(duì)惡劣，對(duì)施工極為不利。

圍繞施工的重點(diǎn)與難點(diǎn)，從施工的具體實(shí)際出發(fā)制定了如下施工方案流程圖：

（二）盾構(gòu)穿越建筑物具體施工過(guò)程

具體施工時(shí)，施工質(zhì)量與盾構(gòu)推進(jìn)、管片破損及滲漏水情況、盾構(gòu)上方不同深度處土層的垂直位移量等直接相關(guān)。影響這些質(zhì)量的主要指標(biāo)包括：（1）盾構(gòu)推進(jìn)土壓力；（2）推進(jìn)油缸行程；（3）同步注漿壓力及注漿配合比；（4）鉸接油缸行程；（5）轉(zhuǎn)彎及變坡過(guò)程中油缸行程差的設(shè)定等。因此，施工過(guò)程中主要指標(biāo)的相關(guān)操作與控制要點(diǎn)具體如下：

1.盾構(gòu)推進(jìn)速度

就土體而言，在實(shí)際施工中推進(jìn)速度過(guò)快/過(guò)慢均會(huì)產(chǎn)生很大程度的擾動(dòng)，因此，為降低這一因素的不利干擾，要以盾構(gòu)機(jī)整體性能為依據(jù)，確保掘進(jìn)速度的提升是建立在推進(jìn)盾構(gòu)速度，同時(shí)滿足了掘進(jìn)土壓力、同步注漿速度需求基礎(chǔ)上的，進(jìn)而將對(duì)橋樁基的影響降到最低。經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程中為最大程度地減小其在小半徑環(huán)境中的推進(jìn)壓力，避免造成管片錯(cuò)臺(tái)及破損，因此盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)速度不能過(guò)大，適宜的推進(jìn)速度應(yīng)以勻速20～30mm/min為宜。

2.盾構(gòu)穿越建筑物時(shí)同步注漿及二次注漿壓力和注漿量的確定

（1）同步注漿

鑒于水泥砂漿具有極佳抗地下水侵蝕能力、高結(jié)石率、良好耐久性等優(yōu)點(diǎn)，因此，注漿材料選用水泥砂漿。針對(duì)地下水會(huì)造成襯砌結(jié)構(gòu)腐蝕的地段，為提升注漿結(jié)石體的耐腐蝕性能，應(yīng)選用抗硫酸鹽水泥。同步注漿漿液的主要物理性能應(yīng)滿足的指標(biāo)具體有以下幾個(gè)方面：

①膠凝時(shí)間：膠凝時(shí)間通常維持在3～10h，根據(jù)本標(biāo)段過(guò)建筑物時(shí)的需要，其實(shí)際膠凝時(shí)間在不超過(guò)4h，通過(guò)凝膠時(shí)間的縮短，進(jìn)而促進(jìn)建（構(gòu)）筑物的沉降。②固結(jié)體強(qiáng)度：固結(jié)體強(qiáng)度的強(qiáng)度通常在0.1MPa及以上，其平均強(qiáng)度應(yīng)達(dá)到0.45MPa。28天的強(qiáng)度應(yīng)在5MPa及以上，平均強(qiáng)度達(dá)到6.5MPa。③漿液結(jié)石率：漿液結(jié)石率應(yīng)超過(guò)95%。④漿液稠度：漿液稠度應(yīng)保持在8～10cm/m為宜。

在同步注漿過(guò)程中，根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況對(duì)注漿壓力、注漿量與注漿速度予以確定。本區(qū)段根據(jù)深度、土層性質(zhì)與地下水位，確定注漿壓力在0.3MPa，綜合考慮上方建筑物的重力影響，在盾構(gòu)穿過(guò)建筑物時(shí)其注漿壓力維持在0.35～0.5MPa。本區(qū)間盾構(gòu)機(jī)每掘進(jìn)一環(huán)，其盾尾的脫空量為（參考盾構(gòu)法隧道施工與驗(yàn)收規(guī)范）：。根據(jù)盾構(gòu)在極限坡度與極限半徑中的糾偏過(guò)程，本區(qū)間隧道每環(huán)注漿量在3.08m3- 5.92m3，但實(shí)際產(chǎn)生的空腔比理論要大，因此確定適宜的盾構(gòu)同步注漿量為8- 10m3。

（2）二次注漿

二次注漿的運(yùn)用多在穿越筑物或地下管時(shí)段。一般而言，二次注漿在盾尾脫出5- 10環(huán)后進(jìn)行，具體注漿量的多少要依照沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)一步確定。選取雙液漿實(shí)施二次注漿，并根據(jù)地層變形觀測(cè)等實(shí)際情況確定二次注漿的位置、壓力與壓入量。通常二次注漿壓力維持在0.5MPa，而漿液材料、配比與注漿壓力應(yīng)嚴(yán)格根據(jù)設(shè)計(jì)文件執(zhí)行。

3.盾構(gòu)穿越建筑物時(shí)土壓力的判定

P1（土壓力）的計(jì)算分兩種情形：淺埋隧道、深埋隧道。詳細(xì)計(jì)算如下：

（1）H＜2D時(shí)，定性為：淺埋隧道。這種情況下，上覆水土產(chǎn)生的壓力全部作用在開(kāi)挖面上。計(jì)算公式為：。公式中各字母的含義為P1：土壓力，φ：摩擦角，γ：土的容重，h：刀盤(pán)中心至土體面的高度。（注：H：隧道埋深，D：盾構(gòu)外徑。）

（2）H＞2D時(shí)，定性為：深埋隧道。這種情況下，土體會(huì)在隧道上方形成拱效應(yīng)，以致于上部土體產(chǎn)生的土壓力不會(huì)像淺埋隧道一樣完全作用于開(kāi)挖面。土壓力計(jì)算按太沙基理論公式計(jì)算；當(dāng)盾構(gòu)穿越建筑物時(shí)，土壓力的計(jì)算均按淺埋隧道來(lái)算。按公式計(jì)算土壓力，可得：P1=（1- sin200）×0.019×16=0.20MPa由此計(jì)算結(jié)果，預(yù)先判定土壓力在0.20- 0.24MPa范圍。（注：H：隧道埋深，D：盾構(gòu)外徑。）

需要注意的是：在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過(guò)程中，由上述一系列計(jì)算得到平衡壓力設(shè)定值，在實(shí)際施工中還應(yīng)根據(jù)盾構(gòu)機(jī)所處方位、地表監(jiān)測(cè)情況、土層狀況等予以適當(dāng)調(diào)整。綜合考慮到過(guò)建筑物時(shí)建筑物本身重力造成的影響，進(jìn)而確定本標(biāo)段過(guò)建筑物實(shí)際土壓力設(shè)定為0.25- 0.35MPa。

4.大坡度小半徑環(huán)境時(shí)盾構(gòu)控制與姿態(tài)調(diào)整

當(dāng)盾構(gòu)進(jìn)入到大坡度小半徑的環(huán)境中時(shí)，應(yīng)對(duì)盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)進(jìn)行嚴(yán)格控制，對(duì)推進(jìn)偏差做出及時(shí)的糾正。在此過(guò)程中，需要重點(diǎn)做到以下幾個(gè)方面的問(wèn)題：（1）及時(shí)根據(jù)掌子面地層情況對(duì)推進(jìn)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，在推進(jìn)方向調(diào)整過(guò)程中要設(shè)置限制值與警戒值。（2）為防止管片局部發(fā)生開(kāi)裂或者破損，應(yīng)在推進(jìn)油缸油壓時(shí)做到慢調(diào)、少量。（3）在盾構(gòu)機(jī)激光導(dǎo)向系統(tǒng)的指引下開(kāi)展推進(jìn)、糾偏等工作。（4）盾構(gòu)機(jī)每推進(jìn)一環(huán)的糾偏量≤5mm。（5）蛇形修正及糾偏時(shí)應(yīng)緩慢進(jìn)行，勤糾、緩糾。（6）有效運(yùn)用超挖刀調(diào)整開(kāi)挖面阻力，實(shí)現(xiàn)糾偏（這一方法在調(diào)整盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)油缸編組的方式不能實(shí)現(xiàn)糾偏目標(biāo)時(shí)采用）。（7）在盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)過(guò)程中，通過(guò)調(diào)整推進(jìn)油缸使盾構(gòu)機(jī)縱坡盡量接近隧道縱坡，在下坡的過(guò)程中盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)為稍仰頭姿態(tài)。

5.監(jiān)控量測(cè)

盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程中，有可能由于施工需要，會(huì)造成隧道附近原有構(gòu)筑物、管線等變形，甚至毀壞現(xiàn)象。基于此，在盾構(gòu)推進(jìn)施工時(shí)對(duì)距隧道30米以內(nèi)的原有構(gòu)筑物要進(jìn)行沉降監(jiān)測(cè)。監(jiān)控點(diǎn)直接在構(gòu)筑物外墻（樁）正負(fù)零以上10～15厘米處布設(shè)，測(cè)點(diǎn)間距8～12米左右。隧道沿線需要監(jiān)測(cè)的建筑物較多，在穿越樓群過(guò)程中，隧道埋深在15米～- 21米。每棟樓房平均布點(diǎn)8～10個(gè)，共布點(diǎn)147個(gè)左右。同時(shí)，除了對(duì)構(gòu)筑物開(kāi)展沉降監(jiān)測(cè)工作之外，還應(yīng)注意對(duì)處于隧道30m范圍之內(nèi)的原有建筑物開(kāi)展裂縫觀測(cè)、記錄及量度操作。

城市化進(jìn)程帶動(dòng)了地鐵建設(shè)的飛速發(fā)展，而城市施工由于多方限制還不能完全跟上這一發(fā)展節(jié)奏，這就為本施工技術(shù)的應(yīng)用與推廣提供了廣闊空間。通過(guò)以上研究與分析，可以發(fā)現(xiàn)：第一，土體擾動(dòng)的影響程度主要由盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)速度、注漿控制等因素決定；第二，盾構(gòu)通過(guò)該工程施工區(qū)域后，盾構(gòu)穿越對(duì)建筑物的影響十分小。研究中存在的不足主要體現(xiàn)為：僅對(duì)特定工程（天津地鐵三號(hào)線六標(biāo)段水上北路站——吳家窯站區(qū)間）進(jìn)行了研究，具有一定局限性。同時(shí)可以展望：盾構(gòu)施工研究重點(diǎn)將向如何最大限度減少盾構(gòu)施工對(duì)附近建筑物的影響方向偏移。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳濤.大坡度并小半徑曲線盾構(gòu)連續(xù)穿越建筑群沉降施工控制[J].探礦工程（巖土鉆掘工程），2013，11（40）：76- 80.

[2]住房與城鄉(xiāng)建設(shè)部科技發(fā)展促進(jìn)中心.GB50446- 2008盾構(gòu)法隧道施工與驗(yàn)收規(guī)范[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2008.

附表1 天津地鐵三號(hào)線六標(biāo)段水上北路站——吳家窯站區(qū)間基本情況表

附表2 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件特點(diǎn)表

[中圖分類號(hào)]TU

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[文章編號(hào)]1673- 0046（2016）1- 0153- 03