富水砂層區(qū)盾構(gòu)下穿建(構(gòu))筑物風(fēng)險控制技術(shù)研究

炊 鵬 飛

(北京安捷工程咨詢有限公司, 北京 100037)

盾構(gòu)法作為一種常用的地鐵區(qū)間施工工法，在地鐵工程建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用，已積累了豐富的施工和安全風(fēng)險管理經(jīng)驗[1-2]。楊振偉等[3]、朱海軍等[4]、白云飛[5]、周江等[6]和喬秀兵等[7]對土壓平衡盾構(gòu)機在富水砂層中施工技術(shù)進(jìn)行研究，提出在盾構(gòu)掘進(jìn)施工過程中，通過對掘進(jìn)參數(shù)優(yōu)化，可有效控制地層損失和周邊環(huán)境變形。秦學(xué)波[8]、楊喜等[9]和吳文斌[10]從盾構(gòu)下穿建(構(gòu))筑物風(fēng)險控制方面，對安全影響性評估、盾構(gòu)選型、加固措施方面，提出了相關(guān)風(fēng)險控制措施和建議。

太原軌道交通2號線一期工程為山西省第一條軌道交通工程建設(shè)線路，如何快捷有效的積累施工及安全風(fēng)險管理經(jīng)驗意義重大。太原市地下水位埋深淺，地層敏感性強[11]，區(qū)間盾構(gòu)施工主要穿越地層有黏質(zhì)粉土層、粉細(xì)砂及中砂層，其中局部黏質(zhì)粉土層和粉細(xì)砂層具有液化性，富水砂層受施工擾動易產(chǎn)生砂土液化，對周邊環(huán)境影響強烈。

本文以太原地鐵2號線一期工程雙塔西街站—大南門站區(qū)間為研究對象，從盾構(gòu)掘進(jìn)前的預(yù)加固措施，掘進(jìn)過程中的盾構(gòu)施工參數(shù)選擇與優(yōu)化、建(構(gòu))筑物跟蹤注漿，后期的洞內(nèi)補充注漿等風(fēng)險控制措施，研究富水砂層區(qū)盾構(gòu)近距離下穿施工對10個建(構(gòu))筑物Ⅱ級環(huán)境風(fēng)險源的變形影響，結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)控量測情況，在盾構(gòu)選型、盾構(gòu)施工參數(shù)制定，加固措施的適用性及施作時機、風(fēng)險專項設(shè)計措施的可操性等方面作經(jīng)驗總結(jié)，可為后續(xù)類似盾構(gòu)區(qū)間設(shè)計、施工、風(fēng)險管理工作提供經(jīng)驗借鑒。

1 工程概況

1.1 設(shè)計及施工概況

太原地鐵2號線一期工程雙塔西街站—大南門站區(qū)間，左線隧道長度1 098.933 m，右線隧道長度1 171.880 m，左右線間距14.2 m～18.2 m，線路為V型坡，最大坡度為25‰，區(qū)間覆土厚度11.7 m～24.3 m。左右線分別采用中鐵裝備Φ6440、日立Φ6350土壓平衡盾構(gòu)機施工，2018年8月左線盾構(gòu)機從雙塔西街站北端頭下井組裝，于2019年5月雙線貫通。

1.2 工程地質(zhì)

區(qū)間線路地層由上而下分別為：雜填土(1-1)，結(jié)構(gòu)松散，層厚2.90 m～13.00 m、素填土(1-2)、黏質(zhì)粉土(2-3-1)、粉質(zhì)黏土(2-2-1)、黏質(zhì)粉土(2-3-3)、粉質(zhì)黏土(2-2)、粉細(xì)砂(2-4)，飽和，層厚0.80 m～11.00 m、中砂(2-5)，飽和，層厚1.00 m～13.50 m、粗砂(2-6)、礫砂(2-7)、細(xì)圓礫土(2-8)。

區(qū)間盾構(gòu)掘進(jìn)地層主要為中砂(2-5)和粉細(xì)砂(2-4)，詳見圖1。

1.3 水文地質(zhì)

本區(qū)間地下水為孔隙潛水，位于雜填土(1-1)層，埋深2.30 m～7.50 m，標(biāo)高約為779.22 m～781.45 m，盾構(gòu)隧道在水位線以下。場區(qū)范圍內(nèi)地層富水情況如下：2-2粉質(zhì)黏土、2-3-1黏質(zhì)粉土屬弱透水層；2-4粉細(xì)砂屬中等透水層；2-5中砂屬強透水層。

圖1 區(qū)間下穿建(構(gòu))筑物段地質(zhì)縱剖圖

1.4 地層特點

本區(qū)間掘進(jìn)地層以中砂(2-5)，粉細(xì)砂(2-4)為主。盾構(gòu)在飽和砂層中掘進(jìn)時，在往復(fù)剪切作用下，會發(fā)生瞬間滑移破壞，孔隙體積減小，趨于振密，而不可壓縮的孔隙水不能及時排出，導(dǎo)致孔隙水壓力上升，上升到等于上覆壓力時，抗剪強度喪失，粉細(xì)砂轉(zhuǎn)變?yōu)榱黧w狀態(tài)，產(chǎn)生振動液化流動現(xiàn)象。盾構(gòu)掘進(jìn)施工中對渣土改良、刀盤轉(zhuǎn)速、開挖面土壓力及盾尾回填注漿壓力等參數(shù)控制要求較高，易出現(xiàn)開挖掌子面坍塌、盾尾和螺旋輸送機后艙門涌水涌砂等風(fēng)險事件，導(dǎo)致地層損失，地面沉陷甚至坍塌。

2 環(huán)境風(fēng)險源情況

雙大區(qū)間盾構(gòu)施工下穿建(構(gòu))筑物風(fēng)險源情況描述[12]見表1。

3 風(fēng)險控制措施

3.1 風(fēng)險控制措施清單

雙大區(qū)間盾構(gòu)下穿各建(構(gòu))筑物采取的風(fēng)險控制措施如表2所示。

3.2 鑒定、評估

雙大區(qū)間掘進(jìn)施工前，經(jīng)專家咨詢，建設(shè)單位委托專業(yè)鑒定、評估單位，對公交公司宿舍、迎澤苑7號樓開展了安全性鑒定和影響性評估，鑒定評估結(jié)果[13-15]見表3。

3.3 預(yù)控措施

區(qū)間左線側(cè)下穿公交公司宿舍樓、晉城大廈、太原市電信局宿舍前，沿樓體鄰近隧道一側(cè)斜向打設(shè)雙排150@300復(fù)合錨桿樁進(jìn)行地層預(yù)加固，樁豎向斜角為30°，總長約22 m～23 m，進(jìn)入45°滑移面破裂線以內(nèi)5 m，見圖2。

表1 雙大區(qū)間建(構(gòu))筑物風(fēng)險源描述

表2 雙大區(qū)間下穿各建(構(gòu))筑物風(fēng)險控制措施清單

表3 公交公司宿舍、迎澤苑7號樓鑒定評估結(jié)果

注：兩棟建筑物施工安全影響性評估時均已考慮上述預(yù)加固措施，同時將洞內(nèi)徑向注漿按照預(yù)加固措施考慮。

圖2 太原市公交公司宿舍復(fù)合錨桿樁預(yù)加固圖

3.4 過程中控制措施

3.4.1 盾構(gòu)施工參數(shù)控制

(1) 盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)。掘進(jìn)過程中，根據(jù)監(jiān)測成果，對推力、刀盤扭矩、上部土壓力等施工參數(shù)不斷進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，最終掘進(jìn)參數(shù)見表4。

表4 盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)表

下穿建(構(gòu))筑物時嚴(yán)格控制土艙壓力波動幅度，減少對掘進(jìn)地層的擾動。正常掘進(jìn)過程中，根據(jù)上覆土厚度變化情況及時調(diào)整盾構(gòu)上部土艙壓力控制值。

(2) 姿態(tài)控制。下穿前將姿態(tài)調(diào)整到最佳狀態(tài)，保證推進(jìn)速度的穩(wěn)定、恒定，嚴(yán)格控制盾構(gòu)推進(jìn)方向，減少糾偏，特別是嚴(yán)禁大量值糾偏。下穿過程中將軸線高程和平面偏差控制在30 mm內(nèi)，并及時進(jìn)行人工復(fù)核，出現(xiàn)偏差，遵循“勤測勤糾”原則，杜絕大量的糾偏，關(guān)閉超挖刀。

(3) 出渣量控制。每環(huán)出土量的控制是盾構(gòu)掘進(jìn)過程中周邊環(huán)境變形控制的關(guān)鍵，保證控制地層損失率的最直接、最有效的手段。出土量控制以渣土體積控制為主，重量復(fù)核為輔。盾構(gòu)施工中，做到出土量量測的精細(xì)化管理，對掘進(jìn)所排出的渣土樣本進(jìn)行分析，判斷地質(zhì)情況，根據(jù)地質(zhì)情況，確定合理的出土量。

(4) 同步注漿。盾構(gòu)機左線的刀盤開挖直徑為6 460 mm，右線的開挖直徑為6 380 mm。管片外徑為6 200 mm，當(dāng)管片在盾尾處安裝完成后盾構(gòu)機向前推進(jìn)，管片與土層之間形成的建筑間隙時，及時采用漿液材料通過4組管路填充此環(huán)形間隙有利于防止和減少地層變形，提高隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

采用水泥砂漿(可硬性漿液)作為同步注漿材料，具有凝結(jié)時間短、強度高、耐久性好和抗腐蝕性好等特點，同步注漿配比見表5。

表5 同步注漿材料配比

同步注漿參數(shù)如下：

① 注漿壓力：控制在0.2 MPa～0.3 MPa。

② 注漿量：施工單位根據(jù)施工經(jīng)驗取環(huán)形間隙理論體積的1.4倍～1.6倍，左線每環(huán)壁后注漿量4.3 m3～5.0 m3，采用4.5 m3/環(huán)。右線每環(huán)3.0 m3～3.4 m3，采取3.2 m3/環(huán)。

③ 注漿速度：同步注漿速度應(yīng)與掘進(jìn)速度相匹配，按盾構(gòu)完成一環(huán)1.2 m掘進(jìn)的時間內(nèi)完成當(dāng)環(huán)注漿量來確定其平均注漿速度。

(5) 渣土改良。渣土改良效果好，可方便螺旋機的出渣，減少刀具、刀盤的磨損，穩(wěn)定土艙壓力等參數(shù)，同時可減少螺旋機噴涌現(xiàn)象，雙大區(qū)間下穿建(構(gòu))筑物區(qū)段采用泡沫進(jìn)行土體改良。

3.4.2 地表跟蹤注漿

為有效控制下穿施工對建(構(gòu))筑物的影響變形，對側(cè)下穿的公交公司宿舍、公交公司新建住宅樓、晉城大廈、太原市電信局宿舍，正下穿的迎澤公園內(nèi)單拱橋和八角亭采用地表深孔跟蹤注漿。注漿采用1∶1水泥水玻璃漿液，注漿壓力控制在0.2 MPa～0.4 MPa。

3.5 后處理措施

3.5.1 二次注漿

為提高充填密實性，更好地控制地層沉降，掘進(jìn)施工中在盾尾后3～5環(huán)處利用管片吊裝孔進(jìn)行二次補注漿。二次注漿漿液采用水泥漿，注漿壓力不超過0.4 bar。二次注漿可以快速阻斷地層涌水，削弱其對同步灌漿的沖刷，提高同步灌漿效果，強化管片環(huán)與圍巖的固結(jié)，改善接縫防水，提高結(jié)構(gòu)防滲效果，保持盾構(gòu)通過后的地表穩(wěn)定。

3.5.2 洞內(nèi)徑向注漿

盾構(gòu)區(qū)間側(cè)穿(下穿)多棟房屋，采用多孔管片，對管片周邊3 m、拱頂135°范圍采取鋼花管進(jìn)行主動填充式注漿，注漿漿液采用水泥-水玻璃漿液，見圖3。

3.6 信息化管理

太原地鐵自2016年2號線一期工程全面建設(shè)以來，采用安全風(fēng)險監(jiān)控與管理信息系統(tǒng)(見圖4)、盾構(gòu)實時監(jiān)控系統(tǒng)(見圖5)，實現(xiàn)了安全風(fēng)險的信息化管理，盾構(gòu)實時監(jiān)控系統(tǒng)能實時顯示盾構(gòu)施工參數(shù)并自行進(jìn)行預(yù)警，結(jié)合風(fēng)險系統(tǒng)的安全監(jiān)測數(shù)據(jù)模塊，實現(xiàn)盾構(gòu)下穿施工對周邊環(huán)境風(fēng)險源變形情況的綜合判斷。

圖3 盾構(gòu)下穿房屋徑向注漿加固橫斷面圖

圖4 安全風(fēng)險監(jiān)控與管理信息系統(tǒng)

圖5 盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)實時監(jiān)控

4 實施效果分析

4.1 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

4.1.1 側(cè)下穿建(構(gòu))筑物沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

區(qū)間側(cè)下穿建(構(gòu))筑沉降變形及異常情況統(tǒng)計表見表6。

表6 側(cè)下穿建(構(gòu))筑物沉降變形及異常情況統(tǒng)計表

監(jiān)測結(jié)果分析：

(1) 上述側(cè)下穿建(構(gòu))筑物中除公交公司宿舍外，沉降變形控制指標(biāo)為累計沉降≤30 mm，不均勻沉降≤2‰。其中，晉城大廈、電信局宿舍樓采取復(fù)合錨桿樁隔離+地表跟蹤注漿，公交公司新住宅樓采取地表跟蹤注漿措施后，建筑物整體未超控制指標(biāo)，且未出現(xiàn)預(yù)警狀況。

(2) 公交公司宿舍監(jiān)測點布置平面圖及累計沉降時程曲線見圖6和圖7。該建筑物最大累計沉降27.7 mm，不均勻沉降2.2‰，超評估給出的累計沉降12 mm，不均勻沉降1‰的控制值，現(xiàn)場巡視過程中除個別住戶門窗洞口有新的細(xì)微裂縫外，結(jié)構(gòu)整體和構(gòu)件變形情況無明顯異常。

該建筑沉降變形超標(biāo)原因分析如下：①建筑物老舊，鑒定結(jié)果顯示個別構(gòu)件嚴(yán)重開裂，結(jié)構(gòu)整體性相對較差；②基礎(chǔ)為條形基礎(chǔ)，抗變形能力弱；③較其他側(cè)下穿建筑，距離區(qū)間最近；④公交公司宿舍位于左線始發(fā)段，盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)尚需摸索總結(jié)。

圖6 公交公司宿舍沉降監(jiān)測點平面布置圖

圖7 公交公司宿舍累計沉降時程曲線

4.1.2 正下穿建(構(gòu))筑物沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

區(qū)間正下穿建(構(gòu))筑下穿建構(gòu)筑物沉降變形及異常情況統(tǒng)計表見表7。

監(jiān)測結(jié)果分析：

(1) 上述正下穿建(構(gòu))筑物中迎澤苑7號樓沉降變形控制指標(biāo)為累計沉降≤15 mm，不均勻沉降≤1.2‰，其余建(構(gòu))筑物沉降變形控制指標(biāo)為累計沉降≤30 mm，不均勻沉降≤2‰。由表7可以看出，所有建(構(gòu))筑物的最大累計沉降值及不均勻沉降值均超控制值。迎澤苑7號樓監(jiān)測點布置平面圖及累計沉降時程區(qū)間見圖8和圖9。

表7 正下穿建(構(gòu))筑物沉降變形及異常情況統(tǒng)計表

圖8 迎澤苑7號樓沉降監(jiān)測點平面布置圖

圖9 迎澤苑7號樓累計沉降時程曲線

(2) 由表7還可以看出，除南沙河快速路南、北箱涵外，隧道內(nèi)巡視無異常情況，需結(jié)合盾構(gòu)施工參數(shù)進(jìn)行分析，正下穿施工時盾構(gòu)施工參數(shù)建(構(gòu))筑物沉降變形超標(biāo)原因分析見表8。

(3) 正下穿施工前，上述建(構(gòu))筑物均未采取預(yù)加固處理措施。

表8 正下穿盾構(gòu)施工參數(shù)異常對應(yīng)沉降變形超標(biāo)原因分析

4.2 效果評價

盾構(gòu)區(qū)間側(cè)下穿建(構(gòu))筑物施工，在采取上述預(yù)控制、過程中控制、后處理措施后，對建(構(gòu))筑物安全性影響較小，下穿施工風(fēng)險可控，措施有效。正下穿施工時，采取目前的過程中控制措施和后加固處理措施，下穿施工風(fēng)險較大，措施欠佳。后續(xù)類似工程施工可通過盾構(gòu)機選型優(yōu)化，對建(構(gòu))筑物地基預(yù)加固、地層超前預(yù)加固，施工中嚴(yán)控盾構(gòu)同步注漿量，保證填充效果，同時加強渣土改良和掘進(jìn)姿態(tài)等方面的措施，保證下穿施工的安全順利。

5 結(jié) 論

(1) 渣土改良效果、掘進(jìn)參數(shù)合理性、同步注漿的及時和有效性是富水砂層中盾構(gòu)掘進(jìn)防周邊環(huán)境變形超標(biāo)的主要控制要素，施工中應(yīng)不斷摸索和優(yōu)化。

(2) 采用隔離樁、地表跟蹤注漿對盾構(gòu)側(cè)下穿建(構(gòu))筑物變形控制效果良好，可在后續(xù)類似工程施工中采用。

(3) 對于長距離穿越富水砂層，且近距離下穿重要建(構(gòu))筑物或水體等對沉降控制要求較高的區(qū)間，盾構(gòu)機選型時應(yīng)考慮采用泥水平衡式盾構(gòu)機，以降低工程施工風(fēng)險。