淺埋破碎軟巖地層盾構(gòu)穿越老舊房屋施工關(guān)鍵技術(shù)研究

李永森

摘? 要：土壓平衡盾構(gòu)在埋深淺、裂隙發(fā)育的破碎軟巖地層中、地表分布年代久遠(yuǎn)以及結(jié)構(gòu)老舊的淺基礎(chǔ)房屋等工況條件下，施工存在較大風(fēng)險(xiǎn)。該文針對(duì)此類(lèi)工況，從掘進(jìn)模式、精細(xì)化管控措施等方面展開(kāi)論述，形成一套行之有效的施工應(yīng)用技術(shù)，為類(lèi)似工程提供參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)掘進(jìn)；淺覆土；輔助氣壓；風(fēng)險(xiǎn)控制；地鐵施工

中圖分類(lèi)號(hào)：U455.43? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2024）06-0176-04

Abstract： In the working conditions of shallow buried depth， broken soft rock strata with cracks， long-term surface distribution and shallow foundation houses with old structure， there are great risks in the construction of earth pressure balance shield. Aiming at this kind of working condition， this paper discusses from the aspects of tunneling mode， fine management and control measures， and forms a set of effective construction application technology， which can provide reference for similar projects.

Keywords： shield tunneling; shallow overlying soil; auxiliary air pressure; risk control; subway construction

地鐵施工時(shí)常遇到淺覆土、破碎帶以及下穿老舊房屋等疊加工況，使盾構(gòu)施工面臨較大風(fēng)險(xiǎn)。針對(duì)該問(wèn)題有學(xué)者認(rèn)為應(yīng)采取全土壓模式掘進(jìn)以便最大限度降低施工風(fēng)險(xiǎn)，然而該方案對(duì)渣土改良、土倉(cāng)進(jìn)出土量動(dòng)態(tài)平衡所對(duì)應(yīng)的土倉(cāng)壓力、刀盤(pán)扭矩等參數(shù)的穩(wěn)定輸出均有較大挑戰(zhàn)，還存在盾構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)負(fù)荷大、刀具磨損快、易結(jié)泥餅或噴涌和掘進(jìn)效率低等問(wèn)題。另一方案則采用“輔助氣壓”工法掘進(jìn)，該工法雖要求地層具備一定氣密性和自穩(wěn)能力，但其優(yōu)點(diǎn)基本克服了全土壓模式所存在的問(wèn)題。以往出現(xiàn)險(xiǎn)情的案例基本是由于運(yùn)用不靈活、操作不嫻熟、保障不到位造成的。本文通過(guò)實(shí)際案例，以“輔助氣壓”工法為基礎(chǔ)，加以?xún)?yōu)化總結(jié)形成一項(xiàng)在特定工況條件下行之有效的施工應(yīng)用技術(shù)，以期為今后類(lèi)似工程提供參考和借鑒。

1? 工程概述

1.1? 地面環(huán)境

本文以廣州地鐵十二號(hào)線(xiàn)烈東區(qū)間盾構(gòu)工程為背景。距該區(qū)間始發(fā)端頭約15 m處分布有人工湖以及二層磚混結(jié)構(gòu)建筑（下文定名為“華藝?yán)取保?，為藝術(shù)品儲(chǔ)存場(chǎng)所。房屋結(jié)構(gòu)整體性差，基礎(chǔ)為條形基礎(chǔ)+松木樁，涉及陸域和水域兩部分，如圖1所示。條形基礎(chǔ)分布于陸上區(qū)域，深度1.2 m；涉水部分以松木樁為基礎(chǔ)，松木樁樁長(zhǎng)4～4.5 m，如圖2所示。樁底至隧道拱頂間距為6.26～6.91 m。隧道在該區(qū)域覆土約13 m，穿越長(zhǎng)度約30 m。

1.2? 地質(zhì)分析

地勘資料揭示隧道拱頂與建筑基礎(chǔ)間地層主要為淤泥質(zhì)中粗砂、強(qiáng)風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖、中風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖，隧道斷面范圍內(nèi)地層為中風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖，屬于軟巖類(lèi)地層，廣州地區(qū)俗稱(chēng)“紅層”，強(qiáng)度低，約6～10 MPa。該區(qū)域還揭露有部分?jǐn)嗔哑扑閹Ъ辞迦謹(jǐn)嗔褞?，裂隙發(fā)育，巖層RQD指標(biāo)僅為20%～25%，地下水通道豐富，尤其接近拱頂處存在部分強(qiáng)風(fēng)化層，破碎且?jiàn)A泥。

2? 施工風(fēng)險(xiǎn)

2.1? 地層失水沉降引發(fā)地面房屋開(kāi)裂坍塌風(fēng)險(xiǎn)

本區(qū)域中風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖巖面距隧道拱頂高度小，覆蓋層薄，裂隙發(fā)育程度高，且隧道覆土淺，基巖裂隙水與地表水系連通的可能性極高。施工時(shí)易發(fā)生土體進(jìn)一步擾動(dòng)以及土倉(cāng)匯水造成地層失水沉降過(guò)大的風(fēng)險(xiǎn)。

2.2? 刀盤(pán)結(jié)泥餅風(fēng)險(xiǎn)

泥巖單體密實(shí)度高，與水融合慢，具有一定的隔水性。在“輔助氣壓”模式下掘進(jìn)，盾體周邊地下水被逼離，若渣土改良不及時(shí)以及倉(cāng)內(nèi)實(shí)土比例控制欠合理，極易出現(xiàn)渣土滯排和結(jié)泥餅的風(fēng)險(xiǎn)。

2.3? 污染湖水的風(fēng)險(xiǎn)

施工區(qū)域范圍內(nèi)80%以上為涉湖段（圖3）。湖水深度0.5～2 m，湖底以下地層滲透系數(shù)較高。掘進(jìn)時(shí)土倉(cāng)內(nèi)高壓氣體易攜帶泥漿和泡沫透過(guò)基巖裂隙擊穿上覆土層，自湖底冒出而污染湖水。

3? 關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用

3.1? 施工前準(zhǔn)備

3.1.1? 房屋鑒定

施工前對(duì)房屋開(kāi)展鑒定，共排查出既有裂縫約120處，寬度約5～40 mm。

3.1.2? 房屋支頂

利用模板、槽鋼、盤(pán)扣支架和方木等材料對(duì)隧道線(xiàn)路上方房屋結(jié)構(gòu)進(jìn)行支頂。

3.1.3? 人員及藝術(shù)品臨遷

穿越前將華藝?yán)葍?nèi)藝術(shù)品轉(zhuǎn)移保護(hù)，施工期間安排場(chǎng)所內(nèi)工作人員進(jìn)行居家辦公。

3.1.4? 深層土體監(jiān)測(cè)孔

在靠近建筑邊及線(xiàn)路上方布設(shè)深層土體監(jiān)測(cè)點(diǎn)共計(jì)3個(gè)，深度4 m，與木樁底齊深，確保更準(zhǔn)備掌握地層動(dòng)態(tài)變化情況。

3.1.5? 工前地質(zhì)雷達(dá)掃描

利用地質(zhì)雷達(dá)掃描探測(cè)出3處雷達(dá)波異常段落，根據(jù)專(zhuān)業(yè)分析推斷為一般疏松體和含水疏松體，病害長(zhǎng)度為5 m，深度范圍為6.8～7.8 m，對(duì)盾構(gòu)施工無(wú)實(shí)質(zhì)性影響。

3.2? 施工過(guò)程控制

3.2.1? 施工參數(shù)擬定及控制

以“輔助氣壓”工法為基礎(chǔ)，通過(guò)精細(xì)化的管控措施，合理優(yōu)化控制各項(xiàng)參數(shù)并不斷擬合地層特性，使參數(shù)保持低于閾值狀態(tài)穩(wěn)定輸出并維持動(dòng)態(tài)平衡，確保盾構(gòu)機(jī)“吃得近，排得出，推得動(dòng)”，形成良性運(yùn)轉(zhuǎn)。

掘進(jìn)過(guò)程密切關(guān)注刀盤(pán)轉(zhuǎn)速、推力、扭矩、貫入度以及土倉(cāng)壓力等參數(shù)的相互關(guān)聯(lián)性，表1為主要掘進(jìn)參數(shù)。根據(jù)地層自穩(wěn)性，可適當(dāng)提高刀盤(pán)轉(zhuǎn)速并降低貫入度，以“高轉(zhuǎn)速，低貫入度”原則控制。憑借“軟巖”的強(qiáng)度特點(diǎn)，刀盤(pán)轉(zhuǎn)速適當(dāng)提高并不會(huì)加劇地表振動(dòng)，但卻可通過(guò)提高刀盤(pán)單位時(shí)間土體切削率同時(shí)降低刀盤(pán)單轉(zhuǎn)土體切削量，既保證掘進(jìn)速度，還能有效避免刀盤(pán)因貫入度過(guò)大而“撕爛”開(kāi)挖面，擴(kuò)大地層擾動(dòng)的問(wèn)題。

其次通過(guò)改良渣土達(dá)到一定流塑性后（但避免一開(kāi)閘門(mén)即噴的狀態(tài)），積極利用螺旋機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)出土，以閘門(mén)開(kāi)度和螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速為雙控，使倉(cāng)內(nèi)出土形成定量，通過(guò)穩(wěn)定的高頻率出土對(duì)應(yīng)高頻率進(jìn)土，在較低推力水平下即可達(dá)到預(yù)期貫入度，從而確保推進(jìn)速度。因刀盤(pán)轉(zhuǎn)速恒定時(shí)，土倉(cāng)排土效率將直接影響倉(cāng)內(nèi)進(jìn)土量，參數(shù)方面以推力和速度體現(xiàn)尤為明顯。當(dāng)螺旋機(jī)排土不暢或不穩(wěn)定時(shí)，倉(cāng)內(nèi)易出現(xiàn)大量積渣從而阻礙新切削土體進(jìn)入土倉(cāng)，導(dǎo)致現(xiàn)有推力無(wú)法滿(mǎn)足預(yù)期貫入度，最終形成推力大，速度小的惡性循環(huán)現(xiàn)象。對(duì)于“輔助氣壓”工法，利用上述方法保障土倉(cāng)進(jìn)出土量動(dòng)態(tài)平衡，倉(cāng)內(nèi)氣渣界面基本保持不變。排渣時(shí)靈活利用自然空氣填補(bǔ)土倉(cāng)，確保土倉(cāng)壓力的穩(wěn)定。

3.2.2? 精細(xì)化技術(shù)管控措施

1）合理控制倉(cāng)內(nèi)實(shí)土量。通過(guò)對(duì)倉(cāng)內(nèi)實(shí)土量的合理調(diào)整和控制，保持2/3倉(cāng)實(shí)土和1/3倉(cāng)自然空氣的分配比例，確保一旦發(fā)生大量漏氣失壓突發(fā)險(xiǎn)情時(shí)，可快速“逼土”推進(jìn)，以最短時(shí)間將土倉(cāng)保滿(mǎn)實(shí)土，從而快速穩(wěn)定開(kāi)挖面。其次控制倉(cāng)內(nèi)氣體空間比例有利于抑制高壓氣體攜帶泡沫污染湖水。再者相對(duì)全土壓模式而言，因減少了倉(cāng)內(nèi)實(shí)土量，從而有助防止結(jié)泥餅并降低實(shí)土對(duì)開(kāi)挖面土體的摩擦碰撞式擾動(dòng)，且設(shè)備整體運(yùn)轉(zhuǎn)負(fù)荷也降至可控范圍內(nèi)。輔助氣壓模式示意圖如圖4所示。

2）合理控制土倉(cāng)壓力。土倉(cāng)在進(jìn)出土過(guò)程中，難免會(huì)引起部分參數(shù)波動(dòng)，其中土倉(cāng)壓力尤為敏感，利用Samson自動(dòng)保壓系統(tǒng)維持土倉(cāng)壓力穩(wěn)定顯然事半功倍。Samson壓力值設(shè)置適當(dāng)?shù)陀陬~定土倉(cāng)壓力0.1～0.2 bar，剩余缺額利用泡沫發(fā)泡空氣予以填補(bǔ)，使土倉(cāng)壓力始終維持穩(wěn)定，控制更為精細(xì)。

3）渣土改良控制標(biāo)準(zhǔn)。渣土改良主要使用泥巖分解型泡沫和水，通過(guò)配比試驗(yàn)得出配比（單位為L(zhǎng)）為泡沫原液：水=1∶22，膨脹率為1∶10～15時(shí)，發(fā)泡效果較好。使原本密實(shí)的塊狀土加速崩解而后在水的作用下（每環(huán)注水量約8～15 m3）形成流塑性較好的“稀泥”，排至皮帶上，基本形成“塌落平鋪”狀態(tài)，如圖5所示。此外在氣壓作用下，“稀泥”還能夠封堵開(kāi)挖面和盾體周邊地層裂隙，抑制土倉(cāng)漏氣，保證倉(cāng)壓穩(wěn)定的同時(shí)也有效控制泡沫污染湖水。

4）出土量控制。出土量以松散系數(shù)1.4計(jì)算虛方約為74 m3。利用容量18 m3的土斗按平斗裝土，實(shí)際出土量控制在理論量的110%以?xún)?nèi)并記錄每斗土所對(duì)應(yīng)的推進(jìn)油缸行程量。每完成掘進(jìn)一環(huán)，須嚴(yán)控土倉(cāng)內(nèi)實(shí)土高度與起始基本保持一致。

5）盾體徑向孔注入衡盾泥。每環(huán)同步定量向盾殼徑向孔注入衡盾泥，抑制盾體上方地層沉降的同時(shí)封堵地層裂隙有助于保壓，如圖6所示。配比設(shè)置：A粉∶水=1.1∶2；A料∶B料=15∶1。經(jīng)計(jì)算，起始階段初次注入量為7 m3，后續(xù)注入量為1.2 m3/環(huán)。

6）同步及二次注漿。同步注漿量為建筑空隙的130%～150%。盾構(gòu)開(kāi)挖直徑Φ6 700 mm，管片外徑Φ6 400 mm，每環(huán)（環(huán)寬1.5 m）同步注漿量實(shí)際為7 m3/環(huán)。要求管片上、下方注漿比例為3∶2。注漿以表2、表3方式進(jìn)行控制。

二次注漿摒棄了利用電瓶車(chē)載運(yùn)注漿設(shè)備及材料的方式，利用同步注漿系統(tǒng)下部一路注漿管加裝三通接長(zhǎng)管后，接入指定管片頂部二次注砂漿，避免了二次注漿與盾構(gòu)掘進(jìn)的作業(yè)沖突。注漿位置為距離盾尾第6環(huán)，注漿間隔為每五環(huán)一注。

3.3? 工后保護(hù)

當(dāng)盾尾全面脫離華藝?yán)?0環(huán)后，以施工階段管片注砂漿的孔間進(jìn)行加密開(kāi)孔再次組織對(duì)管片壁后注水泥漿并且持續(xù)監(jiān)測(cè)，根據(jù)監(jiān)測(cè)情況進(jìn)行補(bǔ)漿。

4? 施工效果

穿越后，建筑物沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降累計(jì)最大為JC7（深沉土體監(jiān)測(cè)點(diǎn)），累計(jì)0.7 mm，設(shè)計(jì)沉降最大控制值為-30 mm；建筑物隆起最大為JC13，累計(jì)2.00 mm，設(shè)計(jì)最大隆起控制值為30 mm。經(jīng)工后鑒定，除原有裂縫外，未發(fā)現(xiàn)新增裂縫，且原裂縫寬度無(wú)明顯變化。

通過(guò)本技術(shù)的應(yīng)用，施工過(guò)程安全平穩(wěn)順利。經(jīng)測(cè)算，為項(xiàng)目節(jié)省經(jīng)費(fèi)上千萬(wàn)元。同時(shí)也為今后類(lèi)似工況的盾構(gòu)施工提供參考和借鑒。

5? 結(jié)論

本文通過(guò)實(shí)際施工案例分析，利用“輔助氣壓”工法，輔以精細(xì)化的技術(shù)管控措施，使盾構(gòu)安全平穩(wěn)地穿越華藝?yán)?，總結(jié)形成一套實(shí)用性較強(qiáng)的盾構(gòu)施工關(guān)鍵技術(shù)，但有以下幾項(xiàng)關(guān)鍵點(diǎn)須注意。

1）地質(zhì)研判及排查。地層須具備一定保壓性?！拜o助氣壓”工法允許地層存在一定程度的裂隙發(fā)育，但需利用其他輔助措施滿(mǎn)足土倉(cāng)的保壓要求。其次施工前須排查區(qū)域范圍內(nèi)勘察鉆孔記錄，管線(xiàn)分布以及地層空洞等情況并提前封閉處理到位。

2）氣壓管理。在盾構(gòu)掘進(jìn)的起始階段，各項(xiàng)參數(shù)平衡還未建立之時(shí)，須通過(guò)靈活調(diào)整泡沫空氣流量或螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速，有效平衡倉(cāng)內(nèi)因地層裂隙或進(jìn)出土而產(chǎn)生的瞬間壓力波動(dòng)，確保土倉(cāng)壓力平穩(wěn)。

3）土倉(cāng)渣土高度。地層氣密性較好，可適當(dāng)降低倉(cāng)內(nèi)實(shí)土高度，但不得低于1/3倉(cāng)，確保渣土能夠封住土倉(cāng)出土口。若地層氣密性欠佳，則須提高倉(cāng)內(nèi)實(shí)土高度，一則有助于應(yīng)急時(shí)的“逼土”推進(jìn)，二則有利于保壓。且每環(huán)起推前和完成后倉(cāng)內(nèi)實(shí)土高度應(yīng)基本不變，防止出土超方。

4）渣土改良。由于盾體周邊地下水在氣壓作用下會(huì)被“逼離”，導(dǎo)致倉(cāng)內(nèi)渣土干燥需主動(dòng)注水的情況。此時(shí)注水量的控制便考驗(yàn)著操作手的經(jīng)驗(yàn)，如何避免因土倉(cāng)注水過(guò)多而出現(xiàn)人為制造噴涌的情況顯然至關(guān)重要。

參考文獻(xiàn)：

[1] 竺維彬，鐘長(zhǎng)平，黃威然，等.盾構(gòu)掘進(jìn)輔助氣壓平衡的關(guān)鍵技術(shù)研究[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2017，54（1）：1-8.

[2] 王懷東.富水地層輔助氣壓平衡模式盾構(gòu)施工方法研究[J].價(jià)值工程，2022，41（12）：95-98.

[3] 陳振鵬.對(duì)盾構(gòu)氣壓法穿越大堤海面漏氣的施工處理技術(shù)[J].上海建設(shè)科技，2016（2）：45-48.

[4] 杜闖東.基巖破碎帶與軟硬不均等不良地層盾構(gòu)掘進(jìn)技術(shù)分析[J].隧道建設(shè)，2015，35（9）：920-927.

[5] 馮利坡，廖少明，周德軍.泥質(zhì)粉砂巖地層地鐵盾構(gòu)掘進(jìn)渣土改良技術(shù)研究[J].隧道建設(shè)（中英文），2021，41（S2）：158-164.

[6] 徐日慶，郭忠，丁盼，等.盾構(gòu)施工振動(dòng)對(duì)鄰近建筑物影響與控制方法研究綜述[J].隧道建設(shè)，2021，41（S2）：14-21.