盾構隧道下穿建筑物控制技術和監測

李 海

(中鐵十三局集團有限公司，長春 130033)

誠然，盾構法修建隧道對周圍土體擾動較小，有利于地面建筑物安全，還可減小對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，又是淤泥質軟土地層，下穿建筑物時采用盾構法施工一般仍會對建筑物安全構成威脅［2-5］。因此在地鐵施工過程中，必須采取有效工程對策，控制地層變形以減少盾構掘進對地表建筑物產生不利影響［6-7］。

1 工程特點

1.1 工程概況

在建蘇州地鐵一號線I-TS-05標蘇州樂園站—塔園路站盾構區間，單延米總長度2 112.526 m，其中左線長度1 066.076 m，右線長度為1 046.450 m。由 2臺φ 6 340土壓平衡式盾構機在塔園路站西端始發，左右線分別掘進，平均日進尺8 m/d，到達蘇州樂園站。

區間隧道在里程 DK5+350—DK5+380從新區實驗中學食堂下方穿過，隧道與建筑物平面、剖面關系如圖1、圖2所示。建筑物采用擴大柱基礎，基底高程0.45 m，基底距離隧道結構頂的垂直凈距為10.66 m。

1.2 施工主要風險

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

區段處于曲線半徑350 m曲線上，已接近不安裝鉸接盾構機的最小曲率，姿態控制存在下述困難:

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 區間線路與食堂平面關系

圖2 區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調整的油缸推力調整量很小，這就更加大了隧道軸線控制和糾偏的難度，稍有控制不當，會形成蛇形掘進。

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

綜合以上分析可以看出，區段水文條件復雜，且正好處于小曲率段，這都給盾構施工控制增加了難度，稍有不當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 盾構下穿施工及加固措施

2.1 地面加固措施

在實驗中學食堂西側和北側，采用工程鉆機斜向鉆孔，鉆至獨立基礎底，區間隧道上方(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。待盾構區間施工至影響區后，根據監測結果，必要時采取分層注漿，以補償地層土體缺失，達到控制沉降的目的。根據平面情況，共設24根注漿閥管。

圖3 實驗中學食堂周邊袖閥管埋設

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入地層，逐次提升或下降芯管即可實現分段注漿。橡膠圈的作用是當孔內加壓注漿時，橡膠圈脹開，漿液從小孔中進入土層，停止注漿時橡膠封閉，阻止土和地下水逆向進入注漿管內。

注漿參數: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，凝膠時間100～120 s。

注漿過程中，每段注漿完成后，向上或向下移動一個步距的芯管長度。每完成3～4 m注漿長度，拆掉一節注漿芯管。注漿結束后，在注漿管上蓋上悶蓋，以便于復注施工。

2.2 盾構下穿施工措施

1)勻速通過，減小擾動。根據以往施工經驗，勻速通過能減小對地層擾動，掘進速度控制在30～40 mm/min。為此在通過建筑物前，盾構機及其配套設施要進行仔細檢修，確保通過時不出現機械故障。

2)嚴格控制出土量。從區間前段掘進情況來看，在蘇州富水含砂地層中，土體膠結性較差，多出土極易形成地面局部較大沉降。通過建筑物期間，應派專人監控出土量，每環出土量控制在40 m3以內。

3)保證同步注漿量。從前段施工注漿量統計結果來看，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)及時進行壁后二次補注漿(圖4)。二次補注漿采用水玻璃—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，雙液漿初凝時間15～20 s。

隧道壁后跟蹤補注漿必須在盾構機過后且要在盾尾脫出管片5～7環時才開始。對襯砌圓環的3塊管片(拱底塊、左右標準塊)進行壓漿，每隔1～2環壓漿一次，注漿壓力控制在0.3～0.5 MPa之間，平均每環管片注漿量控制在1.0 m3左右。壓力過小，漿液不能充滿土間空隙，沉降會持續下去穩定時間過長，對建筑物造成不利影響。壓力過大，會使管片產生變形，影響了隧道成形質量。

圖4 隧道壁后二次補壓施工

5)掘進參數的控制。盾構機下穿實驗中學食堂范圍共40 m，實際環數565～599環。地下掘進時嚴格控制掘進參數，并將掘進情況及時上報地面，地面值班人員負責采集施工監測數據，認真分析監測數據及時調整施工參數，與地下保持持續的動態信息傳遞。

施工過程中當盾構施工至563環時，密封倉設定土壓力由原0.18 MPa(采用公式 P0=K0(γh+q)，K0取值1.1)調整為0.21 MPa(K0取值1.3，考慮上部房屋荷載)，同時將同步注漿方量調整為4.0 m3繼續推進。推進至566環時，根據監測信息反饋上部地表有的地方沉降量達到了5 mm，經分析原因可能是房屋荷載因素考慮過小，立即對推進土壓力進行重新設定，由原0.21 MPa(K0取值1.3)調整為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K0的取值對盾構穿越建筑物時的施工至關重要。

3 施工監測

3.1 監測范圍及頻率

監測范圍一般為盾構機頭前20環，后30環。在盾構距離建筑物50 m時開始加密監測頻率直至跟蹤監測，房屋周圍地表沉降、建筑物沉降、土體分層沉降為2次/d;當盾構距離建筑物20 m時，對監測項目以4次/d頻率進行監測;當盾構距離建筑物5 m時，對監測項目進行全天候高頻率監測，直至盾構穿過建筑物5 m;當盾構離開建筑物5～20 m時，仍然以4次/d頻率進行監測;當盾構位于建筑物20 m以外時，監測頻率恢復正常。

3.2 測點布置

沿隧道推進方向，在距離建筑物30 m范圍內沿隧道中心線布置地表沉降觀測點。為了解土體內部的深層沉降，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點，用以觀測建筑物的沉降，如圖5所示。

圖5 建筑物沉降監測點布置

3.3 管理報警值及監測結果

根據隧道穩定性及建筑物安全相關規程要求，設定管理報警值為:地表累計沉降報警值為±20 mm，單次沉降報警值為±3 mm;建筑物累計沉降報警值為±30 mm，單次沉降報警值為±3 mm。

盾構通過后中學食堂的11個建筑物監測點中累計沉降最大值為9 mm，累計沉降超過10 mm的監測點為0，超過5 mm的監測點3個。

盾構推進拼裝至700環時，隧道已經成功地穿越了中學食堂主要范圍，從監測信息來看，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，盾構成功下穿了實驗中學食堂，施工情況基本在預定措施的控制范圍之內。雖然通過地下掘進參數控制、跟蹤注漿的方式已經使盾構順利通過建筑物，但地面加固保護的方法仍不失為盾構穿越建筑物施工的一道保險工序，更好地為盾構的穿越提供了安全保障。

4 結論

自2010年2月2日晚右線盾構開始從正下方穿越蘇州新區實驗中學食堂，于2010年2月5日中午順利通過中學食堂影響范圍。

在整個盾構下穿建筑物推進過程是相當成功的，通過控制技術和監測結果的分析，得出如下結論:

1)穿越前可選取30～50環作為正式下穿試驗段，以確定并優化下穿時的各項技術參數，特別是盾構前方土壓力設定值，保證正面土體穩定和平穩穿越。

2)通過重要建筑時須加強沉降觀測頻率，并根據監測數據及時調整盾構推進參數，如土壓力、掘進速度、出土量等。

3)盾構掘進時的建筑物保護，同步注漿是關鍵。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，因此也要加強盾尾密封系統管理。

4)根據監測資料及時進行二次補壓漿，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建筑物的關鍵。

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

［1］王夢恕.中國隧道及地下工程修建技術［M］.北京:人民交通出版社，2010.

［2］鮑永亮，鄭七振，唐建忠，等.地鐵盾構隧道施工監測技術［J］.鐵道建筑，2009(5):44-47.

［3］劉建海.盾構隧道同步注漿效果對地層沉降的影響預測分析［J］.鐵道建筑，2010(3):46-48.

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［6］熊建紅，李鋒.熱力隧道下穿既有地鐵線施工綜合防護技術［J］.鐵道建筑，2010(4):50-52.

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