盾構下穿中心城區建筑物的微擾動施工技術

上海市基礎工程集團有限公司 上海 200002

1 工程概況

上海軌道交通12號線13標工程嘉善路站—陜西南路站區間位于上海市中心城區，單線長1 388.992 m。隧道最小曲線半徑為350 m，最大縱坡為2.7897%（圖1）。

圖1 嘉善路站—陜西南路站區間隧道概況示意

區間盾構施工需穿越成片的大量建筑物，經統計共穿越沿線房屋193處，房屋面積共計435 583 m2。

盾構施工位于正常地層與古河道地層交界處，地基土層分布較復雜。按其沉積時代、成因類型及其物理力學性質的差異可劃分為7個主要層次：⑤1-1黏土層、⑤1-2粉質黏土層、⑤3-1粉質黏土層、⑤3-1t黏質粉土夾粉質黏土層、⑤4粉質黏土層、⑥粉質黏土層、⑦1砂質粉土層[1,2]。

2 微擾動施工控制要點

2.1 土壓力設定

根據土壓平衡盾構的原理，土倉中的壓力須與開挖面的正面水土壓力平衡，以維持開挖面土體的穩定，減少對土層的擾動。

因施工范圍內土層既有黏土和粉質黏土，又有砂性土，因此，針對黏性土層的土壓力計算采用水土合算，針對砂性土層的土壓力計算采用水土分算。考慮土體擾動后性質變化、盾構推進速度、超載狀況等因素，在計算值基礎上考慮正面水土壓力的調整系數，其值一般在黏性土中取1.05～1.12，砂性土中取1.13～1.15。

根據以上公式計算穿越區域土壓力的理論值，實際土壓力設定值根據沉降數據值進行微調，同時在推進過程中，要保證實際土壓力與設定值之間的差值控制在±5%以內。

2.2 推進速度控制

土壓平衡盾構壓力倉內土壓力大小與盾構推進速度以及出土量有關：若推進速度加快而出土率較小，則土壓倉土壓力會增大，其結果將導致造成地面隆起。反之推進速度放慢，出土量增加將令土壓倉土壓力下降，引起地面下沉。為此盾構推進過程中應做到：降低推進速度，嚴格控制盾構方向、姿態變化，減少糾偏，特別是杜絕大量值糾偏，保證盾構機的平穩穿越。

本工程中，盾構推進速度控制在20～30 mm/min，并根據監測數據適當調整。穿越區施工過程中，盡量保持推進速度穩定，確保盾構均衡、勻速地穿越建筑物，以減少對周邊土體的擾動影響，以免對其結構產生不利影響。

2.3 出土量控制

出土量是與土層損失緊密聯系在一起的，它與一環長度內盾構的體積直接相關。假定基準出土率時地層損失為0，則實際出土率變化時將引起附加的地層損失。

出土量的控制應與掘進速度的控制保持一種動態平衡狀態，即盾構的出土量應和盾構掘進進尺內掘削的土體保持平衡，而出土量又與螺旋機轉速密切相關，即單位時間內出土量大，則螺旋機轉速高，出土量小則螺旋機轉速低，盾構正常掘進時，螺旋機轉速控制一般可采用自動控制模式，如果推進速度需要降低至10 mm/min，則螺旋機自動模式在最低轉速下出土量仍然可能大于掘進速度所要求的出土量，因此，可結合手動模式進行出土量控制[3-6]。

2.4 盾構姿態控制

在穿越期間，因盾構進行平面或高程糾偏時會增加對土體的擾動，因此在穿越過程中，在確保盾構正面沉降控制良好的情況下，盡可能減少盾構糾偏量和糾偏次數。

在盾構推進過程中，應按照“勤測勤糾、小角度糾偏”的原則進行糾偏控制，盾構平面偏差控制應根據所擬定的分段糾偏的方案按照計算的千斤頂行程差和平面偏離值進行控制，考慮到盾構在小半徑曲線段掘進時，盾構與隧道軸線始終存在1個夾角，導致盾構千斤頂對盾尾后的隧道存在一個向曲線外側的推力，因此盾構糾偏控制考慮預先將軸線向軸線內側偏離20 mm，以防止隧道外移引起軸線超標，以此為基準，將盾構切口和盾尾的偏差控制在±20 mm以內，即盾構切口偏離值控制在-40～0 mm范圍內，盾尾偏離值控制在±20 mm范圍內。

2.5 同步注漿控制

盾構施工過程中，采用同步注漿工藝，確保漿液填充盾尾管片與土體間的建筑空隙，注漿量的控制應根據模擬推進的監測數據進行，動態控制。盾構掘進過程中應加強盾尾密封油脂的壓注，以保證盾尾密封刷的密封性能。

盾構推進中的同步注漿是充填土體與管片圓環間的建筑間隙和減少后期變形的主要手段，也是盾構推進施工中的一道重要工序。嚴格控制同步注漿量和漿液質量，務必做到3點：

1）漿液的配比須符合質量標準；

2）保證每環注漿量能充盈盾構機通過后所形成的建筑間隙；

3）控制注漿壓力，進行均勻壓注漿液；通過同步注漿及時充填建筑空隙，減少施工過程中的土體變形。

2.5.1 漿液質量標準

根據漿液基準配合比及性能要求，嚴格控制漿液質量。其中，黃砂∶粉煤灰∶膨潤土∶石灰∶添加劑∶水=800∶400∶50∶100∶3∶340，漿液質量密度＞1.8 g/cm3，坍落度120～160 mm，坍落度經時變化5 cm（20 h），泌水率＜5%，抗壓強度R7＞0.15 MPa，R28＞1.0 MPa。

2.5.2 注漿量

由于盾構外徑大于管片的外徑，所以管片脫出盾尾后會在管片與周圍土體之間形成建筑空隙。考慮注漿的漿液除填充盾尾的空隙外，還將滲透到周圍土體中，而且漿液在固結過程中也會產生收縮，所以實際注漿量相較理論注漿量需考慮一個注漿量調整系數，該系數與土體性質、注漿壓力、漿體材料及配比等有關。

因控制地層損失率的需要，同步注漿量較一般情況有所增加，注漿量調整系數控制在1.5～2.0，實際注漿量相當于建筑空隙理論計算值的150%～200%，即2.2～2.97 m3/環。由于小半徑曲線段施工段帶來的超挖和砂性土區域的漿液流失，實際注漿量和注漿壓力根據監測數據進行動態調整。

2.5.3 注漿壓力

為保證漿體較好地滲入周圍土體中，注漿壓力須大于隧道所處的土壓力值。而且必須控制在較好的范圍之內，保證只是填充而不是劈裂，實際注漿壓力按照1.1～1.2倍的靜止土壓力進行控制。

2.6 微擾動注漿控制

為減少施工沿線建筑物沉降，進一步充填盾構施工造成的地層損失，考慮在盾構機后方實施壁后微擾動注漿。根據監測資料，于管片脫出盾尾8～10環后實施，在注漿后，依據建筑物監測數據，必要時可多次實施注漿以控制隧道上方土體、建筑物等后期產生的沉降，控制施工對沿線建筑物和環境的影響。

1）注漿孔布置：每環管片注漿孔共計15個，分別布置在拱底塊、標準塊和鄰接塊內。根據監測數據對需要加固的部位進行必要的注漿加固。先用沖擊鉆將預留孔疏通，將特制的防噴裝置安裝好，并將單向球閥接在注漿管上，以便注漿（圖2）。

圖2 管片注漿孔分布示意

2）漿液配比：注漿通常采用水泥單液漿或水玻璃、水泥漿混合雙液漿2種漿液搭配使用。其中單液漿的特點是均勻、密實、注漿壓力小；雙液漿的特點是凝固快、收縮小、補償變形迅速。以200 L漿液配比為例，甲液中的水為100～120 kg，水泥為200 kg：乙液中的水玻璃為30～50 kg。甲、乙兩液配比由現場試驗確定，初凝時間確定為30～60 s。上述漿液配比僅考慮土體加固注漿為一次性施工，如注漿孔需多次打開重復注漿，應適當降低水玻璃用量，以保證再次注漿時注漿孔能被順利打開。

3）注漿壓力和流量控制：注漿壓力控制在0.3 MPa以下，注漿流量為10～20 L/min。

3 實施效果

3.1 盾構穿越沉降控制效果

以嘉善路站—陜西南路站區間上行線盾構始發后25～60環范圍內建筑物為例，上行線盾構穿越該區域后，建筑物累計沉降曲線如圖3所示。

圖3 建筑物累計沉降變化曲線

上行線盾構通過該區域后，即10月26日，該區域建筑物均為累計隆起狀態，最大隆起5.68 mm，最小隆起0.41 mm。上行線盾構通過該區域10 d后，即11月6日，該區域建筑物最大隆起5.3 mm，最大沉降-2.96 mm[7,8]。

3.2 二次注漿沉降控制效果

盾構穿越施工完成后，隨即對該范圍內建筑物進行微擾動注漿，以控制其沉降發展，自11月7日～11月16日共11 d，分5次進行注漿施工，累計注漿量5.8 m3，單次每孔注漿量100～200 L，采取少量多次的注漿方式，在加固土體的同時，盡量減少注漿對土體的擾動。

上海地區盾構法隧道施工的地層損失率一般要求控制在0.5%以內。由于本工程周邊環境情況復雜，特提高地層損失率控制標準，使其≤0.3%，據此可根據Peck公式計算出盾構隧道施工完成后的地面最大沉降控制值。在研究區域范圍內的盾構隧道埋深為19.231 m。經計算，該區域盾構穿越完成后，15 d的地面沉降最大值應控制在-1.62 mm，30 d的地面沉降最大值應控制在-2.43 mm。

從圖4監測數據可以看出，注漿過程對建筑物擾動很小，沉降點數據基本穩定，至11月23日（盾構穿越完成17 d），最大累計沉降為-1.55 mm，最大隆起為3.87 mm。

從圖5監測數據可以看出，由于進行了微擾動注漿控制，盾構施工完成后30 d內，研究區域內建筑物沉降穩定，至12月6日（盾構穿越完成30 d），最大累計沉降-2.29 mm，最大累計隆起3.1 mm。

圖4 穿越完成后17 d的建筑物累計沉降變化曲線

圖5 穿越完成后30 d的建筑物累計沉降變化曲線

由于該區域盾構上方均為建筑物，故以建筑物沉降量來校核地層損失率控制情況，經比較，盾構穿越后15 d和30 d的沉降控制指標均符合0.3%地層損失率控制要求。

4 結語

綜合各項技術措施將本次盾構穿越中心城區建筑物實現微擾動施工的關鍵因素，總結如下：

1）合理、及時地調整盾構施工參數為微擾動穿越施工提供了有力的保障。

2）少量、多次、及時的二次注漿對已擾動土體的穩定起到了關鍵作用。