軟土地層盾構隧道下穿密集建筑群施工風險控制技術

中鐵五局集團電務城通工程有限責任公司 湖南長沙 410075

摘要：城市地鐵盾構隧道不可避免在復雜環境下穿越建筑物、既有隧道或其它城市生命線工程，盾構施工環境風險問題突出。以南京地鐵三號線TA09標段常府街站～夫子廟站區間盾構隧道在復雜環境下下穿或臨近密集建筑群施工中遇到的技術難點為例，在對區間地層進行風險組段劃分基礎上，重點針對施工環境風險，探討了不良地質風險應對措施和風險建筑物保護措施。基于盾構施工關鍵參數與地表沉降、建筑物沉降之間的對應關系，根據試掘進段施工參數的動態優化，確定了下穿建筑物段施工參數的合理控制范圍，通過信息化施工控制順利通過密集建筑群，確保了下穿施工安全，可為類似地層盾構下穿施工提供參考。

關鍵詞：盾構隧道；軟土地層；建筑物沉降；風險控制；參數優化

1 引 言

盾構法是城市地鐵建設中的土要施丁方法，盾構始發、到達及穿越復雜地質及下穿或臨近建（構）筑物施工過程中，面臨極高的施工風險，如盾構隧道施工過程中面臨的地質預報準確性、盾構機適應性和可靠性、盾構進出洞施工、開挖面失穩、盾尾密封失效、軟硬不均且差異性較大地層施工、較大地層損失及不均勻沉降、開挖面有障礙物、隧道上浮、聯絡通道施工、明挖基礎失穩等11種主要風險[1]。目前盾構施工技術已得到快速發展，但由于盾構施工過程中施工參數控制不當、操作失誤或者判斷錯誤所導致的風險隨時可能發生，而且防不勝防，地表塌陷、建（構）筑物開裂及傾斜損壞等事故時有發生。國內外針對盾構隧道施工安全風險管理的研究大多集中在風險評估和風險識別方面，對于如何控制盾構施工過程中的安全風險的研究尚不多見[2]。盾構施工過程的有效管理和風險控制很大程度上依賴于隧道穿越不同區段主要施工參數設定的合理性[3～6]。本文依托南京地鐵三號線TA09標段常府街站～夫子廟站區間盾構隧道始發段1-130環下穿密集建筑群施工案例，分析了施工面臨的主要風險，并總結了施工中采取的主要施工技術措施，為今后類似工程提供參考。

2 工程概況

2.1 工程概況

南京地鐵三號線TA09標段常府街站～夫子廟站區間起訖里程為K23+746.584～K24+613.203。左線盾構隧道全長1603.933m，右線盾構隧道全長1606.976m。盾構區間線路設計最小曲線半徑350m，掘進最大上坡為25‰，最大下坡22.752‰，右線線間距在10.63～16.2m之間，隧道覆土厚度在9.54～20.36m之間。

區間線路主要沿太平南路敷設，沿線主要為上世紀七、八十年代磚混結構建筑，其次少量現代框剪結構建筑，并臨近部分民國時期古建筑，沿線側穿或下穿44棟建筑物，其中盾構始發后下穿五二九公館及劉公巷小區（見圖1和表1）。

2.2 工程地質條件

區間場地位于秦淮河古河道區，地形平坦，地面高程在9.02～10.83m之間。區間填土層之下深度25.6～34.6m以上為全新世中晚期沉積的粉質粘土、淤泥質粉質粘土、粉土、粉細砂及其交互沉積層。區間隧道范圍穿越地層情況詳見表1。場地范圍內有淺層潛水和承壓含水層分布，水量豐富。淺層潛水水位在地面下1.2～2.8m，水位年變化幅度在1.0m左右。盾構始發穿越的③-4b2-3+d2為承壓含水層，③-3b1-2為相對隔水層，承壓含水層水頭埋深在地面下2.05～2.65m，高程為6.63～7.21m（吳淞高程系）。

圖1 盾構始發段線路及建筑物平面圖

表1 常夫區間隧道1～130環段主要風險建筑物統計

序號建筑物名稱建設年份/代層數結構形式基礎類型樁長m對應里程相對位置風險等級

1沿河村03棟20063F磚混帶肋梁整板基礎/K24+455-485右線下穿高

2沿河村04棟20064F磚混0.25m錨桿靜壓樁14K24+455-485下穿高

3沿河村05棟20063F磚混帶肋梁整板基礎/K24+475下穿高

4辦公樓（6#）60年代3F磚混磚砌條形基礎/K24+485下穿高

5住宅樓80年代7F磚混筏板基礎/K24+485右7.9m中

6五二九公館-170年代3F磚混磚砌條形基礎/K24+490-515下穿高

7五二九公館-270年代4F磚混條形基礎/K24+505-535下穿高

8劉公巷5-1號樓19825F磚混0.25m砼灌注樁6K24+535-555下穿高

9劉公巷3號樓19857F磚混預制方樁8K24+560-600右10.3m中

10劉公巷7號樓19867F磚混筏板基礎/K24+560-580下穿高

3 盾構施工風險分析

3.1 地質風險分析

盾構施工參數確定的基本原則主要是依據盾構穿越地層情況，因此可以首先對盾構隧道穿越地層性質進行統計分析，進而根據地層性質將線路劃分為若干風險段，同時考慮盾構施工環境條件的組合風險，再次進行盾構隧道施工安全風險組段的劃分[4]。根據區間盾構隧道安全風險組段的劃分，確定各個組段內的合理施工參數控制范圍，并采取針對性風險規避措施。常-夫盾構區間隧道穿越地層主要為粉質粘土、淤泥質粉質粘土、粉土、粉細砂及其交互沉積混合地層，據此將常-夫盾構區間穿越地層進行安全風險組段劃分，表2是左線隧道地層風險組段劃分情況。

表2 常-夫盾構區間左線穿越地層風險組段劃分

序號里程長度（m）隧道范圍地質主要覆土地層覆土厚度（m）

1K24+609.859～

K24+377.330232.529③-3b1-2粉質粘土（微～不透水）

③-4b1-2粉質粘土（微透水）

③-4b2-3+d2粉質粘土夾粉細砂（弱透水）淤泥質填土、粉砂、硬可塑粉質粘土16.17～19.91

2K24+377.330～

K24+108.720268.610③-3b1-2粉質粘土（微～不透水）

③-4b1-2粉質粘土（微透水）填土、粉砂、流塑粉質粘土夾粉土、硬可塑粉質粘土20.15～17.8

3K24+108.720～

K23+857.680251.040②-3b4+c3粉質粘土夾粉土（弱透水）

③-3/4b1-2粉質粘土（微透水）填土、粉砂、流塑粉質粘土夾粉土～12.25

4K23+857.680～

K23+749.510108.170②-3d3-4粉砂（透水）；

②-3b4+c3粉質粘土夾粉土（弱透水）；雜填土、粉土夾軟流塑粉質粘土、粉砂～9.86

常夫區間隧道穿越地層表現為兩大特點：

（1）區間位于秦淮河古河道沖積平原，地層水平層次分明，主要為粉質粘土與粉砂層兩大類，軟土主要為淤泥質粉質粘土及液化土；

（2）地下水豐富，地下水位高，且因不透水粉質粘土與透水砂層交替分層分布，區間范圍承壓含水層較多分布。

常府街南端盾構到達段上部②-3d3-4層粉細砂為可液化土層。由于盾構掘進時的機械震動及擾動，使得該地層易產生液化現象，輕則造成地面超限沉降，危及地面交通及周邊鄰近建（構）筑物安全，重則引起隧道坍塌，造成巨大經濟損失和惡劣社會影響。

場地分布有范圍廣、厚度大的流塑狀、淤泥質粉質粘土層，具低強度、高壓縮性、透水性弱、不均勻性的特征，掘進開挖易產生流動，施工沉降量大，對地鐵施工會產生不利影響。

區間隧道穿越硬塑至可塑狀粉質粘土地層占55%以上。硬塑至可塑狀粉質粘土層透水性差、強度較高、穩定性好，但盾構機穿越粘性土層時，由于刀盤面需維持較高的壓力，而且溫度較高。粘性土在高溫、高壓作用下易壓實固結產生泥餅，影響正常掘進。

3.2 施工環境風險

施工環境風險分級中應在地質風險分析基礎上，重點調查分析地面和地下建（構）筑物的基礎形式、結構特征以及相對線路的位置、走向、埋深或使用（運營）條件等。綜合考慮隧道埋深、地面和地下建（構）筑物環境條件、盾構穿越地層上覆土層性質以及特殊地質情況（如隧道上方存在河流等水體等）等風險因素，將盾構施工環境的組合風險劃分為I（高）、II（中）、III（低）3級[4]。圖2為常夫區間隧道始發段1-130環地質剖面圖，線路下穿或臨近建筑物風險分級具體詳見表1所示。

圖2 盾構始發段地質剖面圖

夫子廟站盾構始發端頭采用φ850@600×500三軸攪拌樁和旋噴樁封堵措施，縱向加固范圍9.0m。第8環必須已建立設計土壓盾構始發掘進第9環、拼裝第4環完成后，刀盤出加固區0.95米，進入原狀土層。第10環正前方25m下穿劉公巷7號樓，面臨極大的風險，需要在25m的試掘進中通過分析地表沉降與施工參數之間的對應關系，及時調整盾構掘進推力、掘進速度、盾構正面土壓力及壁后注漿量和壓力等參數，從而為盾構下穿建筑物施工確定合理的優化施工參數。

3.3 不良地質風險應對措施

盾構法隧道施工技術參數眾多，根據工程實際情況建立不同監測信息與不同施工參數之間的物理力學關系或統計關系是實現施工控制的關鍵[7]。在目前盾構施工變形的人工控制中，工程技術人員根據以往的實踐經驗，已明確了以下兩點基本的控制策略[8]：（1）調整盾構土倉壓力值來穩定開挖面，從而對盾構正面穩定性及前方的變形起到控制作用；（2）調整盾構尾部的同步注漿參數（注漿量和注漿壓力）來彌補由于盾尾建筑空隙等原因產生的地層損失，從而減小盾尾附近的沉降值。

根據上述安全施工控制思路，穿越不同地層時分別采取以下主要控制、應對措施：

（1）流塑狀、淤泥質粉質粘土層

①合理設定土壓等掘進參數

②嚴格控制盾構姿態，將開挖、掘進對地層的擾動降至最低。加強盾構姿態的測量，調整好盾構姿態、擬合隧道設計線路，盾構穿越時減少糾偏。如掘進與設計線路出現較大偏差，需通過長距離、大半徑的推進來擬合線路，嚴禁急于糾偏。

③隨著盾構的推進，隧道地質、埋深及水位的變化，及時調整好土壓。每環盾構停止推進前，建立略高于推進時的土倉壓力。在盾構機停機時，盾構操作手一定要監視土壓值，當土壓變小時，及時向土倉內打氣或者是小量的向前推進的方式進行保壓，維持土壓平衡。

④增加刀盤前方的泡沫注入量。主要利用泡沫可壓縮性使開挖面的土壓力波動減小，在不影響開挖面穩定的同時，減小對可軟土層的擾動造成的沉降。

⑤及時跟進同步注漿及二次注漿，并增加注漿量。注漿的要點為同步、足量和及時，以便及時填充空隙，減少土體變形。同步注漿采用厚漿，二次注漿采用水泥砂漿。同步注漿時的壓力要求壓入口的壓力略大于該點的靜止水壓及土壓力之和，做到盡量填補而不是劈裂。為了防止同步注漿的注入量不足或者是漿液體積收縮，對脫出盾尾7～9環位置的管片及時進行二次注漿，二次注漿孔位置是管片環左右兩側，每隔4～5環注一次漿。二次注漿由壓力控制，當注漿口處的壓力持續在0.4Bar時立即停止注漿。

（2）液化土層

①采用高質量的泡沫，并加大泡沫注入量、提供泡沫比例。泡沫可壓縮性使開挖面的土壓力波動減小，同時減小盾構施工對液化砂層的振動液化；泡沫的支承作用使開挖土的流動性提高，土壓室內泥土不會產生擁堵；同時，微細泡沫置換了土顆粒中的空隙水，提高了土的止水性，可以有效地防止螺旋輸送機泥水噴涌。

②嚴格按設計計算的水土壓力設定土壓，減小對刀盤前方液化砂層的擠密效應。同時，嚴格控制控制盾構總推力、適當降低刀盤轉速和扭矩。

③嚴格控制推進速度、勻速、均衡推進；同時，保證及時、足量的同步注漿及二次注漿。

④根據地面沉降的發展，選擇后期徑向注漿。注漿通過管片預留吊裝孔打入，采用36mm的注漿管，長度6m，注漿擴散半徑大于0.5m。

圖3 管片徑向注漿示意圖

（3）硬塑至可塑狀粉質粘土地層

①主要應對措施是增加刀盤面板，尤其是刀盤中心區域的泡沫注入量。主要是依靠泡沫界面活性劑的作用，有效防止開挖土附著于刀盤上和土壓室內壁，防止泥餅現象。

②刀盤背面和土倉壓力隔板上設有攪拌棒，以加強攪拌強度和范圍，并通過土倉隔板上攪拌棒的泡沫孔向土倉中注射泡沫，改善渣土和易性，增大渣土流動性。

③必要時螺旋輸送機內也要加入泡沫，以增加碴土的流動性，利于碴土的排出。

④當在全斷面硬塑至可塑狀粉質粘土層中掘進時，采用2/3倉土加氣壓模式掘進。

3.4 風險建筑物保護措施

為了確保沿線風險建筑物的安全，施工準備和盾構施工過程中應認真落實以下保護措施：

（1）通過對下穿的建筑物進行建筑物調查，詳細探明建筑物基礎、建筑物結構特點、所屬單位、是否有開裂等現象、修建年限等情況了解詳實，并形成記錄。

（2）加強施工組織管理，穿越上述建（構）筑物時，建立項目部、井口、隧道內、建筑物“四點一環”的指揮管理系統，充分考慮并制定各項措施、方案、預案及應急措施，備好應急物資，最大限度發揮項目部的各項管理、組織職能，為施工順利開展提供保障。

（3）盾構機穿越地面環境復雜地段前，采取有意識的預先停機維護，對盾構機的性能進行全面的檢修，配置充足的盾構機易損部件，特別是對盾構機的密封性能進行檢查，保持盾構機以良好的狀態完成特殊地段的掘進施工：

①對盾尾密封性的檢查，確保盾構機的注漿效果，不因盾尾密封性不好而產生漏漿；

②對盾構機鉸接密封性進行檢查，避免因鉸接密封損傷而產生出水；

③對螺旋輸送機密封性的檢查，避免因螺旋輸送機密封性不好而發生漏氣泄壓。

（4）施工參數優化

在穿越鄰近建筑物時，應合理設置土壓力值，保持正面的平衡，防止超挖和欠挖；穿越時適當降低推進速度，控制總推力，減少土層擾動；穿越前調整好盾構姿態，穿越時減少糾偏次數及糾偏量，減少土體的擾動；在穿越鄰近建筑物地段，保證一次穿過。

（5）有效的渣土改良

根據下穿風險建筑物處隧道所處地層地質特點，選用優質的泡沫進行渣土改良。通過減小盾構掘進對土層的擾動和防止螺旋機噴涌來減少土層沉降。

（6）優化同步注漿的厚漿配比，提高漿液凝結速度和強度，及時減小土層沉降。

（7）監控量測措施

重點監測地表及隧道隆陷、建筑物及管線變形、隧道周邊位移、土體內部位移等。根據建筑物的性質、結構形式、基礎形式等建立不同的控制值，通過監控量測及時掌握建筑物的變形情況，及時調整施工工藝，確保建構筑物保護管理在可控狀態。

（8）應急加固預案

施工期間根據監測結果，當變形超出一定數值之后立即啟動應急預案。應急預案主要為地表靜壓注漿加固。在建筑物地基基礎角點設置注漿孔，沿基礎邊緣間隔1m設置一排注漿孔，對基礎下土體進行雙液注漿加固。注漿從地面傾斜注漿，采用63.5mm注漿鋼管，預埋袖閥管采用孔徑68mm。注漿材料為：A液水泥砂漿采用普通硅酸鹽水泥，水泥摻量15%；B液采用波美度35°～40°的水玻璃，A、B液配置后雙液漿的粘度大于35″。

4 盾構施工參數優化及實施效果

4.1 盾構施工參數設定

盾構出加固區后在原狀地層試掘進，土層平均飽和容重=19.6kN/m3，土體側向靜止平衡壓力系數k0=0.45，地下水位深度取2.0m，土壓力按水、土分算，線性迭加，因本區段下穿較多重要建筑物，根據地面建筑物情況（3～7層磚混），考慮附加應力為36k0；土倉上部壓力=靜止土壓+水壓+地面建筑附加應力。掘進參數初始設定值如下：

土倉中上部土壓力根據每環實際地層分布情況及隧道埋深設定0.21～0.24MPa，推進速度20～30mm/min，根據實際掘進逐漸增大至30～40mm/min，注漿壓力初始設定為0.25～0.38MPa，理論出土量42.7m3，刀盤轉速1.0～1.5rpm，刀盤扭矩1000～1400KN·m，盾構掘進總推力設定為1200t。同步注漿采用厚漿，其配比如表3所示，初凝時間為24h。根據施工監控反饋信息，動態調整盾構掘進參數。

表3 同步注漿厚漿配比（單位：Kg）

水黃砂粉煤灰膨潤土石灰

35011503008080

4.2 施工參數統計及實施效果評價

因盾構土倉內土壓力的合理設定是盾構施工過程控制的關鍵，同時維持和調整設定的壓力值又是盾構推進操作中的重要環節，這里面包含著推力、推進速度和出土量的三者相互關系，對盾構施工軸線和地層變形量的控制起主導作用，所以在盾構施工中要根據不同土質和覆土厚度、地面建筑物，配合監測信息的分析，及時調整平衡壓力值的設定，同時要求推進速度保持相對的平穩，控制每次糾偏的量，減少對土體的擾動，并為管片拼裝創造良好的條件。同時根據推進速度、出土量和地層變形的監測數據，及時調整注漿量，從而將軸線和地層變形控制在允許的范圍內。

為了確保盾構安全下穿密集建筑群，在盾構出洞第10環至下穿劉公巷住宅樓前第30環試掘進段的地表沉降及盾構施工參數之間的對應關系進行統計分析，結果顯示在對區間線路地層特性進行風險組段劃分基礎上，根據每環實際地層情況進一步動態優化盾構施工預設參數，盾構施工引起的前期沉降、切口沉降、盾尾沉降和空隙沉降可控制在±5mm以內，滿足下穿或臨近建筑物施工變形控制標準+5～-10mm。

圖4 地表沉降隨刀盤推進變化曲線

為了更全面地分析30-130環里程段盾構下穿或臨近建筑物施工參數與地表沉降和建筑物沉降之間的對應關系，圖5～圖10分別給出了盾構隧道出加固區后第10環至第130環段土倉上部土壓力、盾構總推力、推進速度、實際出土量、同步注漿量的統計分析曲線。

圖5 10-130環盾構掘進土壓力統計曲線

圖6 1-130環盾構總推力統計曲線

圖7 1-130環盾構推進速度統計曲線

圖8 1-130環盾構掘進實際出土量統計曲線

圖9 1-130環盾構同步注漿量統計曲線

圖10 建筑物1～22測點沉降變化量

表4 盾構施工參數均值統計

上部土壓（MPa）總推力（t）推進速度（mm/min）出土量（m3）同步注漿（m3）

0.24129837.5741.963.97

表4是10-130環各施工參數的均值，與理論預設值基本接近，可以為類似地層條件下盾構施工提供參考。而根據下穿或臨近建筑群22個沉降測點數據的跟蹤分析，建筑物沉降控制在+3～-1.0mm范圍內，雖然軟土地層盾構施工后續固結沉降歷時較長，建筑物仍有部分沉降未完成，但從目前的監測結果和沉降速率分析，最終沉降變形量不大，對建筑結構安全影響不大。

5 結 論

（1）施工階段關鍵節點的風險識別與控制對安全施工起著舉足輕重的作用。施工前對盾構隧道穿越地層性狀進行統計分析，據此確定地層基本組成單元，在此基礎上確定線路穿越的主要組合地層，并對盾構隧道進行安全風險組段劃分，并考慮施工環境風險等級需求，確定各個地層組段內盾構施工參數的合理控制范圍，從而規避施工中的安全風險。

（2）盾構隧道下穿復雜環境施工過程中，基于地層組段劃分情況，通過信息化施工控制，建立監控信息與土倉壓力、同步注漿參數等主要施工參數之間的對應關系，進而動態調整盾構施工參數，可為復雜環境下盾構下穿施工提供安全保障，為工程決策提供依據。

（3）盾構施工是一個復雜的系統工程，受地層條件、盾構設備及周邊環境的綜合影響，往往導致盾構各階段引起的地表或建（構）筑物的變形具有較大的變異性，施工中每一環的掘進均應采取精細的信息化施工控制技術。