淺談盾構下穿建筑物掘進參數控制

王磊

摘要： 文章結合重慶地鐵5號線5106標盾構機下穿重慶地鐵一號線等建筑物的工程實例，研究分析了盾構隧道下穿施工對城市建筑物的影響機理，提出了相應的盾構機下穿建筑物施工的掘進參數和控制地層沉降的技術措施。

Abstract： Combined with the engineering example of shield machine 5106 of Chongqing Subway Line 5 underpass Chongqing Line 1 and other buildings， this paper studies and analyzes the influence mechanism of the underpassing construction of shield tunnel on the city buildings， puts forward the corresponding tunneling parameters of the underpassing construction of shield machine and the thecnology measures of controlling stratum settlement.

關鍵詞： 盾構隧道；下穿施工；地層變形；掘進參數；控制措施

Key words： shield tunnel；underpassing construction；ground deformation；tunneling parameters；control measures

中圖分類號：U455.43 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2016）08-0107-04

0 引言

盾構法作為地下空間拓展的一種工法，具有施工占地小、對周邊環境影響小、施工環境好、機械化程度高、開挖速度快、安全性高、成型隧道質量高等特點。然而，由于盾構機所穿越地層具有不可預見性和復雜多變等特點，施工中往往存在著許多不可預見的風險，特別是在不良地質條件下穿越建筑物時，施工風險極大，可能會造成對建筑物的損壞和破壞，造成重大財產損失或人員傷亡事故。所以，在盾構下穿建筑物施工中一定要嚴格把關，控制好一切不利因素。 本文將從盾構法施工對周邊建筑物的影響機理出發，依托重慶地鐵5106標歇石區間施工，尤其是盾構下穿一號線工程實例，詳細介紹盾構下穿建筑物的掘進參數控制。

1 建筑物變形控制基準值

盾構施工隧道通過的地層是復雜多變的，在一定范圍內會引起土體的位移和變形，在影響范圍內的地表建筑物，由于地基土體的變形會導致其外力條件和支承狀態發生變化，可能會造成既有建筑物發生沉降、傾斜和斷面變形等情況，如果不嚴加控制，就可能出現嚴重的后果。

為了使下穿建筑物的隧道質量得到保證，以及鄰近建筑物的結構安全，國家和一些地區根據表1所示的巖土參數，制定了合適的變形控制基準值。通常地表沉降控制基準值應綜合考慮地表鄰近建筑物、地下管道及地層結構和結構穩定性因素，分別確定其地表沉降允許值，并取其中最小值作為控制基準值。

盾構隧道鄰近施工時，應以不造成原有構筑物的不良影響為前提，能定量表示出不對建筑物造成傷害的影響值。

2 工程概況

2.1 區間概況

歇臺子站～石橋鋪站區間（以下簡稱歇～石區間）采用復合式TBM法施工，區間設計右線起訖里程為YCK28+264.960～YCK29+513.100，右線全長1248.140m；左線起訖里程ZCK28+264.960～ZCK29+513.100（其中ZCK28+300.000～ZCK28+400.000為長鏈，實際長度14.057m），線路實際總長1262.215m。全區段為雙洞單線隧道，左右線并行，邊線間距約9m，設計縱坡19‰～34.567‰，軌面標高283.788～320.188m，隧道擬采用單心圓截面，巖石全斷面掘進法（復合式TBM隧道法）施工。

2.2 周邊建筑物情況

本標段區間下穿既有一號線及地面周邊建（構）筑物，做好地下及地面周邊建（構）筑物的保護是本工程的重點，沿線主要建筑物見表2～表3。

2.3 管線情況

沿線區域主要分布的管線有污水管、上水管、煤氣管、工業管線及通信管線等，埋深較淺均為1.5m～8.5m，區間隧道軌面埋深為13m～39.2m，對管線影響較小。

由于下穿建筑物施工比較多，主要以下穿運行的一號線為例來進行分析說明。

2.4 與即有一號線位置關系

重慶軌道交通五號線土建5106標項目部歇臺子站～石橋鋪站區間復合式TBM施工410～495環為下穿地鐵一號線掘進，與一號線最小凈距為2.062m（掘進環號為439環，拼裝環號為435環，切口環里程為YDK28+860），屬于重慶地鐵首個特級風險源。按照圖1所示的拼裝435環刀盤與一號線的相對位置示意圖，一號線礦山法隧道為馬蹄形斷面，按新奧法原理設計，采用復合式襯砌結構，鉆爆法施工。隧道斷面為11.08×8.358m，初支220mm，二襯450mm，目前已投入運營。該風險工程位于渝州路下方，為一號線歇臺子站～石橋鋪站區間隧道，下穿過程中一號線列車是載客行駛。

該段掘進過程中縱坡為34‰通過R=5000m豎曲線變為縱坡為19‰單面下坡；平面曲線為R=1500m半徑曲線段（410～452環），緩直段（452～488環），直線段（488～495環）組成。

根據圖2所示下穿段平面詳勘圖，區間隧道下穿一號線區段以中風化砂質泥巖為主，局部范圍有中風化砂巖侵入，復合式TBM掘進風險大。為防止開挖拱頂下沉而引起既有線變形、開裂等安全問題，在復合式TBM通過前，對既有一號線內結構進行調查分析，以進一步了解該段隧道范圍內部情況，同時在受影響的區段隔環預埋注漿管，當沉降變形超限時，及時組織補強注漿；在復合式TBM通過時，洞內加強掘進參數控制，主要是掘進速度、土倉壓力和復合式TBM姿態控制，加強同步注漿和二次注漿，地層變形，確保復合式TBM快速、平穩通過該地段。加強監測和對既有線的觀察，通過監測信息及時反饋，對各項施工參數進行調整，以減小既有結構的變形。

3 盾構掘進參數的確定及盾構施工過程

實際盾構隧道施工過程中，要求盾構在通過該特殊段時主要根據“勻速通過、嚴注漿、勤測量等”來控制建筑物的變形。

3.1 準備工作

①工前對沿線盾構施工影響范圍內的建筑物進行全面調查，列出需重點保護的對象名稱及反映其所處里程、地面位置、類型、結構等詳細參數的清單，提前作出預案，準備相應材料設備。②根據地質勘察情況或盾構推進過程中的地質變化情況，對建筑物周邊地質進行補充詳細勘察，明確地形情況、基礎土層結構、各土層土體性質、地下水情況等。③加強施工過程中建筑物和土體監測。按其沉降要求做全面的統計，計算出沉降預警值、允許最大沉降量和不均勻沉降要求，為以后施工提供指導。④將始發后的20環列為試驗段，在試驗段階段，對盾構的各個工藝流程和施工參數，尤其是注漿工藝進行24h監控，做好過程記錄，為盾構安全、順利的下穿建筑物提供切實可行的技術參數和措施。⑤針對需要重點保護建（構）筑物，提前作出預案，并準備相應材料設備。

3.2 勻速通過

掘進施工中，地層的變形主要是隧道開挖所造成的，不同的地層和不同的掘進參數對地層的變形影響很大。工作人員需密切關注土艙出土情況，根據刀盤前的地層正確選擇盾構機掘進參數，以“平穩、勻速推進、低扭矩、頂住正面、調整壓力、封住盾尾”的技術內涵為基礎，以“保頭護尾”的技術為方針，控制好刀盤扭矩、推進速度、泡沫參數、滲入尺度、碴土情況等施工參數，盡量減少故障，避免發生意外造成停機?？焖賱蛩偻ㄟ^鄰近建筑物，可縮短圍巖的暴露時間和變形。在掘進時，控制好土艙內的壓力平衡，控制好出土量，防止超挖。圓形土壓平衡盾構理論排土體積V 為：V=■？仔·d2·L·a=■×3.14*6.8852×1.5×1.8=100.4m3

式中：d為開挖直徑，L 為推進長度，a為土的天然密實體積與虛方體積系數。

3.2.1 嚴注漿

由于刀盤直徑比盾構直徑大， 開挖出來的隧道與盾體或隧道襯砌之間形成一定量的空隙；而且由于盾殼與地層之間的摩擦阻力作用，必然會產生一個滑動面。臨近滑動面的土層中會產生剪切應力，當盾構剛通過受剪切破壞的地層時，因受剪切而產生的拉應力導致土壤立刻向盾構后面的空隙移動；當管片脫出盾尾后，如不及時充填該空隙，就會被周圍土體占領，最終形成較大的地面沉降。壁后注漿是對盾尾形成的施工空隙進行填充注漿，是控制地層沉降的一個重要環節之一。

嚴格控制同步注漿量和漿液質量，務必做到以下三點：

①保證每環要達到注漿總量。②保證盾構推進每箱土的過程中均勻合理地壓注。③漿液的配合比必須符合標準，可以根據實際情況合理修改漿液配合比。

在硬土層中，如硬土泥板巖層中，沒有大的裂縫，漿液不會流失到周圍土體中去，所以在硬土層中漿液滲透量較軟土層小；同時，硬土層的強度大，穩定性比軟土層好。當管片脫離盾尾后，產生較大的建筑空隙，會造成管片上浮等多種問題。所以注漿時，應適當加大注漿量、降低注漿壓力，因漿體中的膠凝材料可充分進行水化作用，提高漿體強度，有利于減小對地層的擾動、減小地層應力釋放。如果壓力過高，盾尾空隙填充完后，漿液會流向盾體、刀盤，嚴重時會裹往盾體、包裹刀盤刀具。

注漿量

q=■（D■■-D■■）ma=■（6.8852-6.62）÷1.5×1.8=6.8m3

其中，D1為開挖直徑，D2為管片外徑，m為管片長度，a為注入率。

3.2.2 勤測量

在隧道過建筑物時，地表沉降必須全線進行，并沿縱軸線每5 m 布置地表樁測點 ， 進行連續測量。對位于沉降槽影響范圍的建筑物，作重點保護監測，加強監測力度。隧道內的盾構機要控制好姿態，盾構姿態變化不可過大、過頻。根據盾構姿態合理使用仿形刀和千斤頂編組頂進，糾偏幅度不宜過大，盡量保持機體平穩推進，避免由于機體擾動周圍土體和超挖引起地層損失，對地面沉降控制造成不利影響。

3.3 下穿段掘進參數

從表4中可以看出，將中部土壓控制在0.1bar，推力控制在13000kN，刀盤扭矩在3200kN/m附近時，速度在30mm/min，也就是推進一環在60分鐘以內，考慮到二次補漿的速度和準備工作，剛好能滿足現場施工。

4 監控測量管理

4.1 測點埋設情況及監測項目

測點埋設情況：目前歇臺子站～石橋鋪站區間已埋設完成測點情況：既有一號線歇石區間隧道結構凈空收斂測點215個，隧道結構拱頂下沉測點124個，軌道結構（道床）豎向位移215個，裂縫測點273個；5號線地表沉降監測點178個，拱頂測點59個，凈空收斂測點11個，建筑物沉降5個，建筑物傾斜1個，管線沉降3個。

監測項目：地表沉降、隧道結構凈空收斂、拱頂下沉、軌道結構（道床）豎向位移、建筑物沉降、建筑物傾斜、管線沉降。

監測頻率及監測控制指標：詳見表5。

4.2 施工監測結果

表6所示監測結果顯示，截止2015年11月11日，巡視無異常、監測無異常。從2015年10月23日到11月5日，共14天的時間，經過精心策劃和準備，下穿過程中全體員工的盡職工作，在沉降允許的范圍內安全快速通過了一號線。

5 總結

歇臺子站～石橋鋪站區間盾構下穿施工的順利實施，充分驗證了本文盾構下穿施工參數監測控制方案的可行性。目前，地鐵下穿既有建筑物的工程越來越多。在防止盾構推進過程中造成既有盾構施工區段內土體下沉危及地面建筑、行車和行人安全的同時，還要確保隧道在列車運行荷載作用下的結構穩定。盾構施工穿越建筑物等障礙物時，施工前首先要對既有建筑物調查，充分了解具體邊界條件后再分析可能產生風險的原因，有針對性地制訂相應的施工措施，并做好施工過程中的監測工作，依所測監測數據及時調整盾構參數。同時，針對穿越障礙的風險，制訂相應的應急預案，以保證在出現意外情況時仍然可以按預案進行處理而不致于手足無措。

參考文獻：

[1]顧艷陽.降低盾構法施工成本的措施探討[J].價值工程， 2013（01）.

[2]王小紅.小議地鐵施工盾構法施工技術[J].科技創新與應用，2013（34）.

[3]劉娜.盾構法施工單機核算管理模式的應用[J].現代隧道技術，2012（02）.