濟南地鐵富水地層盾構下穿建筑物風險分析與控制

喬秀兵 李 猛 周 平

（濟南城建集團有限公司，濟南 250000）

盾構法施工過程中所穿越地層不可預見和復雜多變，存在諸多不可預見的風險，尤其在不良地質條件下穿越建筑物時，施工風險極大，應從盾構法施工對周邊建筑物的影響機理出發，結合工程實例，設定盾構下穿建筑物掘進參數。

1 項目基本概況

濟南市軌道交通R3線王舍人站-裴家營站區間為雙單洞隧道，區間隧道出王舍人站大里程端盾構井之后，沿工業北路直線向東推進，后線路由東轉向北，沿村莊、農田等向北推進，最后推進至裴家營站小里程端盾構接收井。區間隧道下穿的建筑物群有農行濟南東郊支行、蘇寧電器大樓、濟南化肥廠宿舍樓群等建筑物（見圖1、圖2、圖3）。整個下穿建筑物施工過程掘進方向為6‰的上坡，經半徑5000m的豎曲線變坡為0‰，變坡為7.6‰的下坡，盾構機沿7.6‰下坡方向掘進施工。

區間盾構下穿建筑物群段地層分別為粉質粘土10-1層、粉質黏土14-1層、黏土14-2層、碎石15-1層，隧道主要穿越粉質粘土層。對本工程有影響的地下水類型主要為松散巖類孔隙水與碳酸鹽巖裂隙巖溶水。第四系松散孔隙承壓水含水層主要為第四系卵石、碎石層及含碎石粉質黏土層，粘性土地層具有一定滲透特征，水位埋深一般為4.60～8.50m，穩定水頭標高24.62～32.86m。該區地下水涌水量較大，透水性較強，孔隙水單孔涌水量＞500m3/d。

圖1 農業銀行、蘇寧電器大樓平面圖及現狀

2 施工方法

該區間隧道圓形襯砌采用單層鋼筋混凝土裝配式結構，由兩臺土壓平衡盾構機施工，管片型式為平板型，管片外徑6400mm、內徑5800mm、厚度300mm、管片環寬1.2m。襯砌環全環由一塊封頂塊（K塊）、兩塊鄰接塊（L塊）和三塊標準塊（A塊）構成，K塊采用小封頂形式，徑向先搭接2/3，再縱向推入1/3。管片拼裝方式采用錯縫拼裝，因此，設計左、右轉彎楔形環與標準環組合以滿足曲線模擬和施工糾偏，楔形環為雙面楔形，楔形量為△=48.00mm，楔形角?=0.43°，楔形量平分為兩部分，對稱設置于楔形環的兩側環面。

圖2 居民宿舍樓平面圖

圖3 醫院核磁共振、CT室平面圖

3 下穿建筑物措施

3.1 盾構施工掘進參數設定[1]

為確保掘進參數準確，結合國內外盾構施工經驗和自身施工實例，對盾構掘進參數進行了計算和選取，以保證盾構掘進施工進度和地面沉降，具體如下。

3.1.1 土倉壓力

選取常用的土力學公式按水土合算計算靜止土壓力，計算深度選取盾構中心位置：

式（1）中，P為盾構中心水土壓力值；P1為水壓變動荷載；P2為土壓變動荷載；K0為靜止土壓力系數；H為盾構中心上方的各土層厚度（m）；Γ為盾構中心上方的各土層容重（kN/m3）。

由水土壓力計算公式可以看出，水土壓力與隧道埋深密切相關，需根據每環盾構機的具體位置設置有針對性的掘進參數。

3.1.2 總推力

掘進總推力是掘進參數的重要指標，總推力取值是否合適，關系到盾構機能否正常掘進，匹配的總推力還有利于刀盤的保護。分析總結國內外盾構施工的掘進參數，可發現掘進總推力與土倉壓力有著密切關系，總推力計算公式為：

F=πr2×P+P×L×πD×μ+f1+f2±G×γ （2）

式（2）中，F為總推力；P為土倉壓力；r為刀盤半徑；L為盾體長度；D為盾體直徑；μ為摩擦系數；f1為盾尾與管片的摩擦力；f2為后配套牽引力；G為重力沿坡度方向的分力。

其中，r=3.34m，L=9m，D=6.65m，f1=200kN，f2=750kN，G=4000kN，以上數據從盾構機技術手冊中查得，摩擦系數μ暫取0.1，并在試掘進階段根據實際掘進情況對摩擦系數μ進行反算，確定摩擦系數μ的最終取值。

3.1.3 掘進扭矩

盾構機掘進扭矩能直接反映開挖面和土倉內土體的物理性質變化，結合國內外盾構工程施工經驗和盾構機制造商制造經驗，掘進扭矩計算公式為：

T=πr2×60%×Cu+T1×n+T2+T3（3）

式（3）中，T為盾構機扭矩r為刀盤半徑；Cu為開挖面粘滯力系數；T1為刮刀切削扭矩；n為刮刀數量；T2為支撐臂扭矩；T3為攪拌柱扭矩。

其中，r=3.34m，60%為刀盤封閉部分面積（開口率為40%），T1、T2、T3、n均從盾構機技術手冊中查得。

3.1.4 掘進速度

根據盾構機在試掘進過程中積累的地層掘進經驗，確定推進速度為20～40mm／min，同時保證推進速度的勻速性。

3.1.5 刀盤轉速

掘進速度確定后，刀盤轉速主要受刀具貫入度影響，現場選用1±0.1rpm并根據試掘進情況進行調整。

3.1.6 同步注漿

本工程所采用盾構機共設有4個同步注漿點，每個注漿點都有注漿壓力和注漿量顯示。目前使用的砂漿配比漿液初凝時間大概6h左右。根據以往經驗，盾構機注漿管壓力為2～3bar，并根據現場實測進行修正。注漿量設計為理論建筑空隙的130%～180%，本工程理論間隙為1.2×（6.682－6.42）/4＝3.45m3，下穿建筑物段注漿量按照5.5～6.0m3。注漿速度需與掘進速度相結合。

3.2 渣土改良劑注入[2]

采用知名泡品牌泡沫，泡沫原液摻量3%，發泡率在4～6倍，流量100L-400L/min，該泡沫參數在本工程效果較好，達到了出土呈現蓬松牙膏狀的效果。

3.3 盾構掘進控制措施[3-4]

3.3.1 二次注漿

二次注漿能有效填充由于同步注漿不足及地層的擾動產生的盾尾建筑間隙，控制地層的沉降。二次注漿在距離盾尾第8環進行，通過上部三個注漿孔注入，先注兩側再注上端，掘進一環注入一環。漿液為雙液漿，水玻璃濃度35～40Be度，水泥漿水灰比為1∶1，初凝時間控制在2min，注漿終壓為0.5bar，每環總注漿量不能超1.5m3，注漿結束后用止漿塞堵緊注漿孔防止漏漿。

3.3.2 出渣控制

保持精確出渣計量，確保出土不超量。由于盾構機的特殊構造，使其無法觀察掌子面的情況，只能通過出渣量的大小來推算掌子面的情況，出渣量過大，掌子面就有出現了坍塌，所以必須控制好出渣量。在掘進即將結束時，先關閉螺旋機閘門，再停止掘進，使土倉內保持輕微的超壓，也有助于控制沉降。超壓的范圍將根據試掘進情況進行確定。

3.3.3 掘進軸線控制

在實際施工中，由于地質突變等原因盾構機推進方向可能會偏離設計軸線并超過管理警戒值。在穩定地層中掘進，因地層提供的滾動阻力小，可能會產生盾體滾動偏差；在線路變坡段掘進，有可能產生較大偏差。因此，應及時調整盾構機姿態、糾正偏差。

在本區間掘進施工時，依靠轉彎環管片進行線路調整，必要時可利用盾構機的仿形刀進行局部超挖來糾偏；當盾構機滾角過大時，需采用盾構刀盤反轉的方法糾正滾動偏差。

4 結語

通過掘進參數設定和掘進控制措施，盾構機順利下穿建筑物群，建筑物最大沉降量控制在2mm之內，滿足相關要求，驗證了各項施工參數和措施的正確性，為以后類似的施工提供參考。