盾構富水砂層中穿越低矮建筑群施工技術研究

摘要：針對南昌軌道交通2號線一期工程七標盾構隧道工程施工過程中，因穿越老舊低矮建筑群而可能出現的地面沉降和房屋坍塌問題，就富水砂層盾構下穿建筑物風險進行分析，并基于盾構前期掘進過程中的掘進參數、地表沉降等的統計情況，從盾構下穿建筑物期間的掘進參數控制、通過后控制措施等方面進行分析，提出針對性的控制措施。對盾構通過前后建構筑物沉降監測分析可知：地表沉降累計值最大為13.1mm，實現地面累計沉降值小于20mm的目標，盾構施工過程中未對原有房屋結構質量產生明顯影響。

Abstract： In the construction process of the seven-standard shield tunnel of the first phase of Nanchang Rail Transit Line 2， the groundwater subsidence and house collapse caused by the passage of the old low-rise buildings will be under the shield of the rich sand layer. The risk analysis of the building is carried out， and based on the statistics of the excavation parameters and surface settlement during the tunneling process， the excavation parameter control and the post-control measures during the tunneling of the shield are analyzed. Control measures. According to the monitoring analysis of the shield construction through the front and rear structures， the cumulative value of surface settlement is 13.1mm， and the target of the ground settlement is less than 20mm. The construction of the shield does not have a significant impact on the structural quality of the original building.

關鍵詞：盾構;富水砂層;低矮建筑群;沉降控制;施工技術

Key words： shield;water-rich sand layer;low-rise buildings;settlement control;construction technology

中圖分類號：U445.4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）18-0222-03

0? 引言

目前國內各地地鐵建設中，盾構穿越建筑物的掘進技術依舊是研究重點，加之近年來北京地鐵、上海地鐵、廣州地鐵、杭州地鐵在地鐵施工中頻發安全事故，直接威脅到人民生命財產安全，給居民的生命財產造成很大危害的同時，也給地鐵施工帶來巨大困擾和經濟損失，更給南昌地鐵2號線施工敲響了警鐘。對于南昌地鐵2號線，區間隧道穿越城市老式民房區，沿線分布多達幾十處居民樓、辦公樓、沿街店鋪，從磚砌結構低矮建筑群到高層現澆框架結構大樓均有涉及，對環境的控制要求更為嚴格。隧道開挖范圍主要為砂礫層及風化巖層，層厚較大，富水性好，透水性強，軟弱不均，受到擾動后對土體的變形較為敏感，易導致崩塌、突涌、地面沉降過大等問題。因此，在富水砂層中如何安全順利穿越建構筑物是本工程面臨的最大挑戰，也是制約本工程進度的最大因素。

1? 工程概況

南昌軌道交通2號線一期工程七標順～辛區間左線盾構在里程約ZDK41+883.052～ZDK41+899.852（第46～第60環）總長約16.8m，側穿1層磚結構低矮民房;右線盾構在里程約YDK41+883.052～YDK42+015.698（第46～第156環）總長約132.646m下穿1～3層磚結構房屋共12棟，采用條形基礎，占地面積974.8m2。1層磚結構房屋基礎底高程約19.2m，隧道外輪廓距離基礎底面的最小凈距為10.519m;2～3層房屋主體結構型式為磚混結構，采用條形基礎，基礎底高程約17.2～18.6m，隧道外輪廓距離基礎底面的最小凈距為8.518m。順～辛區間雙線與低矮建筑群的平面及空間關系位置如圖1、圖2所示。

1.1 地質情況

順～辛區間隧道在該區域埋深約11.47m，地層自上而下分別為1-2素填土，層厚約為2.5m、3-1粉質粘土，層厚約為4.5m、3-3細砂，層厚約為5.3m、3-6礫砂，層厚約為4.5m、最下層為5-1-1強風化泥質粉砂巖和5-1-2中風化泥質粉砂巖，隧道開挖范圍為3-3細砂，地下水埋深8m。

1.2 地下管線情況

低矮建筑群北側道路上分布有供電、供水等不同鐘類管線，均在區間左線隧道上方穿過。其中，東西走向穿過的管線有3條，1條為10kV強電管線（盾構施工專線），管線埋設深度約為0.9m，距房屋最近距離約3m;1條弱電管線（內含軍用電纜），管線埋設深度約為1.02m，距房屋最近距離約5m;1條110kV高壓埋地線（2檔共6根電纜），管線埋設深度約為0.8～0.9m，2檔線分別臨近房屋約9.6m和11.8m;南北走向穿越的管線1條，為DN200自來水管道（鑄鐵），管線埋設深度約0.35m;詳見圖3所示。

2? 風險分析

對順～辛區間施工階段的鄰近建筑物風險進行評估，通過評估數值分析得出：盾構區間施工引起低矮建筑物群地表最大豎向位移為-42.7mm（下沉），大于地表沉降控制值-30mm。磚一（#32降）地表沉降 40.5mm，房屋傾斜值2.09mm/m;磚三地表沉降42.7mm，房屋傾斜值3.49mm/m。綜合考慮地層情況、建筑物重要等級等方面因素以及盾構通過前后沉降變形規律，運用模糊綜合評價法和 R=P×C 法分析得知，隧道下穿建筑群的風險等級為極高。又通過對順-辛區間周邊低矮建筑物群進行觀感性鑒定，該建筑物群經鑒定評定為C級，建議拆除。根據低矮建筑群風險評估結果，在盾構隧道施工前、過程中級施工后對該建筑群引起重視，為確保盾構隧道施工及地表建構筑物的安全，地鐵施工之前必須先充分對建筑物進行預加固處理，對地表及建筑物的變形進行實時監測，且增加建筑物變形監測的次數。

3? 建筑物保護及技術措施

根據專家意見，盾構在穿越該區域施工期間應采取人員撤離，建筑物圍擋保護，必要時采取加固、修復、拆除等措施。盾構施工時加強監測，低矮民房三級預警指標分別為：沉降預警值12mm，沉降報警值14mm，沉降控制值16mm;整體傾斜率報警值2.5‰，整體傾斜率控制值4‰，建筑物角變化不大于2‰。盾構完成穿越后由具有資質的相關單位對建筑物進行評估，并根據評估情況采取相應措施（加固、修復或拆除等），建筑物確保安全后方可回遷居民。

3.1 技術方案

盾構能否順利穿越建構筑物的關鍵因素在于地面沉降控制，因現場無進行房屋加固的條件，因此，本次穿越房屋沉降控制主要以地下措施為主，即能否有效控制掘進過程中的地面沉降取決于盾構掘進參數的選擇是否合適。通過左右線參數對比，前期試掘進參數總結，制定盾構穿越建構筑物專項施工方案，為每處建構筑物量身定制掘進參數，最大限度控制地面沉降。

3.2 掘進參數確定

①左線始發試掘進參數設定。

通過左線始發40環試掘進階段總結，結合盾構區間施工經驗，在掘進過程中土倉壓力設定為3/4倉左右，并根據地表沉降數據及時調整土倉壓力設定值，在管片拼裝過程中采取停機保壓措施，上土壓控制在0.8bar左右。

②左線百環驗收參數總結。

通過對盾構機參數的調取，得到左線盾構掘進參數統計：推力1500～2200T;掘進速度30～50mm/min;刀盤轉速1.4～1.6rpm;刀盤扭矩3.0～4.0Mnm;土倉壓力0.9～1.1bar。

洪辛區間左線百環地表沉降通過累計沉降數據顯示，左線沉降量累計最大為-19.1mm，均在設計及規范值之內，地面無變形情況，滿足盾構施工要求，如圖4所示。

由此證明，左線盾構掘進參數對穿越低矮建筑群施工有指導意義，可用于右線盾構機穿越低矮建筑群施工。

③右線穿越低矮建筑群掘進參數設定。

通過左線百環掘進參數總結以及右線始發試掘進階段參數調整，得出右線穿越低矮建筑群掘進參數設定表見表1。

3.3 右線穿越低矮建筑群掘進控制

①盾構姿態控制。盾構掘進至臨近建筑物10m時，重新校對盾構姿態、地下導線控制點、導向系統數據，嚴密復測，確保盾構機沿隧道設計軸線方向掘進，減少超挖，避免不必要的糾偏作業。發生姿態偏差時，應本著“勤糾、少糾、適度”的原則操作，盡可能降低對地層的擾動，減少地面及建構筑物的沉降變形。

②土壓平衡模式掘進。

1）上土倉壓力確定。根據左線百環掘進參數和右線始發段掘進參數統計，得出盾構士倉土壓值設定，以土壓計至地面水柱高度+0.01bar設定。因此右線穿越低矮建筑群時的上土倉壓力設定在08～1.0bar左右。

2）出渣量控制。土壓平衡模式掘進過程實質上是對土體的擾動及再平衡過程，是依靠土倉建立的主動土壓力平衡掌子面的被動土壓力來實現的。在盾構下穿掘進施工中應對土倉內壓力的變化時時關注，必須把控好盾構掘進速度和出土量關系，使土倉進出土量保持在一種動態平衡狀態。土倉壓力的波動越小，對土體的擾動越小，地層就越穩定，對地表建構筑物造成的影響就越小。當土倉內壓力出現波動，壓力不平衡時，應及時調整出土量、出土速度或泡沫發泡率，保持切削進入土倉土量與排出土量間的動態平衡。

本次盾構隧道的開挖斷面為30.974m2，單環管片長度為1.2m，每掘進一環的理論出土量為37.2m3。砂層中掘進出土松散系數為1.3～1.5，本區域取值為1.3，即每環實際出土量應控制在48m3左右。

③推力、刀盤轉速及掘進速度控制。盾構掘進過程中推力過大會造成前方土體受擠壓加大，土體受擾動加大;推力過小會造成盾構機速度下降，引起土壓波動加大，同樣會造成土體擾動加大。為最大程度的降低盾構施工對地層的擾動，應根據實際情況調整推力、刀盤轉速、推進速度等盾構掘進參數;在盾構下穿前的2～5環，應減小掘進速度，降低刀具貫入度，控制出土量并時刻監測土倉壓力值，避免壓力控制不當造成地層沉降或隆起;到達前1環時再進一步調整盾構掘進推力;下穿時，掘進推力控制在1800t左右，刀盤轉速控制在1.5r/min左右，掘進速度控制在40mm/min左右;過程中實時關注各類盾構掘進參數，確保盾構快速平穩通過。

④同步注漿。盾構管片與隧道洞體間存在空隙，如不及時充填，地層應力釋放后后長生變形，從而導致地面及地表建構筑物發生沉降變形甚至破壞。為此，在盾構掘進拼裝完每環管片的同時，及時進行同步注漿及二次注漿，保證在空隙出現的同時對空隙進行注漿充填，降低隧道周邊土層、地表建構筑物的沉降變形。注漿材料采用凝結速度快強度高的雙液漿，其凝固時間在18～25s左右。為保證空隙充填效果，注漿過程中嚴格控制注漿壓力和注漿量，注漿壓力不可過大，保持在0.2～0.35MPa范圍?？紤]漿液擴散系數，每環同步注漿量為理論注漿量的1.8～2.0倍，每環理論注漿為3.2m3，得出每環實際同步注漿量為5.8～6.4m3。

⑤渣土改良。隧道開挖范圍主要為粗砂或細砂層，地層主要特征為：透水性強，富水性好，受到外界干擾時土體很容易發生變形，且容易出現土層塌方、突涌、超挖與沉降過大等風險。所以，盾構在下穿低矮建筑群掘進時，為避免上述情況的發生，降低對地層的擾動，始發前將一套螺旋機渣土改良系統加裝在原有渣土改良系統上，進行改造。掘進過程中，通過渣土改良系統往土倉和刀盤前方注入膨潤土與泡沫劑混合溶液進行渣土改良，膨潤土水土比8：1，泡沫溶液濃度3%、發泡率10～15倍，以增加土體的流塑性，保障螺旋機出土順暢，降低盾構刀盤前方土體擾動。另外，在土倉和刀盤前方注入孔注濃度為0.5%的進口“高分子聚合物”溶液，每環注入量為4～6m3，可進一步提高渣土改良的效果。

當盾構在下穿掘進施工時一旦出現噴涌或者其他不良情況，可以設置第二道防線遏止不良工況持續發展，主要是將高分子聚合物注入到螺旋輸送機進土口位置形成土塞，保證施工順利進行。

⑥通過后沉降控制方法。在盾構下穿通過低矮建筑群區域，由于盾構掘進造成的地層擾動等的持續影響，以及掘進過程中同步注漿可能存在注漿不充分、漿液收縮等，使得盾構管片與隧道洞體間仍存在一定間隙，從而引起土體在盾構機通過后仍發生沉降變形。因此，在盾構通過該區域后，對該建筑群區域通過前5環及通過后5環的范圍采取二次壁后補強注漿來填充管片與隧道洞體間的空隙。注漿漿液采用水泥漿-水玻璃雙液漿，水泥漿配比為水泥：水=1：1（質量比），水泥漿與水玻璃溶液配比為1：1（體積比）。注漿過程中，應同時進行注漿壓力和注漿量控制。正式注漿作業前，應反復試驗，確認注漿效果以及對地層及地表建筑物的影響，并根據實時反饋的地面及地表建筑物變形監測數據進行調整，避免因注漿壓力過大引起地表隆起或注漿不足影響漿液填充效果。

4? 結論

經過10天的掘進，盾構安全順利穿越順～辛區間低矮建筑群，保障了地面建構筑物和地下管線的安全，保障了居民的生命財產安全。根據第三方監測數據反映，地表沉降累計值最大為-13.1mm，實現了地面累計沉降值小于20mm的目標，對穿越后的低矮建筑物群進行觀感性鑒定，盾構施工過程中未對原有房屋結構質量產生明顯影響。

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