復雜地質條件下穿老舊建筑物盾構法地鐵施工技術研究

劉承宏，陳宇博

（中鐵三局集團第二工程有限公司，河北 石家莊 050000）

隨著我國社會經濟的飛速發展，城市土地資源日益緊張。地下空間的開發與利用逐步成為我國大中城市實現科學、有序和可持續發展的一項重要戰略選擇。在此背景下，城市軌道交通——地鐵（輕軌）的建設在一定程度上緩解了城市交通緊張的現象,并成為一個城市現代化水平和經濟發展水平的重要標志。目前，盾構法是修建城市地鐵采用最多的一種施工方法。雖然盾構法施工技術具有安全性、機械化程度高等優勢，但是，由于施工環境和巖土介質的復雜性，盾構開挖會不可避免地引發不同程度的地表沉降變形，特別是當盾構下穿建筑物等既有設施時，若施工操作不當，會引起建筑物的傾斜、開裂，直接威脅到建筑物的安全與正常使用。因此在盾構掘進時,分析地表沉降規律，合理選取掘進參數，提升施工技術水平,有效地控制地表沉降，具有十分重要的意義。

本文以石家莊地鐵2 號線一期工程東崗頭站～東三教站區間隧道工程為背景，在分析盾構施工對地面沉降影響規律的基礎上，探索復雜地質條件下穿老舊建筑物盾構法地鐵施工技術。

1 工程概況

石家莊市城市軌道交通2 號線一期工程04 標共2 站2區間，其中東崗頭站～東三教站區間為盾構區間，左線起點里程ZK28+213.192，終點里程ZK29+086.797，長858.183m（短鏈15.422m）；右線起點里程YK28+213.191，終點里程YK29+086.797，長873.606m。

該區間自東三教站下穿平安大街以及鐵38 宿舍、紅樓商場、市裝潢廠宿舍多棟老舊建筑物（共8 幢住宅樓308 戶，見圖1），屬于I 級風險源，其中鐵38 宿舍1#、2#樓（均為3 層房屋，共54 戶），建于20 世紀50 ～60 年代，均為條形基礎，無圈梁、結構柱等抗變形結構，下穿安全風險最大。穿越地層主要為粉細砂及粉質黏土，下穿建筑物段為R=360m曲線+穿越地層由粉質黏土向粉細砂過渡。

地鐵隧道結構主要在粉細砂層和粉質黏土層，巖土施工工程分級為I ～II 類，隧道圍巖分級為VI 類，如圖2 所示。勘察期地下水埋深約38m，地下水類型為潛水（二），區間施工范圍內無地下水。

圖1 東崗頭站～東三教站區間I 級風險建筑平面位置關系圖

圖2 東三教站～東崗頭站區間地質剖面圖

2 地表變形數值模擬分析

盾構機在K28+413.349 ～K28+658.416 段下穿平安小區，長度約245m，區間隧道頂距建筑物基礎約15.5 ～16.5m，埋深17 ～18m，拱部地層為粉細砂。盾構施工過程中容易導致地面沉降，在盾構下穿期間，該段范圍內房屋未完成征收，且未達到人員清空條件。本文利用midas GTS 軟件主要針對下穿老舊建筑物范圍進行數值模擬分析。

為減小邊界約束對計算結果的影響，使模擬結果更接近實際情況，建模X/Y 軸范圍均取隧道洞徑的2.5 ～3.0 倍，Z 軸上取至自由地表，下取至隧道洞徑的3.0 倍，地應力場按自重應力場考慮。模型的前后及左右邊界施加水平約束，即邊界水平位移為零；模型的底部邊界固定，即底部邊界水平、垂直位移為零；模型的頂部為自由邊界。對土層賦參數、施加重力，讓土體達到自平衡，且對其位移初始化為零后再進行計算，建立的數值模型見圖3。模擬結果表明，左線盾構掘進后，建筑物豎向沉降最大8.4mm，不均勻沉降3.2mm；右線盾構掘進后，建筑物豎向沉降最大8.0mm，不均勻沉降3.0mm，見圖4。在施工過程中，必須采取有效的措施，確保下穿安全順利完成。

圖3 midas 仿真計算模型

圖4 豎向位移云圖

3 盾構施工主要控制措施

3.1 土倉壓力控制

為盡量減小地面沉降，擬采用靜止土壓力計算土壓力。在盾構掘進過程中，根據理論計算、前期掘進數據和監測數據及時調整壓力值，從而科學合理地設置土壓力值和相宜的推力、推進速度等參數，防止超挖，減少對土體的擾動。

根據計算，理論土壓為149kPa ～156kPa，在下穿建筑物期間擬采用全土壓滿倉推進，保持土體穩定，減小超排現象。通過刀盤前的沉降數據進行分析，對土壓進行調整，以達到土壓動態平衡。

3.2 推進速度控制

盾構推進速度對地面的沉降變形有明顯的影響，過快的推進速度將增加對土體的擾動，產生較大的地表沉降。盾構下穿建筑物時，應降低推進速度，保證勻速推進，有序安排掘進各道工序，既要保持穩定，且要有一定速度。現場安排專職技術人員進行24h 盯班作業，操作人員嚴格按照技術交底進行操作，盾構班組各個工序配合緊密，保證盾構施工持續進行。

3.3 刀盤轉速、推力、扭矩控制

盾構下穿建筑物時，為了減少對土體的擾動，確定刀盤轉速控制范圍及推力控制范圍，刀盤轉速要控制在1.2～1.8r/min，刀盤扭矩保持在2000 ～3000kN·m，推力在20000 ～28000kN 之間。

3.4 出土量控制

盾構下穿建筑物過程中應嚴格控制出土量，避免出土量過大造成地層損失，引起地面變形，從而導致軌道沉降過大。盾構機每環的出土量按當環的掘進進尺嚴格控制，技術值班人員每環均對出土量進行實量實測（利用土車容積與土的重量進行雙控），當發現某一環出土超量時，立即停機分析原因，在查明原因并合理處置后方可進行下一環掘進。

3.5 土體改良措施

石家莊軌道交通1 號線一期工程白留區間與武漢市城市軌道交通6 號線一期工程江大區間兩個工程穿越的地層與本標段相似，根據以上兩個工程盾構施工的渣土改良經驗，對現場取樣進行試驗室試拌。通過試拌，現場取得的渣樣改良效果良好，滿足施工要求。

最終確定渣土改良配合比選取膨潤土漿（質量比1:6）+2.5% 泡沫溶劑（水：泡沫原液=97.5:2.5，溶液：空氣=1:10）混合液的方式進行渣土改良，膨潤土漿液與原狀土按照體積比1:6，泡沫溶劑與原狀土按體積比1:8 進行渣土改良，掘進過程中項目部試驗人員、技術人員、操作人員根據實際的出渣狀況進行配合比微調。

3.6 注漿量控制

充分利用盾構機自身設備，對掘進中在管片外形成的空洞進行注漿，可以有效地控制盾構施工造成的地表沉降。注漿材料應選擇和易性好、泌水性小，且具有一定強度的漿液，并應及時、均勻、足量的壓注，確保盾尾空隙得到及時和足量的充填。控制漿液稠度在11 ～13mm 左右，凝結時間8 ～10 小時。經計算，每環注漿量6.25 ～7.6m3。同時，注意在實際掘進中不斷調整注漿壓力。

盾構通過建筑物期間，要進行24 小時實時監測和數據反饋，及時調整注漿量。同步注漿盡可能保證均勻、連續壓注，防止推進尚未結束而注漿停止的情況發生。

3.7 克泥效工法

克泥效工法可以有效地解決盾構施工過程中第三階段的沉降（盾殼與開挖土體之間的空隙產生的沉降），在盾構掘進過程中，同步進行克泥效漿液的注入，使盾殼與土體填充密實，且減小盾殼與土體的摩擦，減少對土體的擾動。配合比為克泥效：水玻璃=20:1，克泥效用量為400kg/m3，水玻璃波美比Be40，比重為1.38 ～1.39。主要技術措施為：（1）施工時同步由盾構機的徑向孔向盾構機的盾體外注入克泥效，及時填充開挖土體和盾體之間的空隙，注入率為120%～130%，同時注意控制注入壓力和注入量，地面同步監測地面的沉降，及時調整；（2）注入點為11 點鐘和1 點鐘位置的徑向孔輪流注入；（3）地面沉降同步監測頻率為1 ～2h/次，并做好沉降記錄。

3.8 實時監測

為了更好地了解盾構施工對土體產生的沉降影響，在盾構下穿建筑物過程中采用地表監測+土體分層沉降+建筑物沉降監測的監測手段，并配置專職測量監測人員，根據盾構機所處位置，在其前后50m 范圍內以3 次/天的監測頻率，對地面沉降情況進行監測，實時掌握地表建筑物和周邊環境的動態，及時優化、調整掘進施工參數，做到動態信息化施工管理。

4 施工技術參數選取

結合相似工程施工經驗，針對本工程地層特點，同時考慮相關安全風險，通過分析施工數據，本工程施工中選用如下施工參數：

表1 所列為穿越不同土層施工時盾構機主要參數。此外，穿越①粉質黏土，局部粉細砂層（341 ～470 環）時，二次注漿在脫出盾尾后5 環，每3 環在拱頂選取1 或15 點位進行注漿，每環注0.5m3，注漿壓力0.3 ～0.4MPa；克泥效按配合比20:1，每環注入200kg，注入壓力0.3 ～0.4mpa，注入量0.5m3，理論空隙0.36m3,注入率為1.39。穿越②半粉質黏土半粉細砂層（471 ～525 環）時，二次注漿在脫出盾尾后5 環，每3 環在拱頂選取1 或15 點位進行注漿，每環注0.75m3，注漿壓力0.3 ～0.4MPa；克泥效按配合比20:1，每環注入225kg，注入壓力0.3 ～0.4MPa，注入量0.56m3，理論空隙0.36m3,注入率為1.56。穿越③全斷面粉細砂層（526 ～546 環）時，二次注漿在脫出盾尾后5 環，每3 環在拱頂選取1 或15 點位進行注漿，每環注0.75m3，注漿壓力0.3 ～0.4MPa；克泥效按配合比20:1，每環注入250kg，注入壓力0.3 ～0.4MPa，注入量0.6m3，理論空隙0.36m3,注入率為1.67。

表1 穿越不同土層施工時盾構機參數表

5 結語

地鐵隧道盾構施工過程中必然引起地層變形進而對上部既有建筑產生一定程度上的損壞，尤其下穿老舊建筑區時，由于老舊建筑基礎抗變形能力較差，施工風險極大。本文結合石家莊地鐵2 號線一期工程，以東崗頭站～東三教站區間施工為例，運用數值模擬方法，分析了盾構施工造成的上部豎向位移。提出了盾構施工主要控制措施，并確定了主要施工參數。具體結論如下：

（1）數值模擬分析結果表明，盾構掘進后，左線和右線建筑物豎向沉降最大值分別為8.4mm 和8.0mm，不均勻沉降分別為3.2mm 和3.0mm。

（2）針對本工程的地層條件和控制上部建筑物沉降的要求，提出盾構施工中的控制措施，包括嚴格控制土倉壓力、推進速度、刀盤轉速、刀盤推力、刀盤扭矩、出土量、渣土改良漿液配比、注漿量，并輔以克泥效工法和實時監測，可有效地控制地表沉降。

（3）確定了穿越不同土層施工時盾構機主要技術參數，包括土倉壓力、刀盤扭矩、總推力、掘進速度、出土量、注漿量、注漿壓力，同時選取了二次注漿和克泥效的主要參數。

根據現場施工情況，建筑物沉降可控制在1 ～7mm，建筑物未造成任何損壞，保證了建筑物的基礎及結構穩定性。