盾構施工對既有建筑物影響分析及安全控制技術

馮 凱，李 明，夏正超，彭 豐

（1.中鐵北京工程局集團城市軌道交通工程有限公司，安徽 合肥 230088；2.西南科技大學，四川 綿陽 621010）

0 引 言

隨著地鐵建設沿線的開發，工程建設面臨日漸復雜的周邊環境［1-3］。盾構掘進時既需要保護既有建（構）筑物，又要確保隧道施工本身的安全性，因此對不同的情況采用相應的安全控制技術十分必要。

1 工程概況

昆明軌道交通地鐵系統 4 號線 5 標含一站三區間。此次選取昆菊區間范圍內區間隧道側穿黑土下（上）凹村村舍，與區間隧道鄰近的房屋大部分為 2～6 層鋼筋混凝土結構，無地下室，房屋基礎為淺基礎。為方便后續計算分析，選取較為不利工況，以區間隧道側穿黑土下（上）凹村村舍為典型建筑進行分析。

1.1 水文地質

根據詳勘資料，施工范圍及附近無地表徑流，可以不考慮地表水對建筑材料的腐蝕性情況。地下孔隙承壓水＜2-5＞層粉土、＜3-7＞層細砂含水層的穩定水位為 3.4～3.6 m，滲透系數為 1.21×10-3～2.1×10-3cm/s（1.04～1.811 m/d），地層的透水性較好。＜6-5-1＞層粉土、＜10-7＞層細砂含水層的穩定水位為 4.5～5.7 m，滲透系數為 6.39×10-4～1.19×10-3cm/s（0.552～1.029 m/d），地層的透水性較好。地下基巖裂隙水＜25-1＞含水層的穩定水位為 6.5 m，滲透系數為0.051～0.076 m/d，平均 0.06 m/d，地層的透水性一般，且位于 YDK16+460 至區間終點段，＜25-1＞層地層透水性弱，埋深較大，對工程影響不大。

1.2 工程地質

根據地質勘查資料，區間盾構掘進涉及地層主要為＜1-2＞層素填土：呈帶狀廣泛分布于地表，厚度為 0.3～6.2 m。土質多為黏性土夾碎石角礫，局部為碎石、角礫土。＜2-2＞層粉質黏土：可塑狀為主，局部硬塑。局部為黏土，具中壓縮性，孔隙比 e 均值為 0.64，壓縮系數均值為 0.28 MPa-1，壓縮模量均值為 5.5MPa。＜3-2＞粉質黏土：可塑狀，具中壓縮性，孔隙比均值為 0.693，壓縮系數均值為 0.29 MPa-1，壓縮模量均值為 5.5MPa。標貫實測錘擊數 N 值平均值為 12.8，土體工程性質以及自穩性一般。

2 盾構掘進及加固措施

為保證盾構施工過程中周圍既有建筑物的安全性和穩定性，盾構施工前需對既有建筑物進行有效的加固措施；此外，為減小盾構施工對既有建筑物的影響，應合理選擇盾構掘進參數。

2.1 既有建筑物加固技術措施

1）盾構通過前，例行對盾構機進行檢查和維修，盡可能做到不停機通過。

2）盾構通過前，進行地面預注漿加固，清洗注漿管預留后續注漿條件，盾構通過時及時進行補漿，盾構通過后要根據監控及量測結果來決定是否實施跟蹤注漿，加固體滲透系數應小于 1×10-6cm/s。

3）嚴格控制盾構的掘進參數，及時進行壁后注漿，并應注意控制壁后注漿的量與壓力。

4）在管片上增設注漿孔，根據地質及掘進情況，選擇合適的時機對隧道周邊一定范圍內的地層進行注漿加固。

2.2 盾構施工措施

1）盾構通過前，合理設置掘進參數，如表1所示。

表1 盾構掘進參數

2）刀盤前方采用由泡沫添加劑 3.0 %、水 97 % 組成的泡沫溶液，經充分膨脹后在刀盤、刀具與碴土相互作用的區域增加全方位的潤滑作用。

3）構機穿越建構筑物區段，為了縮短漿液初凝時間，控制管片上浮、錯臺及隧道線型，二次注漿點位主要設在 15 點/1 點、2 點/14 點四個點位上，按照此順序依次調整注漿孔位。

二次注漿采用雙液漿，水泥漿液（水泥∶水）和水玻璃（水玻璃∶水）配比：1∶1?？刂谱{量以及注漿壓力，每環注漿量控制在 0.4～0.8 m3。二次注漿壓力為 0.1～0.2 MPa，注漿后 24 h 后用鋼釬通過管片螺栓孔進行檢查，確保二次注漿及時填充空隙不漏水。注漿位置選擇脫出盾尾 4～6 環。

4）隧道洞內深孔注漿采用鋼花管注漿加固方式進行，即利用管片吊裝孔（包括增設注漿孔），將Ф32 的鋼花管打入隧道內部，在末端安裝逆止閥，并進行注漿加固，注漿壓力值取 0.1～0.2 bar，注漿過程中注漿壓力逐步增加并穩定注漿流量后確認注漿完成，加固體應有良好的均勻性。

注漿管漿液為水泥漿液、水玻璃漿液雙液漿，其中水泥采用 P.O 42.5 普通硅酸鹽水泥；水灰比為 1∶1，注漿壓力擬定控制在 0.2～0.4 MPa，根據實際情況不斷優化注漿參數，注漿后在兩注漿孔之間取巖土芯，測試其土體無側限抗壓強度需不小于 1.0 MPa。

3 盾構施工穿越既有建筑物變形影響數值模擬

3.1 計算說明

參照圖1的典型工況進行計算，本計算采用顯式有限差分計算程序 FLAC3D［4］，三個模型范圍橫向取 160 m，沿隧道長度方向取 50 m，上至地表，下至隧道洞底以下 50 m。頂面為自由面，其他各邊界施加垂直于該面方向的約束。管片采用 35 cm 厚 C50 鋼筋混凝土，按彈性勻質圓環考慮，用小于 1 的剛度折減系數η來體現環向接頭的影響。模型中用殼單元模擬管片；地層視為理想彈塑性材料，服從描述巖土材料的力學性質的莫爾-庫倫屈服準則；注漿層考慮為彈性材料，地層和注漿層均模擬為實體單元。最終的既有建筑物計算模型如圖1所示，各土層的物理力學參數如表2所示。本次計算考慮上部既有建筑物的影響，既有建筑物采用實體單元模擬，建筑物的物理力學參數如表3所示。

圖1 隧道側穿既有建筑物計算模型

表2 各土層的物理力學參數

表3 建筑物物理力學參數

3.2 盾構施工模型（見圖2）

剛度遷移法是視剛度和載荷的遷移過程類比成盾構向前的推進過程［5］。盾構掘進過程中同時注入的惰性漿液，在計算模擬盾構推進的過程中，會逐漸更替漿體的材料參數。

在施工模擬中，需要設置具體的施工參數，實際施工中的參數主要有正面土壓、推進力、扭矩、推進速度和同步注漿量以及注漿壓力；在計算模擬施工過程中，主要控制的參數是正面土壓、注漿壓力、摩擦力以及注漿量（通過升溫膨脹模擬）。用降低土體剛度來模擬盾構施工對周圍所引起的土體擾動和盾尾空隙，就能很好反映周圍土體的大變形現象。

圖2 盾構施工模擬示意圖

3.3 計算結果分析

地表及建筑物的位移云圖如圖3～圖5所示。論文選取施工完成階段，即掌子面距離建筑物中心線 -25 m進行對比分析。

圖3 左線掌子面距離建筑中心線-25 m（單位：m）

圖4 右線掌子面距離建筑中心線-25 m（單位：m）

圖5 盾構施工完成后地表及建筑物豎向變形

通過圖3～5 可以發現，在盾構機的推進作用下，施工對建筑物的影響逐漸增加。左線施工完成時，建筑物的最大沉降為 1.84 mm，右線施工完成后，建筑物的最大沉降為 2.20 mm。分析表明右線距離建筑物較近，因此對建筑物的影響較大，且建筑呈向盾構開挖方向傾斜的狀態。

4 盾構施工穿越既有建筑物變形現場監測數據分析

4.1 地表沉降控制效果

下穿建筑物段的地面沉降監測結果如表4所示，表中累計沉降量為 2018年5月 16日到 7月 30日的累計沉降，選取 5 個沉降量較大的點作為參考點。

由監測數據可以看出，右線通過后，多數測點的累計沉降控制在 10 mm 以內；左線通過后，多數測點的累計沉降控制在了 10 mm 以內。采取了系列的控制措施，盾構穿越既有建筑物的地表沉降未超過規定閾值。

表4 地表沉降表

4.2 下穿建筑物段的建筑物沉降效果

下穿建筑物段的部分建筑物沉降點監測結果如表5所示，表中累計沉降量為 5月 16日到 7月 30日的累計沉降，選取 4 個典型沉降點作為參考點。

表5 建筑物沉降表

由監測數據可以看出，由于采取了相應的控制措施，建筑物沉降均小于 10 mm，盾構穿越既有建筑物的建筑物沉降均未超限。另外，建筑物沉降大小與建筑的結構形式、層高以及基礎形式均有一定關系。

5 結 語

昆明地鐵 4 號線昆菊區間下穿黑土下（上）凹村既有建筑物的時候，采取了控制盾構掘進參數、地面注漿加固以及對建筑物基礎進行注漿等綜合減災技術措施。通過監測數據表明，雙線通過后，多數測點的累計沉降控制在 10 mm 以內，盾構穿越既有建筑物的地表沉降未超限?？梢姳竟こ淌┕ぶ胁扇〉目刂拼胧┦怯行У摹?/p>