地鐵盾構下穿建筑物群地層沉降控制技術研究

曹紅林

(中鐵大橋勘測設計院集團有限公司 武漢 430050)

盾構法因其優點多，逐漸成為城市地下隧道修建的首選工法[1]。但盾構法施工不可避免地會對周圍土層產生擾動，改變原地層的狀態，引起一定的地層位移和地表沉陷，危及鄰近建(構)筑物的安全，對周圍的環境造成一定損害[2]。因此，盾構施工能產生多大的沉降或隆起，會不會影響相鄰建(構)筑物的安全，是地鐵隧道盾構施工中最關鍵的問題[3]。要在地鐵工程施工前對工程可能引起的地面沉降問題有所估計，首先需要了解盾構穿越建(構)筑物的主要施工安全風險及施工引起地地面沉降的一般規律和機理，進而提出相應的控制措施，達到事先防控的目的。

一般情況下，在盾構隧道施工前采用地面地基加固的方法對鄰近重要建筑物基礎或管線進行地基預加固處理是盾構隧道施工過程中常用和可靠的措施[4]。但在建(構)筑物群間距小、密集度大，沒有地面加固所需空間的情況下，只能從設計和施工本身來解決地層損失，減少對地層的擾動，達到最終控制地面沉降，保護建(構)筑物的目的。

本文結合武漢地鐵8號線三期野芷湖站-中間風井區間盾構隧道下穿李橋村三期多棟還建小區樓房施工為背景，研究了通過惰性漿液三次注漿的工法來控制地層損失和地表沉降量的工藝。

1 工程概況

武漢地鐵8號線三期野芷湖站-中間風井區間右線全長1 779.1 m，左線全長1 773.9 m，線間距13.0～23.0 m，采用盾構法施工。區間在右DK35+067.720-右DK35+271.298(對應管片環號196～332環)段下穿李橋村三期還建小區，見圖1，該小區房屋為磚混4層房屋，水泥土攪拌樁復合地基，樁入土深度13.5 m或14.5 m，隧道頂與水泥土攪拌樁復合地基豎向最小凈距約0.080 m，隧道埋深約為15 m。

區間采用2臺復合式土壓平衡盾構機施工，盾構機刀盤直徑6 280 mm，隧道襯砌管片外徑6 200 mm，厚度300 mm，內徑5 600 mm，環寬1 200 mm，采用錯縫拼裝。

2 施工安全風險分析

2.1 工程地質風險

區間右線隧道下穿小區段洞身范圍內地層主要為(7-3)粉質黏土、(3-4)淤泥質粉質黏土，拱頂覆土厚度14.1～15.9 m，拱頂地層自下而上主要為(3-4)淤泥質黏土、(3-1)黏土、(1-2a)淤泥混素填土、(1-1)雜填土層，地層自穩性差、抗擾動性差，極易受到掘進的擾動，掘進過程土壓的波動、出土量的波動、注漿參數的波動均會造成地表發生沉降或者隆起，從而造成地表、房屋出現裂紋和傾斜。

下穿房屋群段隧道水平方向位于右轉400 m圓曲線上、豎直方向位于0.91%下坡段，盾構糾偏過程容易產生單側超挖和單側擠壓，從而造成土體蠕動引起地面沉降或者隆起。

2.2 與房屋特殊相對下穿位置風險

盾構均從房屋拐角位置下方下穿，且每棟房屋跨度大，整體基礎和墻體長度長，地面沉降控制不當極易造成墻體開裂。區間隧道與房屋基礎平面關系見圖1。

圖1 區間隧道與房屋基礎平面關系示意圖

2.3 刀盤開挖范圍侵入房屋基礎加固體風險

房屋樁基礎與隧道結構凈距0.08 m，刀盤開挖外徑6 460 mm，管片外徑6 200 mm，刀盤開挖輪廓與管片背部間距為0.13 m，刀盤開挖范圍侵入到房屋復合地基0.05 m，其相對位置示意見圖2、圖3。

圖2 區間隧道與房屋基礎剖面關系示意圖(單位：m)

圖3 刀盤開挖范圍侵入房屋基礎加固體示意圖(單位：m)

盾構掘進過程中刀盤切削加固體造成震動，可能會引起房屋開裂，或壓力控制不當會造成加固體沉降和隆起，從而帶來地面、房屋墻體的開裂和房屋的傾斜。

加固體周邊土體與加固體之間存在斷層，掘進時極易造成此部分薄弱土體整體剝落，造成超方，從而使加固體整體下沉，引起地面沉降、房屋墻體開裂、房屋傾斜等風險。

3 盾構下穿房屋群安全控制措施

3.1 掘進參數控制

土壓主要取決于刀盤前的土體壓力，一般以刀盤中心處的土體壓力為準，可按式(1)計算[5]。

P1=k0×γ×h

(1)

式中：P1為土倉內土壓力；k0為側壓力系數，取0.46；γ為土的容重，取18.4 kN/m3；h為刀盤中心的埋深，過房屋段隧道中心埋深從17.2 m線性過渡到19 m。

根據盾構機的掘進位置及相應的情況，選取相應的參數代入式(1)，始發段土倉壓力P1=1.456～1.608 bar。

掘進過程隨著隧道的前進土壓逐步從1.46 bar變化到1.61 bar。土壓力控制根據理論計算及地質情況，在盾構穿越過程中，根據地面監測反饋的信息及時進行調整。土倉壓力以土壓傳感器為控制標準，波動幅度應盡量控制在±0.2 bar以內，盾構掘進參數見表1。

表1 盾構掘進參數表

為保持土壓的穩定，盡量減小土壓波動，掘進過程須保持各項參數的平穩，同時降低泡沫系統氣體的流量，如無法控制可停用泡沫氣體，采用純液體改良渣土。

3.2 姿態控制

水平方向處于400 m半徑右轉圓曲線段，水平姿態前點宜保持在+40～+60 mm之間，水平中點已保持在+10～+20 mm之間，水平后點宜保持在-10～+10 mm之間，確保能夠滿足糾偏需求的同時，保證成型隧道的擬合。

垂直方向盾構機處于0.91%的下坡段，應盡量減小刀盤切削房屋地基加固體深度，降低刀盤切削過程對房屋造成的影響，垂直方向前點宜保持在-60～-40 mm之間，垂直方向中點宜保持在-30～-20 mm之間，垂直方向后點宜保持在0～-10 mm之間。隧道軸線偏差見表2。

表2 隧道軸線偏差表 mm

3.3 地面沉降控制

鑒于房屋段具有重大安全風險，針對上述安全風險分析，結合盾構施工引起地面沉降規律，見圖4，地面沉降的控制主要體現在地面沉降規律的5個階段[6](累計沉降控制在-10～+6 mm之間，變化速率控制在3 mm/d)。

圖4 盾構施工引起地面沉降規律示意圖

3.3.1前期沉降

前期沉降主要來自于盾構掘進過程土壓或者推力的不當，造成前方土體形成擠壓或者失壓引起沉降，因此主要控制掘進過程的推力和土壓，采用超前監測，隨時根據監測變化情況反饋指導參數的調整。

3.3.2掘進過程中的沉降

掘進過程中的沉降主要來自土壓的控制和是否超挖土體，過程中嚴格控制土壓、出土速度、刀盤轉速等，保證各項參數的平穩，控制掘進速度在30～50 mm/min，及時進行監測反饋指導土壓的調整，掘進過程嚴格控制螺旋機轉速的平穩，防止超挖，嚴格按照要求量測、計算、控制出渣量。

3.3.3掘進過程中盾體上方的沉降

進行設備改造，將同步注漿其中3根注漿管路做三通改裝，將每根管路一分為二，在保證4根管路同步注漿的基礎上，增加在1和11點位徑向孔勻速注入惰性漿液、和盾尾后方1～11點位注入惰性漿液，在保證盾體不被裹住的情況下及時填充了盾體上方的間隙。漿液配比見表3。

表3 惰性漿液(厚漿)配合比

徑向孔位于前盾(直徑6 440 mm)上方，每掘進一環需要的惰性漿液用量V1=0.3 m3，注漿壓力與土壓相同(保持地面沉降穩定的同時，確保漿液不會被打入刀盤前方，造成漿液浪費和土壓波動)，徑向注漿見圖5。

圖5 徑向注漿示意圖

3.3.4脫出盾尾襯砌環管片上方沉降

1) 同步注漿。管片背部理論建筑空隙(即理論注漿量)，V0=3.9 m3，取1.3～1.5的擴散系數，則每環同步注漿量V2=(1.3～1.5)V0=5.1～5.9 m3，注漿壓力取1.2倍的靜止土壓力1.6～2.0 bar，實際操作過程中根據地面監測情況及時進行調整。

2) 二次注漿。掘進過程中盾尾后方倒數第四～五環管片上部注入惰性漿液，注入量和注漿壓力根據地面沉降反饋情況進行選擇，注漿壓力應不大于同步注漿壓力，二次注漿施工工藝示意見圖6。

圖6 二次注漿施工工藝示意圖

3) 三次注漿。為了穩定盾尾后方沉降，在盾尾倒數6～10環管片頂部開孔注入雙液漿及時填充管片頂部間隙，及時控制沉降。雙液漿采取純水泥漿∶水玻璃溶液(體積比)=(1～2)∶1的比例進行混合注入，水泥漿∶水灰比(體積比)=1∶1，水玻璃溶液中水玻璃∶水(體積比)=1∶1。采用少量多點的方式進行施工，具體注漿量和注漿壓力根據地表沉降參數和管片變形情況進行調整。

4) 后續沉降控制。后續沉降主要通過4次或者多次注漿的形式進行填充，可以采用單液漿和雙液漿進行填充間隙控制沉降。具體注漿位置和注漿參數取決于地面沉降監測數據。

3.4 刀盤切削房屋樁基掘進的其他控制措施

房屋地基加固體侵入刀盤開挖輪廓范圍共5.496 m，對應管片環號為196～200環。樁基侵入刀盤開挖輪廓見圖7。

圖7 樁基礎侵入到刀盤開挖輪廓線范圍示意圖(單位：m)

主要控制措施：

1) 降低盾構掘進垂直方向前點軸線偏差至-70～-50 mm，盡量降低刀盤切削加固體的范圍和深度，減小掘進對加固體的擾動，從而降低對房屋的影響。

2) 土壓力控制在1.4～1.5 bar(根據進入加固體掘進前參數進行綜合調整)，土壓的波動控制在±0.1 bar以內，降低刀盤轉速至0.6 r/min，降低掘進速度在20～30 mm/min。

3) 嚴格控制出土量，確保不會出現超挖和欠挖現象。

4) 地面24 h派專人盯控房屋、每隔2～3 h監測1次此棟房屋沉降變形情況，快速、及時反饋監測數據至施工一線指導施工。

4 三維數值分析

4.1 模型建立

在盾構隧道穿越小區前，采用FLAC3D有限差分軟件建立三維數值模型，對盾構穿越小區進行模擬分析，所建模型尺寸190 m×50 m×130 m(橫向×豎向×縱向)，節點數5 628，單元數4 940，模型見圖8、圖9。

圖8 建筑平面布置圖(單位：m)

圖9 三維模擬計算模型圖

4.2 數值模擬步驟

如圖8所示，區間左、右線分別下穿6棟房屋，結合現場實際考慮盾構錯開，并按最不利原則考慮左、右線同時下穿，具體模擬施工步驟如下。

施工步1。右線盾構先行施工，完成下穿24號樓。

施工步2。 右線盾構繼續掘進，完成下穿23號樓，同時左線后續跟進到達23號樓前。

施工步3。右線盾構繼續掘進，完成下穿7號樓(右線下穿區段貫通)，同時左線跟進施工，完成下穿23號樓。

施工步4。左線盾構繼續掘進，完成下穿5號樓，左線下穿區段貫通。

盾構掘進施工過程中考慮隧道洞周注漿加固，加固圈厚3 m，按原狀土參數(c、φ、Es)提高30%進行簡化考慮。

4.3 模擬計算結果和分析

根據《建筑地基設計規范》，高壓縮性土中多層建筑地基變形按整體傾斜控制值為0.3%。數值計算結果見圖10～圖17。

圖10 初始狀態地層豎向應力云圖(單位：Pa)

圖11 初始狀態地層水平應力云圖(隧道橫向)(單位：Pa)

圖12 隧道貫通后場地豎向變形云圖(單位：m)

圖13 隧道貫通后場地水平變形云圖(隧道橫向)(單位：m)

圖14 隧道貫通后場地水平變形云圖(隧道縱向)(單位：m)

圖15 隧道貫通后房屋豎向變形云圖(單位：m)

圖16 隧道貫通后房屋水平變形云圖(隧道橫向)(單位：m)

圖17 隧道貫通后房屋水平變形云圖(隧道縱向)(單位：m)

由圖10～圖17可知：

24號樓沉降差發生在樓棟平面長邊方向，沉降極值為4.0，17.5 mm，最大整體傾斜0.045%<0.3%。

30號樓沉降差發生在樓棟平面長邊方向，沉降極值為3.9，6.8 mm，最大整體傾斜0.01%<0.3%。

23號樓沉降差發生在樓棟平面長邊方向，沉降極值為14.4，19.1 mm，最大整體傾斜0.016%<0.3%。

15號樓沉降差發生在樓棟平面長邊方向，沉降極值為9.8，0.9 mm，最大整體傾斜0.03%<0.3%。

5號樓沉降差發生在樓棟平面短邊方向，沉降極值為12.0，22.2 mm，最大整體傾斜0.102%<0.3%。

7號樓沉降差發生在樓棟平面短邊方向，沉降極值為10.4，23.7 mm，最大整體傾斜0.133%<0.3%。

5 施工監測

5.1 監測項目和報警值

施工監測包括地表沉降、地表隆起、范圍沉降、傾斜和裂縫監測、區間隧道拱頂沉降、管片收斂等[7]。各監測的報警值見表4。

表4 監測項目和監測報警值

5.2 監測點的布置

房屋沉降和水平位移測點布置在其外墻四角和或承重柱處。每隔2根承重柱布設1個監測點；對于低于5層(含5層)的房屋，可只在底層布置測點，房屋邊長超過50 m時，在邊長中部按約10 m布置1個測點。對距離隧道中線30 m以內的房屋布置測點納入監測范圍。房屋傾斜監測點沿主體結構頂部、底部上下對應按組布設，且中部增加監測點；僅對3層以上房屋進行傾斜監測，每棟房屋傾斜監測數量不少于2組，每組的監測點不少于2個。裂縫寬度監測點按組布設在裂縫的最寬處及裂縫首、末端，每組布設2個監測點，并分別布設在裂縫兩側，且其連線應垂直于裂縫走向。

5.3 監測結果分析

2017年9月14-28日盾構穿越小區房屋群段，監測結果見圖18～圖21。

圖18 小區地表最大沉降變化圖

圖19 小區地表最大隆起變化圖

圖20 小區房屋最大沉降變化圖

圖21 小區房屋最大隆起變化圖

由圖21～圖24可知，小區地表最大日均沉降1.72 mm，房屋最大沉降23.7 mm，均在數值計算值范圍內。表明采取控制措施后，地表和建筑物的沉降等變形均控制在允許的范圍內。

6 結語

盾構施工不可避免會產生地面沉降和隆起，穿越建(構)筑物時存在較大安全風險，故應充分了解盾構施工導致地面沉降的規律，詳細分析盾構施工存在的安全風險，有針對性地采取措施，控制風險。

通過精細化施工、合理設定盾構掘進參數，調整和控制盾構姿態、合理配置注漿漿液，采取同步和多次注漿、加強監測、 信息化施工等綜合技術措施，可將盾構上方老齡小區建筑群的地面和建筑物沉降及變形控制在安全范圍之內。