土壓平衡盾構下穿老舊建筑沉降控制技術淺析

冀葉濤

中鐵隧道局集團路橋工程有限公司 天津 300000

隨著城市的發展，國家“十四五”規劃的出臺，中國城鎮化率必將提高，隨之而來的將是對城市交通的較大考驗，地鐵作為便利、綠色環保的交通工具，對緩解城市交通壓力具有不可替代的作用。目前我國有約50余城市正在建設和籌建自己的軌道交通，隨著軌道交通的不斷發展、城市地下空間開發，地鐵施工面對的各種環境日益復雜，因此研究地鐵下穿各種建（構）筑物沉降控制技術十分必要。

地鐵施工隨著施工技術的發展，采用機械化程度越來越高，尤其是近年盾構法施工作為地鐵建設安全性較高的方法，應用較為廣泛。但無論盾構法工藝及設備如何改進，由于周邊環境、地質條件、施工技術等特點，由施工引起的沉降是不可避免的。盾構施工對地上地下建（構）筑物的影響主要是地層變形引起周邊環境的變化及安全，故而如何降低因盾構掘進施工引起的沉降是本文研究的重點。

本文以合肥地鐵1號線物流大道站～瑤海公園站區間為例，對土壓平衡盾構下穿老舊建筑沉降控制技術進行了研究，并通過對監測數據的分析，最后提出沉降控制建議。

1 工程實例

1.1 工程概況

物流大道站～瑤海公園站區間采用2臺土壓平衡盾構機自瑤海公園站始發，物流大道站吊出接收。區間長1513.771m，曲線半徑分別為1500m、350m，縱坡為25‰、5‰，管片外徑6m、內徑5.4m，環寬1.5m。區間左右線分別在125環至185環，151環至183環下穿上個世紀八十年代單層至雙層老舊無基礎建筑，穿越處埋深14～16m。

圖1 隧道與建筑位置關系

圖2 下穿房屋情況

圖3 下穿房屋情況

1.2 工程地質

物流大道站～瑤海公園站區間位于江淮波狀平原，南淝河二級階地，地形較平坦開闊，本區間自北向南自然地面標高31.30～35.40m。區間隧道覆土厚度約為9.89～17.96m，穿越土層主要為③ 粘土層。隧道范圍所在土層內地下水主要為上層滯水（一）、基巖裂隙水（四）。

上層滯水（一）：隨季節大氣降水及管道滲漏的變化而變化，并受到地面環境變化的影響，不具有明顯的規律性。基巖裂隙水（四）：主要接受越流、側向徑流補給，主要以側向徑流方式排泄，受大氣降水垂直滲入等的影響較小，年變幅約為1～3m。

2 盾構施工沉降分析

根據盾構掘進引起的建（構）筑物沉降按沉降變化規律可分為初期沉降、開挖面沉降(或隆起)、尾部沉降、尾部空隙沉降和長期延續沉降等五個階段。

①初期沉降：指自隧道開挖面距地面觀測點還有相當距離（數十米）的時候開始，直到開挖面到達觀測點之前所產生的沉降，是隨著盾構掘進引起地下水位降低而產生的。因此，這種沉降可以說是由于孔隙水壓降低、土體有效應力增加而產生的固結沉降；②開挖面前部沉降或隆起：指自開挖面距觀測點極近（約幾米）時起直至開挖面位于觀測點正下方之間所產生的沉降或隆起現象，多由于開挖面水土壓力不平衡所致；③尾部沉降：指從開挖面到達觀測點的正下方之后直到盾構機尾部通過觀測點為止這一期間所產生的沉降，主要是土的擾動所致；④尾部空隙沉降：指盾構機的尾部通過觀測點正下方之后所產生的沉降或隆起。是盾尾間隙的土體應力釋放或注漿加壓而引起土體的彈塑性變形；⑤長期延續沉降：指固結和蠕變殘余變形沉降，主要是地基擾動和有效應力增大所致在這過程觀測該觀測點沉降量隨機頭位置變化的曲線。本文主要通過不同階段沉降提出控制措施。

圖4 盾構施工與沉降位置關系

3 沉降控制技術

3.1 沉降控制標準

結合《建筑地基基礎設計規范》（GB50007-2011）及房屋調查報告、類似地層中成功穿越民房段盾構是施工經驗，確定房屋沉降控制值如下：

表1 建筑物沉降控制標準

3.2 土倉壓力控制

盾構區間下穿老舊建筑施工時，為保證掌子面穩定，土倉壓力的控制不能低于主動土壓力，同時為防止地面隆起對建筑物隆起造成損害，土倉壓力的控制不能高于被動土壓力，應盡量控制在靜止土壓力以上。對此分別計算主動、被動、靜止土壓力，并根據計算結果選取土倉壓力控制值。

（1）主動土壓力

（2）被動土壓力

刀盤頂部地層被動土壓力為：

（3）靜止土壓力

刀盤頂部地層靜止側向土壓力為：

根據上述公司分別計算的主動、被動、靜止土壓力，最終選取土倉壓力控制值為1.2～1.4bar。

3.3 同步注漿

當盾構下穿老舊建筑施工時，須確保同步注漿系統有效、漿液供應及時、漿液凝結時間及固結率滿足要求，其中漿液初凝時間應在5～6h以內，固結率約為95%。

管片在盾尾處安裝完成后,管片與土層之間形成14cm的建筑間隙，為減少對建構筑物基礎的損害,需及時采用漿液材料填充此環形間隙有利于防止和減少地層變形，提高結構的穩定性。

1）同步注漿壓力為0.2～0.3MPa

2）理論注漿量：

根據設計圖紙要求，實際的注漿量為理論建筑空隙的130%～180%，即最少為5.3～7.2m3。由于通過下穿段處于小半徑曲線（左線350m，右線374m）上，超挖量增大，因此注漿量不得少于5.3m3，掘進過程中根據出渣量和量測結果及時調整同步注漿量，確保注漿飽滿、填充效果良好。同步注漿速度和盾構掘進速度協調施工，即在盾構機掘進的同時對地層空隙同步填充。

3.4 二次注漿

穿越建筑物時為防止因漿液凝縮空隙造成沉降，以及管片上浮造成管片錯臺，破損，在管片脫出盾尾5～8環進行二次注漿。二次注漿通過吊裝孔或增設注漿孔進行，漿液采用水泥漿漿液，注漿壓力為0.2～0.4Mpa。注漿前需在注漿孔內裝入單向逆止閥并鑿穿外側保護層，在盾構機右側設備橋上放置二次注漿機進行二次注漿。

同時，為確保同步注漿漿液在達到一定強度前，管片不因漿液強度不足產生懸浮狀態而影響隧道整體穩定，在下穿段每隔10環使用二次注漿系統注入水泥水波雙液漿形成止漿環，以確保地層穩定。

3.5 小半徑曲線控制

本段區間下穿過程中為R=350曲線段，下穿時，通過在盾構大刀盤上安裝有保徑刀,能夠進行一定程度超挖。在曲線施工時可根據隧道軸線情況進行部分超挖，超挖量越多，曲線施工越容易。但由于超挖會使同步注漿漿液因土體的擾動進入開挖面，加上曲線推進時反力下降的因素，會產生隧道變形增大的問題。因此，超挖量最好控制在超挖范圍的最小限度內。

同時增大同步注漿量及隧道每掘進完成5～8環，及時通過管片的預埋注漿孔對土體進行二次壓注加固,范圍為管片背后2m，在對下穿段地層加固的同時，增大轉彎外側土體的剛度，確保轉彎的順利。

4 監測數據分析

針對盾構區間下穿老舊建筑的情況，根據設計圖紙及監測規范，對建筑沉降情況進行監測，提前在房屋四周布置沉降監測點，共計40個，具體見圖5。

圖5 監測平面布置圖

監測方法：采用精密電子水準儀及其相適應的銦鋼尺。對于工作基準點之間的監測點采用附合水準路線進行觀測，水準儀的觀測方法采用aBBFF形式。通過在下穿期間對建筑連續不間斷的監測，并根據監測數據實時反饋調整盾構掘進參數，最終下穿段監測情況如下：

表2 建筑物監測情況

圖6 建筑物累計沉降曲線

通過上述對下穿建筑最大沉降量及累計值變量區間，可以得知本次下穿建筑沉降量及差異沉降值均在控制值范圍內，其中1、2號建筑沉降稍大。

1、2號建筑位于盾構機進入的掘進方向的首先穿越段，根據盾構掘進的五個沉降階段對本次沉降較大數據進行分析。

圖7 JGC3、JGC13點沉降曲線

其中JGC3因前期其他施工擾動約有-3mm沉降，本次分析中未考慮。11月12日盾構機臨建建筑物開始施工，根據沉降曲線可得出第2、3、4階段由于掘進過程控制較好，沉降較小，第5階段由于黏土地層沉降滯后性，沉降稍大。后續掘進過程中，通過調整了二次注漿順序，通過加大同步注漿、少量多次二次注漿的方式，逐漸控制第五階段沉降，后續建筑沉降較小。

5 結論

本文通過對合肥地鐵1號線三期工程物流大道站～瑤海公園站盾構區間下穿老舊建筑施工過程掘進參數、監測數據進行分析得出以下結論：

（1）盾構掘進過程參數控制對地表及建（構）筑物影響較大，加強同步注漿及二次注漿的管理能夠有效控制地層及建筑物沉降。

（2）通過選擇合理的盾構掘進參數及注漿工藝，可以使土壓平衡盾構下穿老舊危險建筑變形控制在安全范圍內。