基于土壓平衡模式的盾構穿越密集建筑群變形控制技術研究

劉安偉，李兆平，李 陽，李 明，嚴琪琛

（1. 北京市市政四建設工程限責任公司，北京 100176；2. 北京交通大學土木建筑工程學院，北京 100044）

富水黏土地層地鐵隧道采用盾構法施工，一般采用泥水平衡模式居多[1-5]，但是采用泥水平衡模式盾構掘進，若土體中細顆粒含量高，則泥漿中的細顆粒分離時間長，會導致施工效率低。而土壓平衡盾構主要缺點是地層沉降控制難度大，因此，在下穿建筑物地段，如果建筑物為淺基礎或者建筑物抵抗變形能力差，選擇土壓平衡盾構掘進的風險就很大[6-8]。但土壓模式的最大優(yōu)點是不受出碴限制、掘進速度快、施工效率高。特別地，在穩(wěn)定開挖面上，土壓平衡盾構通過控制土倉壓力平衡開挖面前方水土壓力，而泥水平衡盾構可以控制泥漿壓力和流量，依靠泥漿在開挖面上形成泥膜平衡水土壓力，這使得其在富水地層具有獨特的優(yōu)勢[9]。

本研究依托工程為沈陽地鐵4號線一期工程勞動路站—望花屯站區(qū)間隧道，采用盾構法施工，區(qū)間隧道穿越地層全部為粉質黏土層，具有“滲透系數小、粉粘粒含量高(粒徑≤10 μm的顆粒占比達61.23%)、含水量高(天然含水量ω約為26.0%)”等特點。區(qū)間隧道穿越眾多建(構)筑物，且建筑物以居民樓為主，房屋基礎主要為條形基礎或樁基礎，風險評估等級均為“一級風險源”。在總結試驗段(0～213環(huán))掘進經驗的基礎上，探討了采用土壓平衡掘進模式對建筑物的影響，提出了成套的基于土壓平衡模式穿越密集淺建筑群的沉降控制措施，實際監(jiān)測效果表明控制措施效果明顯。

1 盾構區(qū)間隧道穿越建筑物情況

1.1 線路概況及工程地質條件

沈陽地鐵4號線一期工程土建施工第二合同段由勞動路站、望花街站—勞動路站區(qū)間及勞動路站—望花屯站區(qū)間組成，線路呈“S”型敷設，如圖1所示。其中，勞動路站—望花屯站區(qū)間線路自勞動路站沿勞動路從西至東，在勞動路與民強二街交叉口處向東南方偏折，區(qū)間在轉彎區(qū)域內先后穿過民生家園小區(qū)等，終點為望花屯站。本區(qū)間右線長773.588 m，左線長734.187 m，線間距11.72～17 m；區(qū)間拱頂最大覆土約19.3 m，最小約11.8 m；區(qū)間設置1處平曲線，最小半徑370 m。

圖1 沈陽地鐵4號線一期工程土建施工 第二合同段衛(wèi)星圖 Figure 1 Satellite image of the second contract section of the civil construction of the first phase of Shenyang Metro Line 4

本區(qū)間隧道地層主要由第四系全新統(tǒng)和更新統(tǒng)黏性土、砂類土及碎石類土組成，如圖2所示。其中盾構穿越的地層均為粉質黏土層，具有“低滲透性、高黏粉含量、高含水量”等特點。

圖2 望-勞區(qū)間工程地質剖面圖 Figure 2 Engineering geological section of Laodonglu Station to Wanghuatun Station

1.2 穿越建筑物情況

區(qū)間左、右線隧道下穿民生家園等小區(qū)6棟多層居民樓，樓房基礎為墻下條形基礎，部分樓房有地下室，勞動路—望花屯區(qū)間下穿建筑物情況見表1。

表1 盾構區(qū)間隧道穿越建筑物情況Table 1 Statistics of shield-driven section tunnel passing through buildings

該盾構區(qū)間與下穿的建筑物詳細位置關系描述如下。

1)民強三街小區(qū)2層居民樓：該樓房為2層磚混結構，無地下室，條形基礎，如圖3所示。

圖3 盾構區(qū)間隧道與民強三街小區(qū)2層居民樓立面位置關系 Figure 3 Location relationship between the shield tunnel and the 2-story residential building in Minqiang Sanjie Community

2)民強三街43#居民樓：該樓房為6層磚混結構，帶一層地下室，條形基礎，如圖4所示。

圖4 盾構區(qū)間隧道與民強三街43#居民樓立面位置關系 Figure 4 Relationship between the shield tunnel and the 43# residential building in Minqiang Sanjie Community

3)民強三街41#居民樓：該樓房為6層磚混結構，帶一層地下室，條形基礎，如圖5所示。

圖5 區(qū)間隧道與民強三街41#居民樓立面位置關系 Figure 5 Relationship between the shield tunnel and the 41# residential building in Minqiang Sanjie Community

4)民生家園小區(qū)36-2#居民樓：該居民樓為7層框架結構，預制管樁基礎，無地下室，如圖6所示。

圖6 區(qū)間隧道與民生家園小區(qū)36-2#居民樓立面位置關系 Figure 6 Relationship between the shield tunnel and the 36-2# residential building in Minsheng Jiayuan Community

5)民生家園小區(qū)36-1#居民樓：該居民樓7層框架結構，預制管樁基礎，無地下室，如圖7所示。

圖7 區(qū)間隧道與民生家園小區(qū)36-1#居民樓立面位置關系 Figure 7 Relationship between the shield tunnel and the 36-1# residential building in Minsheng Jiayuan Community

2 試驗段土壓平衡和泥水平衡模式的沉降控制效果分析

2.1 試驗段掘進模式分段及地表沉降

該工程采用的盾構機為中交天和機械設備制造有限公司設計制造，具有土壓平衡和泥水平衡2種掘進模式，且可以互相轉換。

盾構從望花屯站始發(fā)，隧道前290環(huán)沒有穿越建筑物，地表沉降控制相對較寬松，因此選擇起點至290環(huán)作為泥水平衡和土壓平衡雙模式轉換研究的試驗段。

0～130環(huán)管片區(qū)段采用土壓平衡模式掘進，掘進到130環(huán)以后開始進行掘進模式轉換；131～213環(huán)為泥水平衡掘進模式；214環(huán)開始又轉為土壓模式掘進。

在隧道中心軸線地表布置沉降監(jiān)測點，監(jiān)測結果如圖8所示，地表沉降普遍都在8 mm以下，且土壓平衡模式與泥水平衡模式在地表沉降控制效果上沒有明顯差別。

圖8 試驗段31~290環(huán)沉降分布曲線 Figure 8 Settlement distribution curve of ring 31-290 in test section

2.2 試驗段兩種掘進模式工效分析

采用泥水模式，21個工作日掘進131～213環(huán)，共83環(huán)，平均日進尺僅有3.9環(huán)。富水黏土地層條件下，為有效控制地表沉降，減小盾構施工對地表建筑物的影響，比較適合的盾構掘進模式為泥水平衡模式，但是本工程試驗段采用泥水平衡模式的掘進效率卻非常低，其主要原因在于：盾構隧道穿越地層為高黏粉含量的黏土地層，粒徑≤10 μm的顆粒占比高達61.23%。這部分土壤顆粒很難分離，產生的泥漿含過量的黏粉粒，導致泥漿分離時間長，嚴重影響盾構掘進效率。而采用了土壓模式，20個工作日共掘進130環(huán)，平均6.5環(huán)/d，掘進效率遠遠高于泥水模式。

根據試驗段掘進工效和地表沉降監(jiān)測結果分析，只要施工措施得當，穿越富水黏土地層也可以采用土壓平衡模式。為提高工效，本區(qū)間剩余區(qū)段(包含穿越密集建筑物段：290～489環(huán))全部采用了土壓平衡模式掘進。

3 穿越建筑物的盾構掘進參數及土倉壓力設定

3.1 盾構掘進參數

根據對試驗段土壓平衡模式盾構掘進參數分析，穿越建筑物掘進參數見表2。

表2 盾構掘進參數Table 2 Shield tunneling parameters

3.2 刀盤進、出建筑物的土倉壓力設定

由于建筑物有荷載，因此在穿越建筑物前后，根據樓層高度，土壓力有一定的調升，進出建筑物前后有3環(huán)緩沖距離，穿越過程中嚴格控制土壓力，刀盤進入建筑物前提前預加壓力，刀盤出建筑物提前預減土倉壓力，詳細土倉壓力設置見表3。

表3 穿越建筑物段盾構掘進參數設定Table 3 Setting of shield tunneling parameters for crossing the building section

4 基于土壓平衡模式穿越建筑物階段盾構掘進技術

4.1 B型管片上增設注漿孔

由于隧道穿越地層為富水黏土地層，具有較強的蠕變性能，為有效降低盾構通過后的地層沉降，在下穿房屋風險源范圍內和前后各20環(huán)范圍內，采取使用 主筋Φ22的加強型管片，且所使用管片B型管片注漿孔由正常的一個注漿孔增加至3個，便于多角度補漿(見圖9)。

圖9 B型管片上增設注漿孔 Figure 9 Grouting holes that are added to the B-type segment

4.2 小半徑曲線段測量控制技術

由于區(qū)間線型為R=370 m左轉彎，測量換站頻繁，因此盾構下穿構筑物前需換站完畢，避免在穿越構筑物過程中換站，穿越距離大于測量換站周期距離的，提前做好換站準備，在建筑物下方換站應快速完成，避免長時間停留。

4.3 同步注漿漿液配置

盾構推進過程中管片與周圍土體之間的空隙填充效果是制約地表沉降的最主要因素之一，本工程同步注漿采用雙液型漿液，由A液與B液組成，A液材料由水泥、粉煤灰、水拌制而成，B液為水玻璃，波美度為40°Be’。通過大量的試驗研究，設計了2種配比。

配比1：每方漿液的水泥410 kg，粉煤灰400 kg，水700 kg，初凝時間20 s；

配比2：每方漿液的水泥380 kg，粉煤灰420 kg，水700 kg，初凝時間25 s。

制備的漿液具有如下特性：

1)良好的長期穩(wěn)定性及流動性、適當的初凝時間；

2)良好的充填性能；

3)在滿足注漿施工的前提下，盡可能早地獲得高于地層的早期強度；

4)在地下水環(huán)境中不易產生稀釋現象，具備抗地下水稀釋分散性能；

5)固結后體積收縮小，泌水率小。

盾構掘進過程中根據沉降監(jiān)測數據，及時調整漿液配比。

4.4 盾尾密封控制

盾構機采用三道盾尾鋼絲密封刷，有效防止盾尾透水。推進過程中加強盾尾油脂的注入，確保盾尾密封油脂壓力不小于0.4 MPa，最低不小于0.3 MPa，防止地下水涌入。

4.5 刀盤開挖輪廓與盾體外緣之間的間隙填充注漿漿液

本工程的盾構機刀盤外徑6190 mm，前盾、中盾機盾尾外徑均為6160 mm，土體和盾體之間存在30 mm的間隙，且由于盾構自重的作用，上部盾體與土體的間隙更大，及時填充盾體與土體之間的間隙，可以有效減小地層沉降，通過試驗，研制了性能類似于克泥效的填充材料，該填充材料主要成分為黏土、水、高分子聚合物，其黏度值為50 Pa·s。具備以下幾個特點。

1)操作簡單，易于從盾體上的徑向預留注漿孔注入。

2)具有一定的黏性，不會從注入點快速流失到刀盤前或盾尾后。

3)材料具備一定抗稀釋能力，能避免很快被地下水稀釋。

4)不會硬化，避免硬化后抱死盾體。

通過使用研制的填充材料能及時充填刀盤開挖輪廓與盾體外緣之間的間隙，達到控制盾構通過時建筑物變形的目的。

5 盾構下穿階段建筑物沉降監(jiān)測結果分析

5.1 各建筑物沉降測點布置及監(jiān)測結果

1)民強三街2層居民樓。民強三街2層居民樓監(jiān)測點布置及累計沉降值如圖10所示。刀盤進樓及盾尾出樓環(huán)號分別為284環(huán)、313環(huán)，隆起最大點位JGC73，累計隆起最大值2.0 mm，下沉最大點位JGC75，累計沉降最大值–0.9 mm。

圖10 民強三街2層居民樓監(jiān)測點布置及累計沉降值 Figure 10 Layout and accumulated settlement value of monitoring points in the 2-story residential building in Minqiang Sanjie Community

2)民強三街43#居民樓。民強三街43#居民樓監(jiān)測點布置及累計沉降值如圖11所示。刀盤進樓及盾尾出樓環(huán)號分別為324環(huán)、347環(huán)，隆起最大點位JGC51，累計隆起最大值1.5 mm，下沉最大點位JGC52，累計沉降最大值–1.3 mm。

圖11 民強三街43#居民樓監(jiān)測點布置及累計沉降值 Figure 11 Layout and accumulated settlement value of monitoring points in the 43# residential building in Minqiang Sanjie Community

3)民強三街41#居民樓。民強三街41#居民樓監(jiān)測點布置及累計沉降值如圖12所示。刀盤進樓及盾尾出樓環(huán)號分別為363環(huán)、393環(huán)，沒有隆起點，下沉最大點位JGC41，累計沉降最大值–2.5 mm。

圖12 民強三街41#居民樓監(jiān)測點布置及累計沉降值 Figure 12 Layout and accumulated settlement value of monitoring points in the 41# residential building in Minqiang Sanjie Community

4)民生家園36-2#居民樓。民生家園36-2#居民樓監(jiān)測點布置及累計沉降值如圖13所示。刀盤進樓及盾尾出樓環(huán)號分別為409環(huán)、425環(huán)，隆起最大點位JGC25，累計隆起最大值1.4 mm，下沉最大點位JGC27，累計沉降最大值–2.5 mm。

圖13 民生家園36-2#居民樓監(jiān)測點布置及累計沉降值 Figure 13 Layout and accumulated settlement value of monitoring points in the 36-2# residential building in Minsheng Jiayuan Community

5)民生家園36-1#居民樓。民生家園36-1#居民樓監(jiān)測點布置及累計沉降值如圖14所示。刀盤進樓及盾尾出樓環(huán)號分別為459環(huán)、595環(huán)，隆起最大點位JGC17，累計隆起最大值1.1 mm，下沉最大點位JGC22，累計沉降最大值–3.0 mm。

圖14 民生家園36-1#居民樓監(jiān)測點布置及累計沉降值 Figure 14 Layout and accumulated settlement value of monitoring points in the 36-1# residential building in Minsheng Jiayuan Community

5.2 居民樓沉降控制效果總體分析

本次下穿建筑物嚴格按照下穿風險源方案施工，前4棟樓沉降值均在3 mm之內，第5棟樓最大沉降達到3.0 mm，主要原因是：在下穿第5棟樓房范圍內，盾構姿態(tài)不太好，由于推力小，扭矩小，不容易糾偏，通過增大土倉壓力方法，增大推力糾偏，在此范圍內土倉壓力達到0.16～0.17 MPa，導致盾尾出樓后，沉降較大，通過后續(xù)在管片上打孔補漿，控制了沉降的繼續(xù)發(fā)展。總體來說，在盾構穿越建筑物階段，最大沉降值均沒有超過樓房評估給定的控制值5 mm。

6 結論

以沈陽地鐵4號線一期工程勞動路站—望花屯站區(qū)間土壓平衡盾構隧道工程穿越密集建筑群為工程背景，研究了富水粉質黏土地層下土壓平衡盾構穿越建筑群施工關鍵技術。主要結論如下。

1)根據試驗段土壓平衡模式和泥水平衡模式的地表沉降控制效果對比，富水粉質黏土地層下不同掘進模式采用合理的掘進參數均能有效控制地表沉降。為提高掘進效率，針對該地層提出了采用土壓平衡模式穿越高風險等級建筑物的方案，從該區(qū)間隧道的214環(huán)開始全部采用土壓模式，掘進效率平均10.34環(huán)/d，且穿越了密集建筑物，建筑物沉降全部在控制標準內；

2)提出了富水粉質黏土地層下穿越建筑物階段的土壓平衡盾構掘進參數和土倉壓力設定值；

3)在B型管片上增設注漿孔，多角度補充漿液，可以有效控制盾構穿越后的地表沉降；

4)由于本工程的建筑物均位于小半徑曲線段，提出了適合小半徑曲線段盾構姿態(tài)控制測量技術；

5)研制了同步注漿漿液配置以及刀盤開挖輪廓與盾體外緣之間的間隙填充注漿漿液。可以有效填充土體間隙。