盾構連續穿越淺基礎民居微變形控制技術

邵金超

(中鐵十六局集團有限公司 北京 100018)

1 引言

隨著城鎮化的提出與實施，越來越多的地鐵線路向城市郊區及城鎮延伸。郊區城鎮的民房通常具有修建時間較早、層數低、淺基礎和地基承載力較低等特點。地鐵盾構穿越淺基礎民居時，由于地層擾動、同步注漿壓力等原因，常常造成淺基礎建筑物產生過大的變形、不均勻沉降甚至倒塌的風險[1-3]。

圍繞盾構下穿建筑物沉降控制方面，國內外學者進行了一定的研究。傅一棟[4]、謝雄耀[5]等人針對黏土層、卵石泥巖復合地層，劉輝等[6]針對上軟下硬地層，分析了盾構下穿建筑物時，建筑物的變形規律，提出了沉降控制措施。張哲[7]、謝雄耀[8]、龔學權[9]等人研究了砂層及黏土層盾構下穿淺基礎建筑物變形控制技術，提出了建筑物加固、控制掘進參數及加強監測等手段控制建筑物沉降。李梓亮[10]、楊益[11]等人基于數值模擬研究了盾構下穿既有建筑物變形規律，并對建筑物加固效果進行評價。王曉睿等[12]研究了既有建筑物的存在對盾構施工的影響，分析了地表沉降規律，提出了控制地表沉降方案。張斌等[13]針對粉砂地層、劉曉巖[14]針對軟土地層，分析了盾構下穿建筑物沉降原因，并提出控制沉降措施。劉安偉等[15]研究土壓平衡模式下黏土地層盾構穿越建筑物變形控制技術，提出了通過控制掘進參數來控制建筑物沉降的措施。

綜上，這些學者對粉砂地層、巖溶地層、黏土地層等盾構下穿建筑物進行了一定的研究，但對杭州地區淤泥質軟弱土層盾構連續下穿淺基礎民房鮮有研究，或沒有針對具體地層及施工情況對建筑物進行分析，而且其他地區成果無法應用至杭州地區。因此，本文以杭州某盾構區間連續下穿淺基礎民居工程為例，分析軟弱地層盾構連續穿越淺基礎建筑物變形特性，提出盾構連續穿越淺基礎建筑物施工控制技術。

2 工程概況

2.1 工程簡介

杭州某出入段線盾構區間連續下穿淺基礎民居，隧道埋深約為10.4～14.1 m。盾構區間多次下穿淺基礎民居，民居多為村民90年代自行建造，2000年左右改造，基礎形式均為淺基礎，埋深約地面下1.5～2 m，盾構掘進過程中需充分考慮對周邊環境的影響。盾構下穿淺基礎建筑物平面見圖1。

圖1 盾構隧道與淺基礎民居平面關系

2.2 工程地質條件

盾構施工中，穿越土層主要為砂質粉土、粉質黏土、淤泥質黏土和圓礫層。物理參數見表1。

表1 土層物理力學參數

2.3 水文地質條件

場地地下水類型可分為松散巖類孔隙潛水、松散巖類孔隙承壓水和基巖裂隙水。

潛水主要賦存于淺(中)部填土層、粉土及黏性土層中。潛水穩定水位埋深為地面下0.30～2.00 m。承壓水主要分布于下部的?1粉砂、?4圓礫、?2礫砂、?4圓礫層中，承壓水水頭埋深0.92 m。承壓水受側向徑流補給，富水性好，具有明顯的埋藏深、污水少、水量大、流速極慢、咸～微咸的特點。基巖裂隙水埋藏于第四系土層之下，主要賦存于下部基巖風化裂隙內。

3 盾構穿越淺基礎民居微變形控制技術

3.1 長管注漿加固技術

3.1.1 長管注漿加固工藝

本區間盾構連續穿越既有老舊建筑物，其中既有建筑物均為淺基礎，所以施工中應對土層進行加固。長管注漿可有效地對隧道周邊土體進行加固，極大地減小地表既有建筑物沉降。軟土地層具有滲透性低、強度低、壓縮性高等特點，因此，施工過程中采用合理的注漿加固工藝十分重要。

在盾構穿越淺基礎民居5環后對隧道周邊土體進行二次注漿加固，選用直徑φ48 mm鋼花管進行加固，鋼花管長度為2.5 m，在管片上新增10個注漿孔，隧道長管注漿加固技術剖面圖見圖2。

圖2 隧道長管注漿加固技術剖面圖

3.1.2 漿液材料配比

通過試驗段確定了長管注漿的材料配比及性能指標(見表2)，材料主要包括水玻璃、水泥和水，其中水泥采用P.O42.5硅酸鹽水泥，水玻璃濃度為35 Be。長管注漿壓力應不大于0.3 MPa，填充率不小于150%，注漿擴散半徑為0.5～1.0 m。

表2 長管注漿材料配比及性能指標

3.2 盾構穿越淺基礎民居掘進參數分析與控制

3.2.1 同步注漿

盾構下穿淺基礎民居應控制同步注漿量和漿液質量，確保漿液和易性好，泌水性小。同步注漿量控制在建筑空隙的150%～180%，注漿壓力控制在0.2～0.3 MPa。同步注漿漿液選用可硬性漿液，配合比見表3。

表3 同步注漿配合比 kg

圖3為盾構右線下穿5號建筑物時實際注漿量和理論注漿量對比曲線，理論注漿量上限和下限分別按照空隙的180%和150%考慮。從圖3可以看出，實際注漿量在理論注漿量上限值左右波動，因此，淺基礎建筑物變形可能與同步注漿不到位有關。

圖3 實際注漿量與理論注漿量對比

3.2.2 總推力與土艙壓力關系

圖4為盾構右線下穿淺基礎建筑物時土艙壓力與總推力之間關系。由圖4可得:土艙壓力數值在20 kPa上下波動，盾構總推力數值在13 500 kN上下波動；盾構下穿淺基礎建筑物時，通過對掘進參數控制，土艙壓力與盾構總推力變化曲線趨于一致。

圖4 土艙壓力和總推力關系曲線

3.2.3 總推力與刀盤扭矩關系

圖5為盾構右線下穿5號建筑物時刀盤扭矩與總推力之間關系。

圖5 刀盤扭矩和總推力關系曲線

由圖5可得:刀盤扭矩數值在1 500 kN·m上下波動，盾構總推力數值在16 000 kN上下波動；盾構下穿淺基礎建筑物時，通過對掘進參數控制，刀盤扭矩與盾構總推力變化曲線趨于一致。

3.2.4 總推力與掘進速度關系

圖6為盾構右線下穿淺基礎民居時掘進速度和總推力關系曲線。從圖6可以看出，盾構下穿建筑物期間，掘進速度與盾構總推力變化趨勢較一致，主要原因為盾構施工土層均為淤泥質土與粉質黏土，變化較小。

圖6 掘進速度和總推力關系曲線

盾構施工中，平面或高程的糾偏常常導致建筑空隙增加，從而造成超挖。盾構穿越淺基礎建筑物時應控制盾構姿態，勻速推進，掘進速度應不大于70 mm/min，盾構姿態變化不應過大、過頻，每環糾偏量不應大于10 mm(高程、平面)，盾構變坡應不大于1‰，以減少盾構施工對地層擾動。

盾構區間下穿淺基礎建筑物采用土壓平衡盾構機，開挖直徑為7.16 m，基于盾構穿越淺基礎民居掘進參數，提出了適用于軟弱地區盾構下穿淺基礎建筑物掘進參數見表4。

表4 盾構下穿建筑物掘進參數

4 盾構穿越建筑物微變形技術效果分析

盾構右線下穿5號3層混凝土民居，側穿1層磚房，沿建筑物外圍設置沉降監測點J2-1～J2-11，監測結果見圖7。

圖7 不同掘進環數下測點J2豎向位移變化曲線

由圖7可得:盾構從66環掘進至80環時，5號混凝土民居主要表現為沉降，J2-1和J2-4沉降較大，最大值分別為-5.12 mm和-5.48 mm，而磚房測點J2-11隆起最大值為4.5 mm，測點J2-10沉降最大值為-5.85 mm；盾構從80環掘進至102環時，盾構刀盤從建筑物下通過，5號混凝土民居均表現為沉降，而磚房測點J2-11隆起最大值為4.04 mm，測點J2-10沉降最大值為-7.75 mm；刀盤通過至盾尾離開，建筑物變形較穩定，其中位于盾構正上方5號民居測點 J2-1、J2-2、J2-5、J2-6和 J2-7沉降較大，測點J2-4出現較小的隆起，而磚房測點J2-11隆起較大，測點J2-10沉降較小，磚房表現為明顯的不均勻沉降。建筑物豎向位移位于-8～6 mm之間，滿足規范及設計要求。

盾構左線下穿磚砌民居，沿建筑物外圍設置沉降監測點J12，監測結果見圖8。

圖8 不同掘進環數下測點J12豎向位移曲線

由圖8可得:盾構刀盤到達前，建筑物受施工影響較小，測點豎向位移在±0 mm上下波動；盾構下穿至盾尾脫離后，建筑物變形增大，說明盾構通過淺基礎建筑物期間，刀盤切削土體對土體的擾動和盾構前進引起的地層損失是建筑物沉降的主因，而盾尾脫離建筑物時期，沉降量較小。盾構穿越淺基礎建筑物主要導致建筑物發生不均勻沉降。

5 結論

本文以杭州某盾構區間連續下穿淺基礎民居工程為例，介紹了長管注漿微變形加固技術，探討了盾構連續穿越淺基礎建筑物掘進參數控制技術，分析了軟弱地層盾構連續穿越淺基礎建筑物微變形技術效果，主要結論如下:

(1)長管注漿加固技術可有效控制淺基礎建筑變形，通過試驗確定水玻璃與水最佳配比為0.8，水灰比最佳配比為1.0。

(2)通過長管注漿加固，控制盾構掘進參數、同步注漿質量及盾構糾偏量等微變形控制技術，盾構隧道連續穿越淺基礎民居期間，建筑物豎向位移控制在-8～6 mm之間。

(3)軟弱土層盾構穿越淺基礎民居期間，盾構刀盤轉速為1.0～1.3 r/min，刀盤扭矩為1 200～2 800 kN·m，土艙壓力為 18～23 kPa，掘進速度為50～67 mm/min，總推力為12 000～17 000 kN，成功保證了盾構施工安全，控制了淺基礎民居變形。