巖溶地區盾構下穿既有建筑物安全施工方法

張海洋

（中鐵十六局集團有限公司，北京 100018）

0 引言

隨著城市建設的不斷加速，大眾出行方式的多樣化，近幾年城市軌道交通建設得到了大力發展。然而在某些大城市地區，軌道建設常常遇到巖溶問題，尤其是盾構下穿巖溶地區既有的眾多建筑物，給盾構施工帶來巨大挑戰。盾構隧道施工不可避免地會對附近巖土體產生擾動，溶土洞、溶蝕裂隙等的存在，更容易引起周圍巖土體地基出現承載力不足、地表塌陷，甚至危害建筑物安全的不良地質現象[1,2]。因此，盾構下穿巖溶地區既有建筑物時需要嚴格控制地表及地基建筑物的沉降和變形，避免因盾構機對土體擾動過大而影響建筑物安全是盾構施工中的重難點。

目前，針對建筑物不均勻沉降問題，我國常用注漿法對巖溶地基進行加固[3-5]。通過注漿方式既可封存地下水又可阻止巖溶繼續發育，加固破碎巖體，是近年來在巖溶區不斷修建鐵路、公路、隧道以及房建等主要采用的巖溶地基處理方法[6]。

深圳地鐵16號線之回龍埔站至數碼城站處于巖溶區域，工程建設中盾構區間需下穿新大新家居廣場和家樂園裝飾材料大超市，涉及下穿條形基礎房屋，本文就該段工程的安全施工方法進行研究，為相關技術人員提供經驗參考。

1 工程概況

深圳市軌道交通16號線回龍埔站-數碼城站區間采用盾構法施工，其中以R=360m的半徑下穿新大新家居廣場、家樂園裝飾材料大超市等建構筑物。區間穿越的建構筑物地層主要有：31-4-12微風化灰巖、30-1-3全風化砂巖、30-2-3強風化砂巖、8-3-3粉質黏土、8-4-4含粉質黏土碎石、9（9-1、9-2）溶洞。區間最小覆土7.9m，最大覆土14.0m。各地層的物理力學性能見表1。

表1 盾構下穿地層的物理力學性能

回龍埔站-數碼城站區間巖溶發育強烈，鉆孔見洞率59.51%，總線巖溶率為15.18%。該區間下穿新大新家居廣場及家樂園裝飾材料大超市位置無溶洞。

2 盾構下穿期間的監測方案及指標控制

2.1 建筑物監測方案及監測點布置情況

盾構下穿巖溶地區既有建筑物期間，隧道上方地表以及建筑物不可避免地發生沉降變形現象，對建筑物安全存在極大威脅。因此有必要布置監測點，對隧道地表沉降和建筑物沉降變形進行監測，嚴格控制地表沉降，保護建筑物安全。

隧道地表沉降觀測：分別沿隧道中心兩側30 m左右范圍布設觀測點，橫向點位5 m，隧道頂部正上方適當加密。沿隧道縱向每10 m左右布置一條橫測線，共布置18個斷面。

周邊建構筑物監測：包括沉降監測和傾斜監測。根據周圍建筑物的具體情況和位置，布置沉降和水平位移測點。建筑物的測點布置在主要結構處，主要為外墻四角和受力結構柱處，測點布置間距為10~15m，每側不少于3個監測點。

2.2 盾構下穿期間沉降控制目標

為準確分析盾構在穿越房屋過程中對地表及建筑物的影響情況，將穿越過程分為三個階段，即：刀盤即將進入建筑物下方到盾尾完全進入建筑物下方的沉降指標控制、盾構整體穿越建筑物時的沉降指標控制、盾尾脫出建筑物后的沉降指標控制。

（1）從刀盤進入建筑物下方開始到管片拖出盾尾，此階段日沉降量控制目標在0.5～1.0mm/d，累計沉降控制在2.0mm。

（2）從盾構整體穿越建筑物過程中地面累計沉降控制在16mm以內，日沉降控制標準為2mm/d。該階段主要通過調整盾構掘進過程中的掘進參數，減少對周圍土體擾動，降低后期固結帶來的風險。此階段一旦出現沉降量過大的情況，可充分利用雙液漿凝固時間短、注漿壓力可控的特點，組織實施管片后多點、多次注漿，并實時監測地面沉降滿足要求后方可停止補漿，然后進行下一環的掘進施工。

（3）盾構機盾尾脫出建筑物后地面累計沉降量控制標準在20 mm以內，日沉降量控制目標為2mm/d。此階段主要沉降為盾尾拖出間隙導致的建筑物及地表沉降，以及盾構擾動土體帶來的固結沉降為主，主要通過二次注漿減小沉降所帶來的影響，如超出沉降控制指標須采取地面跟蹤注漿減少沉降量。

3 盾構下穿施工及加固措施

3.1 前期準備

（1）盾構機選型。選用ZTE6410型復合式土壓平衡盾構機，通過相關審查滿足區間盾構掘進施工要求。

（2）管片注漿孔布置。下穿區段使用Ⅱ型管片（加強型配筋）且為增設注漿孔管片，每環管片共16個注漿孔，其中原有6個注漿兼做吊裝孔使用，如圖1所示。

圖1 管片注漿孔布置

（3）試驗段設置。選取地質相似的地層作為試驗段收集土倉壓力、推進速度、總推力、排土量、刀盤轉速和扭矩、注漿壓力和注漿量、盾尾油脂注入量等重要參數，對各種參數及功能分階段進行測試。盾構在刀盤剛進入結構下方時，盾構機整體穿越建筑物時以及盾尾脫出建筑物過程中，為保證穿越過程中土體的穩定性及房屋的安全性，將依據監測數據和房屋結構情況對注漿壓力、注漿量進行調整。

3.2 下穿期間主要參數控制

根據以往施工經驗，盾構施工控制沉降主要是通過同步注漿、二次注漿及盾構機相關姿態和參數的控制來降低施工過程中所可能遇到的風險，本段穿越主要通過以下幾種方式：

（1）土壓力控制。盾構穿越8-3-3粉質黏土層，穿越地段埋深13.6 m，則土壓力控制范圍為1.5 bar左右。

（2）出土量控制。管片寬度為1.5 m，經計算每環理論土方為48.8 m3，粉質黏土層考慮松散系數1.3，則每環出土量將控制在63.5 m3每環。

（3）同步注漿控制。一套同步注漿設備，包括2個雙活塞注漿泵（共有4個獨立壓力出口），儲漿罐最大容量為8 m3，每個雙活塞泵的最大輸出10 m3/h。每環（1.5m）注漿量Q=4.64～6.43 m3，確保注入率不低于130%，終止注漿壓力在0.35 MPa左右。注漿采用壓力與注漿方量雙控，確保壁后空隙填充飽滿，減少地面沉降。同步注漿漿液初凝時間控制在6h左右，其配合比及性能指標如表2所示。

表2 每立方漿液材料用量

（4）刀盤轉速和推力控制。針對回龍埔-數碼城站區間地質特點，總推力控制在800～1200t左右，減少對周邊土層的擾動。刀盤轉速1.2～1.5 r/min，以減小對周圍地層的擾動。

（5）掘進速度控制。為保證同步注漿的效果，掘進速度嚴格控制在40 mm/min左右。

（6）同時還將采取二次注漿控制、糾偏控制及盾尾防漏等措施。

3.3 地面注漿加固

盾構掘進過程中，土體受到盾構機擾動，其抗剪強度和粘聚力降低，地表變形、沉降，使建筑物受到影響，甚至破壞。因此，在盾構下穿既有建筑物期間，沿線建筑物監測數據達到報警值時，須采取預注漿和跟蹤注漿的措施，減少建筑物的變形。

為了控制地面沉降以及建筑物變形，在盾構下穿期間采用鋼花管注漿加固，其施工工藝如圖2所示。盾構下穿建筑物時，在建筑物四周布置注漿孔；盾構側穿建筑物時，在盾構正上方布置注漿孔，隧道以外范圍根據監測數據結果布置注漿孔。注漿孔斜插或直插深入建筑物條形基礎下，注漿孔間距1m，單排布置。成孔直徑50mm，注漿采用單液漿，注漿壓力為0.5～0.8MPa。

圖2 鋼花管注漿施工工藝流程圖

4 監測沉降分析

回龍埔-數碼城站區間盾構于2020年10月22日至10月31日右線完成新大新、家樂園建筑物穿越工作，11月4日至11月8日區間左線完成新大新、家樂園建筑物穿越工作。盾構始發前，針對區間溶洞需進行處理并按照相關要求進行抽芯和壓水試驗，相關試驗結果表明溶洞處理達到設計要求。

4.1 沉降分析

盾構穿越巖溶地區既有建筑物時，建筑物累計最大變化量位于JC2-8測點，最大沉降量為14.20 mm；地表沉降累計最大變化量位于右線處的YD5100-5測點，地表最大沉降量為23.19 mm。盾構下穿既有建筑物時，地表以及建筑物部分測點出現微隆起，而大部分測點的沉降具有階段性，符合盾構掘進沉降規律。從下穿到施工完成，地表以及建筑物的沉降變形仍在允許范圍內，可見盾構掘進參數選擇恰當，地面注漿加固控制效果明顯，極大地保護了建筑物的安全。

左線穿越過程中，由于左、右線穿越間隔時間較短，左線穿越過程中所產生的沉降明顯大于右線穿越過程中所產生的沉降。主要是由于右線盾構先行穿越所擾動的土體，降低了土體的抗剪強度，從而導致房屋及地表發生沉降。而左線，擾動后的土體尚未固結完成，再次遭受擾動，加大了土體抗剪強度的衰減，所以建筑物及地表沉降明顯大于右線穿越所產生的沉降。

根據分析可知，盾構下穿施工時對新大新家居廣場以及家樂園裝飾材料大超市影響不大，監測結果值小于設計及業主單位要求值。

4.2 施工分析

在從區間刀盤即將進入建筑物下方到盾尾完全進入建筑物下方這段時間里，刀盤推力控制在10000kN，刀盤扭矩控制2100～2500kN·m，建筑物整體沉降符合施工要求。在盾構機穿越建筑物的過程中，降低刀盤推力和扭矩，減少對周圍土體的擾動，使得建筑物及地表監測數據符合相關要求，建筑物整體能夠安全使用。在盾尾脫出后，盾構機按常規地層掘進參數進行掘進，需加大二次注漿量減少土體固結沉降所帶來的建筑物沉降。在區間左線再次穿越建筑物過程中，將盾構機總推力降低、刀盤扭矩降低，加大土壓倉壓力、增加盾尾油脂使用量，確保盾構自身掘進安全，同時確保建筑物結構安全。

從施工監測和過程控制來看，盾構機下穿條形基礎建筑物，關系到盾構施工安全及建筑物結構的安全，可通過調整盾構機總推力、刀盤扭矩、土壓倉壓力、盾尾油脂使用量來確保。

5 結束語

該工程實踐得出以下結論：（1）盾構機始發前需對地下溶洞進行處理，可有效降低因溶洞未處理或處理不當而帶來的風險。（2）盾構掘進參數控制是盾構下穿巖溶地區既有建筑物安全施工的關鍵，正式下穿前應根據下穿的地層特點通過試驗段測試確定，掌握盾構掘進參數與地表沉降的變化規律，為指導穿越建構筑物盾構機掘進的各項參數設定提供依據，滿足沉降量的控制要求。（3）盾構穿越過程中二次穿越所帶來的沉降將增大，應及時采取相應的施工措施防止固結沉降的持續增加。（4）盾構機下穿條形基礎建筑時，可通過調整盾構機總推力、刀盤扭矩、土壓倉壓力、盾尾油脂厚度等措施保證盾構自身安全及建筑物結構安全。（5）施工過程中，應加強信息化施工監測，運用科學的監測手段，做到實時全面同步監測。

深圳地鐵16號線回龍埔站-數碼城站區間左右線盾構機順利下穿新大新家居廣場、家樂園裝飾材料大超市以及深圳標恒福特4S店等建筑物。下穿后既有建筑物沉降變形均在可控范圍內，地面無開裂、隆起等問題，達到了盾構施工安全、不影響既有建筑物的施工要求。該項目取得的施工經驗為類似工程施工提供了重要參考價值。