小半徑下穿密集老舊房屋施工技術及控制措施

侯顯超

（中國交建軌道交通分公司,北京 100088）

0 引言

線路曲線半徑小等于350 m一般被稱為小半徑，小半徑曲線盾構掘進施工存在軸線難以控制、地層損失大、對土體擾動大等困難，易直接引起地表變化，而在此基礎上還要下穿密集老舊房屋建筑物群，施工難度可想而知。施工掘進控制不當，輕則地表沉降超限，房屋開裂，重則房屋傾斜、破損，被迫拆遷[1]。因此，下穿密集老舊房屋時如何做到將地表沉降、房屋差異沉降控制在允許范圍內，從而保證房屋結構安全，是盾構施工的關鍵。該文從下穿施工準備、關鍵施工技術及主要控制措施等方面進行論述、總結[2]。

1 工程概況

1.1 工程簡介

東江道站—學苑北路站區間為單洞單線隧道，左右線各一條盾構隧道，采用2臺復合式土壓平衡盾構機從學苑北路站始發，到東江道站接收。隧道外徑6 200 mm，內徑5 500 mm，管片厚度為350 mm，區間長1 324.536 m，區間左右線平行布置，線間距12.4～15 m，最小平面曲線半徑350 m，“V”字形縱坡，最大坡度25.17‰，隧道結構頂部覆土約9.3～19.9 m，線路平面位置如圖1所示。

圖1 東江道站—學苑北路站區間平面圖

1.2 區間地質情況

該段區間穿越地層主要為⑥1粉質黏土、⑥3黏質粉土、⑥4粉質黏土、⑥34粉砂、⑦1粉質黏土、⑧1粉質黏土、⑧11黏土、⑨1粉質黏土、⑨2黏質粉土、⑨13黏質粉土、⑨14粉砂、⑨24粉砂。

1.3 區間水文情況

該場地淺層地下水類型主要為第四系孔隙潛水，賦存于Ⅱ陸相層及以下的粉土、砂層的地下水具承壓性，為承壓水。隧道主要位于潛水層及第一承壓水層。

1.4 區間下穿、側穿建筑物情況

東學區間下穿、側穿建筑物皆為20世紀80年代老舊磚混房屋，具體情況如表1所示。

表1 下穿、側穿房屋情況統計

2 施工準備

（1）成立含建設、設計、監理、施工、勘察、監測及專家在內的盾構穿越房屋安全保障小組，小組下設7個小隊，為下穿施工提供試驗、掘進、注漿、技術、監測、物資供應及搶險應急保障。

（2）提前研判區間盾構掘進施工重難點，重視盾構機選型，加強配置，如：配置/使用仿形刀、徑向注漿孔、兩道閘門可伸縮螺旋機、主動鉸接、同步注漿管道（4主4備）、盾尾密封單孔單泵等。

（3）逐層培訓、交底，從上到下，層層提升盾構施工技術及管理水平。

（4）逐一核實、確認勘探孔封堵狀況，如有異常提前封堵、加固。

（5）施工前聘請專業房屋鑒定單位對房屋外觀、結構形式、基礎類型、樓房公共區現狀及建筑物傾斜度進行實地統計，并形成房屋現狀調查報告，為后續建筑物變化情況提供對比依據。

（6）下穿前設置100 m長試驗段，總結盾構施工參數、土壓變化的規律、沉降影響的實際范圍，控制好盾構軸線、注漿壓力對地面變形的影響，同時磨合好盾構機的各項性能。

3 關鍵施工技術

3.1 小半徑曲線掘進

（1）利用主動交接，預先設定弧線態勢。在盾構將進入緩和曲線段處，調節鉸接角度，使其水平張角逐漸調節到設計鉸接角度，以符合隧道軸線要求的曲率半徑[3]。隨后在圓曲線隧道掘進過程中將基本保持這個水平張角，直至走完整個曲線段。

（2）采用超挖刀在曲線內側位置進行超挖，有利于糾偏。該區間盾構機刀盤上配備2把超挖刀，以用于曲線段掘進時對曲線內側位置進行超挖，以有利于糾偏。

（3）盾構沿曲線內側（割線方向）掘進，使得軸線留有預偏量。由于受水平分力影響，隧道易向曲線外側平移，因此盾構機在進入曲線段之前，應將盾構水平姿態調整至曲線內側20～30 mm，使盾構沿曲線內側（割線方向）掘進，便于盾構水平姿態糾偏。

（4）勤測勤糾，精確控制盾構方向。小半徑曲線段掘進過程中，加大對盾構姿態及管片姿態的復測頻率，確保當前的姿態準確無誤，同時對比左右側千斤頂的行程差是否達設計要求，以便及時調整左右側的壓力差。

3.2 下穿房屋主要施工參數的設定

（1）土倉壓力。盾構掘進施工土壓控制尤為重要，土壓過大地表則會直接隆起，反之沉降明顯。根據大量類似經驗計算，淺埋隧道盾構機土倉壓力的計算主要考慮土層壓力、地下水壓和附加荷載（預備壓力），其中土層壓力取靜止側向土壓力。以本區間下穿6層磚混房屋為例，其覆土厚度為18.7 m，本段地下水靜止水位埋深0.90～2.20 m，此處盾構機理論土倉壓力P的計算公式如下：

P（土倉壓力）=p1（靜止側向土壓力）+p2（地下水壓力）+p3（房屋附加荷載）=1.78+0.172+0.5=2.452 bar

p1（靜止側向土壓力）=K0h1r1= 0.5×18.7×1 900×10-4=1.78（kg/cm2）=1.78 bar

K0：靜止土壓力系數，砂一般取值0.35～0.45，粘土一般取值0.5～0.7，這里取0.5；

h1：區間覆土厚度，此處為18.7 m；

r1：土的天然容重(密度），一般為1.60～2.20 g/cm3，這里取1.9 g/cm3；

p2（地下水壓力）=qh2r2= 0.1×（18.7-1.5）×1000×10-4=0.172（kg/cm2）=0.172 bar

q：土層滲透系數，此處粘土滲透系數一般取值0.1；

h2：地下水位距刀盤頂部距離，此處隧道頂部埋深18.7 m，靜水位埋深取1.5 m，則此處地下水距刀盤距離為18.7-1.5=17.2 m；

r2：水的天然容重(密度）為1 g/cm3；

p3（房屋附加荷載）:依據經驗，一般多層樓房每層荷載為0.15～0.2 bar，共計6層，總荷載按1 bar考慮，根據上面靜止側向土壓力計算公式，則此處房屋附加的側向靜止土壓力為0.5×1=0.5 bar。

由以上公式可知，計算參數多為半經驗數值，且多為范圍值，計算結果存在差異，因此具體土倉壓力的設定還需根據試驗結合沉降監測數據綜合確定，該文這里只供參考。

（2）渣土改良。渣土改良在盾構掘進施工中一直扮演著很重要的角色，如若效果不好，則會直接出現掘進速度減緩、推力增大、扭矩變小等不良現象。盾構施工常用渣土改良方法有向刀盤、土倉及螺旋輸送機添加水、泡沫溶液或膨潤土泥漿以及聚合物等。該區間主要使用泡沫劑改良，經統計平均每環管片（環寬1.5 m）泡沫劑用量25 L。具體用量可參考下列配比：

泡沫劑溶液：一般泡沫原液1.5%～7.5%，水92.5%～98.5%。

FER發泡率：一般壓縮空氣86%～94%，泡沫溶液6%～14%。

FIR注入率（泡沫劑溶液注入量與出渣量的比值）：地質不同注入率則不同，根據目前經驗，砂性土30%～50%，砂、礫石性土25%～35%，砂、黏土混合25%～30%，硬黏土20%～35%，軟黏土50%～70%。

以上皆為經驗配比，實際用量還應根據渣土成分、出土狀況、施工成本等綜合因素考慮。天津地區盾構穿越地層多以黏性土、砂性土為主，中低壓縮性，工程性質較好，對渣土改良效果依附不高，如換成成都、廣州砂卵石、粉砂巖地層則對渣土改良要求較高。

（3）出土量控制。出土量控制是盾構掘進的根本，是控制地層缺失率的最直接、最有效手段。出土量控制必須以渣土體積控制為主，重量復核為輔。

環寬1.5 m管片根據計算每環出土量控制在57.7～58.8 m3，上下偏差最大不應超過1 m3。該區間以58.8 m3為標準，每車出土量（18 m3）須與相應的推進距離及時對比復核。如每環渣土量超過基準值的2%以上，則立刻上報值班領導，由項目部組織專題分析，采取有效措施后方可連續掘進。

（4）同步注漿。同步注漿是對剛拖出盾尾管片背后進行最直接、最有效的密實填充，填充的質量很快會在地表監測變化中得到驗證。填充材料采用水泥砂漿，為縮短同步漿液初凝時間、調整漿液泌水率，進而將膠凝時間控制在6 h以內。該區間經反復試配、試驗，并結合地表監測數據，最終確定下穿房屋同步漿液配合比如表2所示。

表2 同步漿液配比表

經計算理論注漿量為：1.5×π(R2-r2)=3.87 m3（刀盤開挖直徑6.46 m，半徑R為3.23 m；管片外徑6.2 m，半徑r為3.1 m），注漿壓力保持在0.3～0.5 MPa，本區間根據注漿壓力、注漿量雙重指標控制，實際注漿量多為6.5～7.8 m3，為理論值的170%～200%，根據現場實際監測結果，下穿房屋期間同步注漿7 m3/環對地表沉降控制較為有利。

（5）二次注漿。在下穿房屋過程中，二次注漿對限制地表工后沉降非常重要，因此將二次注漿作為盾構下穿房屋推進過程中的常態化工序非常有必要，二次注漿漿液多采用單液漿和雙液漿。

該區間下穿房屋過程中，為將地表沉降反應時間控制在最短、沉降變化控制在最小，自制緊跟盾尾二次注漿操作平臺（詳見圖2），拖出盾尾3～4環的管片就能及早進行二次注漿填充，注漿壓力按0.3～0.45 MPa控制，平均每環二次漿液注入量為0.8～1 m3（雙液漿），使得盾構穿越后的地表工后沉降得到了很好的控制。具體雙液漿配比如下：

圖2 緊跟盾尾二次注漿操作平臺（掘進與二次注漿可同步進行）

水玻璃漿液=水∶水玻璃（體積比3∶1）。

水泥漿液水灰比為1∶1。

雙液漿=水泥漿液∶水玻璃漿液（體積比1∶1）。

（6）其他掘進參數。綜合100 m試驗總結的掘進參數，并結合實際地質條件、盾構覆土埋深及設備狀況，下穿房屋時盾構機推力設定為10 000～13 000 kN，盾構機刀盤扭矩1 800～ 2 200 kN·m，推進速度為30～35 mm/min。

4 主要控制措施

4.1 監控測量與全天不間斷現場巡視相結合

由于下穿房屋過于重要，每2 h對盾構刀盤前后50 m范圍內所有監測點位測量一遍，現場出具快捷監測數據結果，同時安排固定人員全天24小時不間斷對盾構機掘進前后范圍地表及建筑物進行巡視、觀察，有效地將盾構施工對環境所產生的影響第一時間進行反饋，為施工掘進參數的優化調整提供了高效的指導。

4.2 信息化監控盾構姿態

利用信息化監控手段，搭建盾構機動態實時監控平臺，對盾構機的掘進姿態及參數進行動態監控，盾構掘進姿態超過設定限值后，監控系統第一時間發布姿態預警信息，促進做好勤糾、緩糾和動態糾偏。

4.3 重視渣樣分析

盾構下穿房屋期間，每隔3～5環就對渣土進行采樣分析，核定渣土含砂率及土質占比，并與地勘資料相比對，如若偏差較大，據此及時調整各項掘進參數。

4.4 做好盾構機維保

平穩、勻速、不間斷的盾構掘進，對施工工效、施工成本及施工安全都非常重要。因此要確保推進系統完好、注漿系統暢通、盾尾密封良好、各類顯示系統正常，就要不間斷地做好盾構機維保，降低機械故障率。

5 結束語

通過以上技術和措施的綜合應用，加上全體施工人員嚴謹、認真的工作態度和不畏艱辛的付出，單線1 324 m的區間掘進任務歷時130余天順利完成。沿線地表、建筑物的各項監測數據累計變化皆在允許范圍內，小半徑曲線盾構下穿老舊房屋群的難題也得以解決。