盾構側穿密集房屋群施工關鍵技術研究

溫亦品 劉煥城

（廣州市市政集團有限公司）

0 引言

近年來，受城市地下綜合管廊建設推廣政策影響，國內各大城市紛紛掀起地下綜合管廊建設熱潮。城市地下綜合管廊容納了電力、供排水、通信、燃氣等市政設施，不僅方便了市政設施的維護和檢修，同時有效緩解城市交通擁堵問題。盾構法因其獨特優點，在城市地下綜合管廊建設中的應用也隨著管廊規劃建設的需要逐漸推廣。城市地下綜合管廊主要服務城區生活，管廊線路規劃時不可避免要下穿、側穿城區的建構筑物群，故采用盾構法施工時盾構機則需側穿、下穿建構筑物群掘進施工。盾構隧道施工改變了原地層的狀態必然會引起或多或少的地層位移和地表沉陷，它將影響到鄰近建筑物及地下管線的安全，對周圍的環境造成一定的損害[1]。盾構穿越房屋群施工擾動對地表既有建筑物的影響更大，施工安全控制更為困難[2]。

目前國內外學者對盾構下穿、側穿既有建筑物施工技術方面已開展了一系列研究。常淑芬，車增軍[3]以某地鐵盾構區間側穿建筑物為例，從設備選型控制、盾構掘進參數控制以及注漿控制方面詳細分析盾構側穿建筑物施工控制技術。何小華[4]結合實際工程實例詳細分析了盾構下穿建筑物群地層沉降控制技術。曹紅林[5]以武漢地鐵8號線三期野芷湖站—中間風井區間盾構隧道下穿建（構）筑物群為案例，采用一種新型惰性漿液三次注漿工法，并結合有限元軟件三維仿真數值模擬，有效地控制了地面建（構）筑物的最終沉降量，確保了建（構）筑物的安全。劉柄呈、楊雙鎖[6]等以太原地鐵2 號線牛站西巷區間盾構側穿公交公司家屬樓工程為例，開展了復雜地質條件下盾構側穿老舊建筑物加固技術研究,研究分析表明在施工條件受限的情況下，斜打錨桿樁能夠明顯降低雙線盾構隧道施工中鄰近隧道施工對建筑物的擾動。袁東鋒、李方政等[7]以廣州地鐵14 號線鄧村—江浦區間盾構隧道側穿姓鐘圍房屋群注漿加固項目為背景，研究分析了水平定向鉆孔注漿技術在盾構隧道側穿建筑物時的加固應用。寇衛鋒[8]研究了在盾構下穿建筑物基礎時的應用效果，證明雙液注漿法能夠在盾構機周圍形成一道密封不透水環，可有效減少施工過程中的滲水量，使施工安全進一步得到保障。游祖群[9]以成都地鐵1 號線盾構2 標工程盾構側穿房屋施工為例，詳細介紹了盾構下穿既有建筑物時的掘進參數控制技術、地面跟蹤注漿技術、房屋加固技術等。

上述研究在一定程度上可為城市綜合管廊盾構側穿密集房屋群施工技術控制提供借鑒，但由于現有研究主要以地鐵盾構施工方面為主，而針對管廊盾構施工側穿建筑物施工技術方面的研究尚少。本文以廣州某地下綜合管廊工程盾構區間土壓平衡盾構側穿房屋群為研究背景，研究分析盾構側穿密集房屋群施工關鍵技術。

1 工程概況

1.1工程簡介

綜合管廊盾構區間全長685.667m，最小轉彎半徑300m，頂部埋深10.040～19.377m，最大縱坡0.939%，區間采用一臺海瑞克土壓平衡盾構機掘進施工，由大里程端K3-1 綜合井（兼盾構始發井）西向始發掘進，至小里程端K3 綜合井（兼盾構接收井）接收吊出。盾構從始發井始發掘進后先下穿通過農用田，繼續向西掘進在里程K0+570～K0+460側穿岑村居民房屋群（圖1所示），然后側穿小鵬汽車產業園地下室，最后側穿創錦產業園房屋群到達小里程端K3綜合井接收吊出。

圖1 管廊盾構側墻房屋群平面圖

1.2工程地質條件

本文以區間盾構側穿岑村居民房屋群開展施工技術研究，該區間范圍內地層自上往下主要為素填土、淤泥、粉質粘土、中粗砂、砂質粘性土、全風化花崗巖，盾構穿越地層主要為砂質粘性土。地下水主要為第四系孔隙水、基巖風化裂隙水，初見水位埋深0.0～0.8m，穩定地下水埋深為0.2～4.5m。

1.3房屋群與隧道關系

該范圍內管廊盾構隧道中心線埋深約16.22～17.72m，管廊隧道外側邊線與居民房屋水平距離最近約2.6m。圖2、圖3 為房屋與管廊線路關系圖。房屋群層高為4～7 層，結構類型主要為框架結構，基礎主要為淺埋基礎和樁基礎。

圖2 房屋與管廊線路平面關系圖

圖3 房屋與管廊線路剖面關系圖

2 盾構施工沉降機理分析

盾構施工發生地層變形的主要原因是盾構掘進過程中對地層擾動和盾構隧道周邊地層受到擾動或剪切破壞的再固結[13]。盾構施工過程中引起地層損失的因素主要有：開挖面的土體移動、土體擠入盾尾間隙、盾殼與地層間的摩擦與剪切作用、土體超挖等。盾構掘進施工引起土體應力狀態改變，使土體產生變形，土體變形主要表現為地表隆沉[13]。盾構掘進過程中土體應力變化主要由以下五部分組成：①盾構掘進時盾構工作面前的土體應力的變化；②刀盤切削時盾構工作面上的土體應力的變化；③盾構推進時與土體之間的摩擦力引起的土體應力變化；④盾構脫盾時產生的空隙引起土體應力的變化；⑤地應力恢復時土體長期流變引起土體應力的變化。

與上述五種應力變化，盾構推進過程中產生的地面變形由以下五個階段組成［2、13］（圖4所示）。

圖4 地層沉降階段性變化圖

⑴盾構到達前的地面變形（δ1）。

盾構推進對前方土體產生擠壓變形，主要是由于土體受擠壓其有效應力增加而引起的。

⑵盾構到達時的地面變形（δ2）。

是由于盾構推進引起土體應力狀態改變而產生的變形。

⑶盾構通過時的地面變形（δ3）。

是由盾構外殼與土體之間產生摩擦，盾構外殼與土層之間形成剪切滑動面，剪切滑動面附近的土層內生剪切應力，剪切應力引起地表變形，且盾構掘進過程中不能始終保持與設計軸線一致。因此，盾構經過處的土體部分受壓、部分受松弛，土體因受壓和松弛產生附加變形。

⑷盾構通過后的瞬時地表變形（δ4）。

主要是由建筑空隙和應力釋放造成的，建筑空隙是由管片拼裝后與盾構外殼之間形成空隙以及盾構偏移隧道軸線引起的空隙的總和。盾構同步注漿有效地減少了建筑空隙，減少了地表沉降。

⑸土體后期固結變形（δ5）。

是由于盾構推進對周圍土體擾動引起的，在相當長一段時間內，土體發生再固結沉降和蠕變引起的。

3 盾構側穿房屋施工技術

3.1房屋加固保護技術

管廊盾構側穿房屋時穿越地層主要以砂質粘性土為主，隧道頂部存在部分中粗砂，而管廊盾構隧道外邊線與房屋水平最小距離為2.6m，為減少盾構掘進穿越時對房屋群的影響，有效控制地表、房屋沉降，采用隔離樁+預埋袖閥管跟蹤注漿技術進行房屋加固保護（如圖5、圖6 所示）。隔離樁為C25 素砼樁，樁徑350mm，樁間距600mm，布設在隧道外邊線外1.5m，樁長約19.0m,進入隧道底部，為提高素砼樁的剛度，內插D180×4.5 鋼管。袖閥管布設在靠隔離樁一側，間距1500mm，管長L=8m。根據Peck 公式原理，盾構施工引起隧道頂部地層變形出現沉降槽的形狀近似正態分布曲線，通過在隧道一側設置隔離樁可以改變沉降槽寬度，阻擋發展趨勢，降低地層沉降影響范圍，同時采用袖閥管對隧道頂部地層進行跟蹤注漿，當出現沉降監測預警時立即進行注漿加固，可有效預制地層沉降發展趨勢，控制地層沉降量。隔離樁應在盾構到達前一個月施工完成施工，預埋袖管應在盾構到達前完成預埋施工。

圖5 房屋加固平面布置圖

圖6 房屋加固剖面圖

3.2盾構施工工序安排

本工程盾構側穿房屋群前，盾構穿越了地層主要為砂質粘性土、粉質粘度及少量砂層，隧道頂部為粉質粘土、中粗砂、淤泥質粉質粘土及素填土，地表主要為農用田。為保證盾構安全順利側穿密集房屋群，結合相關經驗，以盾構到達房屋前50m 作為盾構側穿房屋施工試驗段。試驗段施工時，盾構按側穿房屋掘進的預設參數進行試掘進，結合地面、隧道沉降監測數據及時優化調整掘進參數，通過各項試驗數據的收集、整理、分析，結合工程實際條件，確實適宜的盾構側穿房屋掘進參數。

盾構掘進到達房屋前，應根據工程實際條件，選擇適宜的停機地點進行盾構機停機維保、檢修，停機地點可選擇在到達房屋前20～30m 范圍內，條件具備時應進行開倉檢查刀具，保證盾構機各項系統工作正常，相應配套施工設備運行正常，施工材料儲備、應急救援物資儲備等滿足施工要求。

3.3盾構掘進參數控制

3.3.1土倉壓力控制

根據地面沉降機理分析得知，盾構掘進施工過程中，土倉壓力是地面早期沉降和盾構到達時沉降的主要影響因素。為保持盾構開挖面的穩定狀態，使地面沉降量小，則設定的土倉壓力值必須與掌子面的水土壓力保持平衡。當土倉壓力值大于水土壓力時，刀盤擠壓前方土體，處于被動土壓狀態，容易引起地面隆起；當土倉壓力值小于水土壓力時，掌子面土體向土倉涌入，處于主動土壓力狀態，容易引起沉降；當土倉壓力值與掌子面靜止水土壓力平衡時，開挖面處于穩定狀態。通常盾構機掘進土倉壓力值按式⑴設定：

土倉壓力值=地下水壓力+土壓力+預壓值 式⑴

盾構掘進側穿房屋群時，為最大程度減少地層的擾動變形，保持開挖掌子面的土體穩定，控制地表沉降最小，應盾構土倉壓力應設為靜止土壓力，計算公式為：

式中：

P——靜止土壓力；

φ——土體有效內摩擦角。

盾構掘進側穿房屋過程中，土倉壓力應根據結論地層條件、地下水位計算的理論值控制，同時根據地表監測數據變化情況及時調整。土倉壓力通過傳感器顯示，盾構側穿房屋掘進過程中應盡量減少土倉壓力波動，波動幅度應控制在±0.1bar以內。

3.3.2盾構推力、速度及刀盤扭矩、轉速控制

盾構掘進施工過程中，為使盾構機往前行駛，盾構推力包含以下幾部分：盾殼與土層的摩擦力F1；刀盤推進力F2；盾尾與管片的摩擦力F3；掌子面的支撐壓力F4；后配套的拖拉力F5。根據經驗計算公式，盾構總推力為

式中：

F總——盾構總推力；

F——單位推力(開挖面單位面積的推力，單位kN／m2)，軟土地層不宜低于1050kN／m2，硬巖地層不宜低于1250kN／m2；

A——開挖斷面面積(m2)。

盾構掘進時刀盤扭矩包含切削扭矩、刀盤主軸承旋轉阻力矩、刀盤受推力荷載產生的反力矩、密封裝置摩擦力矩等。盾構掘進施工刀盤扭矩設置主要考慮切削土體助力及附加助力，可按經驗公式計算：

式中：

T——刀盤總扭矩；

D——刀盤外徑；

α——扭矩系統，土壓平衡盾構小于16。

盾構掘進速度與刀盤轉速、貫入度存在密切關系，掘進速度=刀盤速度×貫入度（刀盤每轉的進尺）。為保持土倉壓力穩定，掘進速度必須與螺旋機排土相符合，同時必須兼顧注漿，保證漿液能均勻填實管片與地層的空隙。速度的控制同時應盡量保持土體受到的是切屑而不是擠壓。盾構在軟土層側穿房屋掘進施工中，為減少刀盤對土層擾動，宜采取低轉速、大貫入度原則，保持速度平穩，快速平穩通過房屋群。盾構掘進參數如表1。

表1 盾構掘進參數表

3.4盾構施工過程中沉降控制技術

3.4.1同步注漿技術

盾構機側穿房屋群施工時，應控制同步注漿速率與盾構掘進速度相匹配。同步注漿采用盾構機內置注漿系統，漿液通過雙泵四管路（四注入點）對稱同時注入。同步注漿漿液原材采用水泥、粉煤灰、細砂、膨潤土、水按配合比拌制而成。配合比應通過現場試驗確定，并結合原材料變化情況、地質變化情況及時試驗調整。盾構側穿房屋施工時采用的同步注漿漿液應具有良好的穩定性、流動性及適宜的初凝時間，同時應具有良好的填充性能，低泌水率性，不易離析性。漿液配合比如表2所示。

表2 同步注漿配比

同步注漿壓力應控制在既能到達環向空隙有效填充，又不會對管片結構造成變形、損壞，同時應防止因壓力過大漿液擊穿盾尾刷流入盾尾或流入前方土倉。根據類似工程施工經驗，注漿壓力一般取大于靜止土壓力0.1～0.2MPa。同步注漿量根據理論公式⑷計算，同時為保證漿液填充飽滿，減少地面沉降量，軟土中盾構側穿房屋施工時同步注漿量應控制不少于6.5m3。

式中：

Q——注漿量；

D1——盾構理論開挖外徑；

D2——管片外徑；

L——每環推進長度；

α——注入率，一般取1.3～1.8。

3.4.2洞門二次注漿技術

盾構側穿房屋施工時為更好控制地層沉降，降低地面、房屋沉降量，盾構通過后在盾尾后方每隔5 環采用水泥漿+水玻璃混合的雙液漿進行洞內二次注漿，雙液漿配合比如表3 所示。二次注漿采用手動控制，通過打穿管片吊裝安裝逆止閥注漿頭注入。洞內二次注漿可以對同步注漿填充效果不理想部位進行二次填充，同時可以在管片壁后形成止水環，防止同步注漿漿液隨著地下水滲流、稀釋，加強注漿漿液凝固效果，并提高管片壁后止水效果。

表3 雙液漿配合比

3.4.3盾體徑向注漿技術

由于盾構體外徑比刀盤外徑小，盾構通過時盾體外側與地層之間存在一定間隙。軟土層中土體受刀盤切屑擾亂后臨空面失去自穩性，盾體通過時則發生地層下沉，從而引起地面沉降。為抑制地層沉降量，減少對地面、房屋沉降的影響，盾體外側與地層的間隙可從盾體的徑向孔進行注漿填充。注漿漿液應采用惰性漿液，可采用特殊膨潤土+水配制。

3.4.4袖閥管跟蹤注漿技術

盾構側穿通過房屋群后，結合地表及房屋監測數據反饋，當監測變化速率達到3mm/日或累計沉降量達到預警值的70%時立即啟動補充注漿。注漿漿液采用水泥漿，配合比為1:1，注漿壓力為0.3～0.5MPa，注漿壓力逐步提高，注漿結束標準以達到設計注漿壓力后，地層的吃漿量小于2～3L/min，注漿過程中保持持續監測，若監測數值變化不穩定，則繼續注漿，當監測數值趨于穩定后終止注漿。

4 施工監測結果及分析

盾構側穿密集房屋群施工時，應布設房屋沉降監測點，監測點布設原則為：應按房屋角點布設，當角點距離超過15m 時沿外墻10～15m 或每隔2～3 根柱基應設一測點。本文選取自編號M19、M18 房屋監測進行監測分析。

表4 為4 月28 日至5 月2 日期間房屋M18、M19 監測點沉降監測數據統計表。4月28日至5月2日盾構處于到達房屋前施工，根據表4 可知，盾構到達房屋前，監測點為微隆、沉降兩個階段，最大隆起量為0.9mm，最大累計沉降量為2.4mm。該階段房屋沉降為初期沉降階段，主要是由于固結沉降引起，盾構施工引起地下水（或孔隙水）的下降，土體發生固結。

表4 盾構到達前房屋沉降監測數據統計

表5 為5 月3 日至5 月10 日期間房屋M18、M19 監測點沉降監測數據統計表。5月3日至5月10日期間盾構掘進先后側穿房屋M19、M18，根據表5可知，盾構掘進側穿房屋期間監測點最大累計沉降量為-5.9mm，最小累計沉降量為-0.3mm，數據變化總體趨勢一致。該期間房屋沉降包括盾構側穿通過時、通過后的沉降，盾構到達前已完成隔離樁和預埋袖閥管施工，盾構側穿通過時嚴格控制掘進參數，控制同步注漿量不少于6.5m3，每隔5 環洞內施做二次注漿，監測數據反映，盾構側穿房屋施工時，總體控制較好。

表5 盾構側穿時房屋沉降監測數據統計

表6為5月11日至5月17日期間房屋M18、M19監測點沉降監測數據統計表。5 月10 日盾構開始離開房屋M18、M19，5 月11 日至5 月17 日監測數據為盾構側穿離開房屋M18、M19 后監測所得。根據表6 可知，盾構側穿離開后監測點最大沉降量為-7.8mm，最小累計沉降量為0.0mm，數據變化趨勢總體一致，且呈現開始平穩趨勢。監測點MF18-1 出現由沉降變為隆起，最大累計隆起量3.8mm，分析主要由于盾構掘進通過后進行了袖閥管補充注漿及洞內二次注漿，而該監測點剛好靠近補充注漿位置，注漿效果反映明顯。

表6 盾構側穿離開后房屋沉降監測數據統計

5 結論

本文以廣州某地下綜合管廊工程盾構區間土壓平衡盾構下穿房屋群為研究背景，總結城市綜合管廊盾構側穿密集房屋群施工關鍵技術，得出以下結論：

⑴在軟土地層中城市綜合管廊盾構側穿密集房屋群施工時，采用隔離樁+袖閥管跟蹤注漿技術可以改變沉降槽寬度，阻擋發展趨勢，降低地層沉降影響范圍，能有效預制地層沉降發展趨勢，控制地層沉降量。

⑵盾構側穿房屋群前進行側穿試驗段施工，盾構按側穿房屋掘進的預設參數進行試掘進，結合地面、隧道沉降監測數據及時優化調整掘進參數，收集、整理、分析各項試驗數據，結合實際條件，確定適宜的盾構側穿房屋掘進參數。

⑶盾構側穿房屋群施工時，通過嚴格控制盾構掘進參數，合理配置注漿漿液，采用同步注漿，每隔5 環洞內二次注漿，盾體徑向注漿，加強監測，實行精細化、信息化施工等關鍵技術措施，可將盾構側穿房屋的沉降變形量控制在安全范圍內。