淺埋破碎軟巖地層盾構穿越老舊房屋施工關鍵技術研究

李永森

摘? 要：土壓平衡盾構在埋深淺、裂隙發育的破碎軟巖地層中、地表分布年代久遠以及結構老舊的淺基礎房屋等工況條件下，施工存在較大風險。該文針對此類工況，從掘進模式、精細化管控措施等方面展開論述，形成一套行之有效的施工應用技術，為類似工程提供參考和借鑒。

關鍵詞：盾構掘進；淺覆土；輔助氣壓；風險控制；地鐵施工

中圖分類號：U455.43? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2024）06-0176-04

Abstract： In the working conditions of shallow buried depth， broken soft rock strata with cracks， long-term surface distribution and shallow foundation houses with old structure， there are great risks in the construction of earth pressure balance shield. Aiming at this kind of working condition， this paper discusses from the aspects of tunneling mode， fine management and control measures， and forms a set of effective construction application technology， which can provide reference for similar projects.

Keywords： shield tunneling; shallow overlying soil; auxiliary air pressure; risk control; subway construction

地鐵施工時常遇到淺覆土、破碎帶以及下穿老舊房屋等疊加工況，使盾構施工面臨較大風險。針對該問題有學者認為應采取全土壓模式掘進以便最大限度降低施工風險，然而該方案對渣土改良、土倉進出土量動態平衡所對應的土倉壓力、刀盤扭矩等參數的穩定輸出均有較大挑戰，還存在盾構運轉負荷大、刀具磨損快、易結泥餅或噴涌和掘進效率低等問題。另一方案則采用“輔助氣壓”工法掘進，該工法雖要求地層具備一定氣密性和自穩能力，但其優點基本克服了全土壓模式所存在的問題。以往出現險情的案例基本是由于運用不靈活、操作不嫻熟、保障不到位造成的。本文通過實際案例，以“輔助氣壓”工法為基礎，加以優化總結形成一項在特定工況條件下行之有效的施工應用技術，以期為今后類似工程提供參考和借鑒。

1? 工程概述

1.1? 地面環境

本文以廣州地鐵十二號線烈東區間盾構工程為背景。距該區間始發端頭約15 m處分布有人工湖以及二層磚混結構建筑（下文定名為“華藝廊”），為藝術品儲存場所。房屋結構整體性差，基礎為條形基礎+松木樁，涉及陸域和水域兩部分，如圖1所示。條形基礎分布于陸上區域，深度1.2 m；涉水部分以松木樁為基礎，松木樁樁長4～4.5 m，如圖2所示。樁底至隧道拱頂間距為6.26～6.91 m。隧道在該區域覆土約13 m，穿越長度約30 m。

1.2? 地質分析

地勘資料揭示隧道拱頂與建筑基礎間地層主要為淤泥質中粗砂、強風化粉砂質泥巖、中風化粉砂質泥巖，隧道斷面范圍內地層為中風化粉砂質泥巖，屬于軟巖類地層，廣州地區俗稱“紅層”，強度低，約6～10 MPa。該區域還揭露有部分斷裂破碎帶即清泉街斷裂帶，裂隙發育，巖層RQD指標僅為20%～25%，地下水通道豐富，尤其接近拱頂處存在部分強風化層，破碎且夾泥。

2? 施工風險

2.1? 地層失水沉降引發地面房屋開裂坍塌風險

本區域中風化粉砂質泥巖巖面距隧道拱頂高度小，覆蓋層薄，裂隙發育程度高，且隧道覆土淺，基巖裂隙水與地表水系連通的可能性極高。施工時易發生土體進一步擾動以及土倉匯水造成地層失水沉降過大的風險。

2.2? 刀盤結泥餅風險

泥巖單體密實度高，與水融合慢，具有一定的隔水性。在“輔助氣壓”模式下掘進，盾體周邊地下水被逼離，若渣土改良不及時以及倉內實土比例控制欠合理，極易出現渣土滯排和結泥餅的風險。

2.3? 污染湖水的風險

施工區域范圍內80%以上為涉湖段（圖3）。湖水深度0.5～2 m，湖底以下地層滲透系數較高。掘進時土倉內高壓氣體易攜帶泥漿和泡沫透過基巖裂隙擊穿上覆土層，自湖底冒出而污染湖水。

3? 關鍵技術應用

3.1? 施工前準備

3.1.1? 房屋鑒定

施工前對房屋開展鑒定，共排查出既有裂縫約120處，寬度約5～40 mm。

3.1.2? 房屋支頂

利用模板、槽鋼、盤扣支架和方木等材料對隧道線路上方房屋結構進行支頂。

3.1.3? 人員及藝術品臨遷

穿越前將華藝廊內藝術品轉移保護，施工期間安排場所內工作人員進行居家辦公。

3.1.4? 深層土體監測孔

在靠近建筑邊及線路上方布設深層土體監測點共計3個，深度4 m，與木樁底齊深，確保更準備掌握地層動態變化情況。

3.1.5? 工前地質雷達掃描

利用地質雷達掃描探測出3處雷達波異常段落，根據專業分析推斷為一般疏松體和含水疏松體，病害長度為5 m，深度范圍為6.8～7.8 m，對盾構施工無實質性影響。

3.2? 施工過程控制

3.2.1? 施工參數擬定及控制

以“輔助氣壓”工法為基礎，通過精細化的管控措施，合理優化控制各項參數并不斷擬合地層特性，使參數保持低于閾值狀態穩定輸出并維持動態平衡，確保盾構機“吃得近，排得出，推得動”，形成良性運轉。

掘進過程密切關注刀盤轉速、推力、扭矩、貫入度以及土倉壓力等參數的相互關聯性，表1為主要掘進參數。根據地層自穩性，可適當提高刀盤轉速并降低貫入度，以“高轉速，低貫入度”原則控制。憑借“軟巖”的強度特點，刀盤轉速適當提高并不會加劇地表振動，但卻可通過提高刀盤單位時間土體切削率同時降低刀盤單轉土體切削量，既保證掘進速度，還能有效避免刀盤因貫入度過大而“撕爛”開挖面，擴大地層擾動的問題。

其次通過改良渣土達到一定流塑性后（但避免一開閘門即噴的狀態），積極利用螺旋機轉動出土，以閘門開度和螺旋機轉速為雙控，使倉內出土形成定量，通過穩定的高頻率出土對應高頻率進土，在較低推力水平下即可達到預期貫入度，從而確保推進速度。因刀盤轉速恒定時，土倉排土效率將直接影響倉內進土量，參數方面以推力和速度體現尤為明顯。當螺旋機排土不暢或不穩定時，倉內易出現大量積渣從而阻礙新切削土體進入土倉，導致現有推力無法滿足預期貫入度，最終形成推力大，速度小的惡性循環現象。對于“輔助氣壓”工法，利用上述方法保障土倉進出土量動態平衡，倉內氣渣界面基本保持不變。排渣時靈活利用自然空氣填補土倉，確保土倉壓力的穩定。

3.2.2? 精細化技術管控措施

1）合理控制倉內實土量。通過對倉內實土量的合理調整和控制，保持2/3倉實土和1/3倉自然空氣的分配比例，確保一旦發生大量漏氣失壓突發險情時，可快速“逼土”推進，以最短時間將土倉保滿實土，從而快速穩定開挖面。其次控制倉內氣體空間比例有利于抑制高壓氣體攜帶泡沫污染湖水。再者相對全土壓模式而言，因減少了倉內實土量，從而有助防止結泥餅并降低實土對開挖面土體的摩擦碰撞式擾動，且設備整體運轉負荷也降至可控范圍內。輔助氣壓模式示意圖如圖4所示。

2）合理控制土倉壓力。土倉在進出土過程中，難免會引起部分參數波動，其中土倉壓力尤為敏感，利用Samson自動保壓系統維持土倉壓力穩定顯然事半功倍。Samson壓力值設置適當低于額定土倉壓力0.1～0.2 bar，剩余缺額利用泡沫發泡空氣予以填補，使土倉壓力始終維持穩定，控制更為精細。

3）渣土改良控制標準。渣土改良主要使用泥巖分解型泡沫和水，通過配比試驗得出配比（單位為L）為泡沫原液：水=1∶22，膨脹率為1∶10～15時，發泡效果較好。使原本密實的塊狀土加速崩解而后在水的作用下（每環注水量約8～15 m3）形成流塑性較好的“稀泥”，排至皮帶上，基本形成“塌落平鋪”狀態，如圖5所示。此外在氣壓作用下，“稀泥”還能夠封堵開挖面和盾體周邊地層裂隙，抑制土倉漏氣，保證倉壓穩定的同時也有效控制泡沫污染湖水。

4）出土量控制。出土量以松散系數1.4計算虛方約為74 m3。利用容量18 m3的土斗按平斗裝土，實際出土量控制在理論量的110%以內并記錄每斗土所對應的推進油缸行程量。每完成掘進一環，須嚴控土倉內實土高度與起始基本保持一致。

5）盾體徑向孔注入衡盾泥。每環同步定量向盾殼徑向孔注入衡盾泥，抑制盾體上方地層沉降的同時封堵地層裂隙有助于保壓，如圖6所示。配比設置：A粉∶水=1.1∶2；A料∶B料=15∶1。經計算，起始階段初次注入量為7 m3，后續注入量為1.2 m3/環。

6）同步及二次注漿。同步注漿量為建筑空隙的130%～150%。盾構開挖直徑Φ6 700 mm，管片外徑Φ6 400 mm，每環（環寬1.5 m）同步注漿量實際為7 m3/環。要求管片上、下方注漿比例為3∶2。注漿以表2、表3方式進行控制。

二次注漿摒棄了利用電瓶車載運注漿設備及材料的方式，利用同步注漿系統下部一路注漿管加裝三通接長管后，接入指定管片頂部二次注砂漿，避免了二次注漿與盾構掘進的作業沖突。注漿位置為距離盾尾第6環，注漿間隔為每五環一注。

3.3? 工后保護

當盾尾全面脫離華藝廊10環后，以施工階段管片注砂漿的孔間進行加密開孔再次組織對管片壁后注水泥漿并且持續監測，根據監測情況進行補漿。

4? 施工效果

穿越后，建筑物沉降監測點沉降累計最大為JC7（深沉土體監測點），累計0.7 mm，設計沉降最大控制值為-30 mm；建筑物隆起最大為JC13，累計2.00 mm，設計最大隆起控制值為30 mm。經工后鑒定，除原有裂縫外，未發現新增裂縫，且原裂縫寬度無明顯變化。

通過本技術的應用，施工過程安全平穩順利。經測算，為項目節省經費上千萬元。同時也為今后類似工況的盾構施工提供參考和借鑒。

5? 結論

本文通過實際施工案例分析，利用“輔助氣壓”工法，輔以精細化的技術管控措施，使盾構安全平穩地穿越華藝廊，總結形成一套實用性較強的盾構施工關鍵技術，但有以下幾項關鍵點須注意。

1）地質研判及排查。地層須具備一定保壓性。“輔助氣壓”工法允許地層存在一定程度的裂隙發育，但需利用其他輔助措施滿足土倉的保壓要求。其次施工前須排查區域范圍內勘察鉆孔記錄，管線分布以及地層空洞等情況并提前封閉處理到位。

2）氣壓管理。在盾構掘進的起始階段，各項參數平衡還未建立之時，須通過靈活調整泡沫空氣流量或螺旋機轉速，有效平衡倉內因地層裂隙或進出土而產生的瞬間壓力波動，確保土倉壓力平穩。

3）土倉渣土高度。地層氣密性較好，可適當降低倉內實土高度，但不得低于1/3倉，確保渣土能夠封住土倉出土口。若地層氣密性欠佳，則須提高倉內實土高度，一則有助于應急時的“逼土”推進，二則有利于保壓。且每環起推前和完成后倉內實土高度應基本不變，防止出土超方。

4）渣土改良。由于盾體周邊地下水在氣壓作用下會被“逼離”，導致倉內渣土干燥需主動注水的情況。此時注水量的控制便考驗著操作手的經驗，如何避免因土倉注水過多而出現人為制造噴涌的情況顯然至關重要。

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