大直徑盾構(gòu)連續(xù)側(cè)穿多種建筑物安全施工控制技術(shù)研究

姬澤斌 JI Ze-bin

（中鐵十二局集團第二工程有限公司，太原 030032）

0 引言

目前隨著城市建設(shè)的不斷發(fā)展，地下空間不斷開發(fā)利用，各類大型工程不斷涌現(xiàn)，采用的施工工藝也日新月異[1]。盾構(gòu)法因其安全性高、施工速度快、對周邊影響小等優(yōu)點，越來越多的在城市隧道施工中采用[2]。一些大城市近年來拓展了城際列車交通系統(tǒng)，因在市區(qū)內(nèi)施工，又隧道斷面尺寸較大，因此安全風(fēng)險較高[3]。如何能快速有效、安全穩(wěn)定的推進大直徑盾構(gòu)施工，而又不影響周邊建筑物沉降變形，值得我們深入的研究[4]。

針對以上問題，近年來眾多學(xué)者進行了探索研究，南華大學(xué)博士吳志強進行了水下大直徑淺埋盾構(gòu)隧道施工風(fēng)險分析與控制研究[5]。廣東工業(yè)大學(xué)張世健研究了上軟下硬地層大直徑盾構(gòu)下穿密集房屋群沉降影響[6]。北京交通大學(xué)黃樹爐針對砂卵石地層，分析了淺埋暗挖隧道近橋樁施工注漿加固技術(shù)[7]。李振武研究了軟土地質(zhì)大直徑泥水盾構(gòu)施工引起地面沉降變化[8]。為確保盾構(gòu)掘進過程中沿線建筑物的安全，我們需進一步研發(fā)一種大直徑盾構(gòu)連續(xù)側(cè)穿多種建筑物安全施工控制技術(shù)[9]。

1 工程

1.1 工程背景

京津城際延伸線解放路盾構(gòu)隧道位于天津市塘沽區(qū)中心城區(qū)，隧道長2248m，最小覆土約7.5m，最大覆土約為15.6m，最大縱坡20‰，最小為1‰，采用1 臺直徑為12m 的泥水平衡盾構(gòu)機施工。工程所處地區(qū)為沖海積平原，地層以淤泥質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土為主，土質(zhì)不勻，成分復(fù)雜，土體靈敏度高、強度低，極易發(fā)生蠕動和擾動。

盾構(gòu)隧道連續(xù)側(cè)穿解放路商業(yè)街23 棟各式商業(yè)建筑，經(jīng)評定，極高風(fēng)險點8 處，高度風(fēng)險點4 處，中度風(fēng)險點11 處，需采取加固措施進行保護的風(fēng)險點建筑物共計19 處，有18 處管線需進行加固處理。經(jīng)清華大學(xué)評估，大部分建筑物的再允許沉降值為20～30mm，再允許差異沉降值為3～6mm。經(jīng)過試掘進，盾構(gòu)通過時地表沉降可控制在10mm 以內(nèi)，但工后沉降量最大可達到50mm，沉降槽寬度約2.5～3.5 倍洞徑，沉降穩(wěn)定期約為90d，因此，工后沉降對建筑物安全影響較大。掘進期間如何準(zhǔn)確控制地面隆沉，確保各建筑物的安全是工程的技術(shù)難點。

1.2 技術(shù)提出

采取安全控制技術(shù)的前提是允許建筑物變形，但必須控制變形量在評估允許范圍內(nèi)。可通過采取地面預(yù)注漿加固措施，將隧道與隧道隔離，在盾構(gòu)通過期間，可延緩隧道測土體變形對建筑物的影響。通過對掘進參數(shù)的調(diào)整和控制，在盾構(gòu)機穿越建筑時，最大限度地減少對土體的擾動，維持地層原有的穩(wěn)定性。通過實施地面預(yù)注漿加固和掘進參數(shù)控制，建筑物從開始變形到變形量超出允許值的過程減緩，為后期實施洞內(nèi)深孔注漿補償?shù)貙訐p失提供了充足的時間。通過在成型隧道內(nèi)實施深孔注漿，補償?shù)貙訐p失，可有效解決盾構(gòu)機穿越建筑物后的工后沉降問題[10]。

圖1 為盾構(gòu)側(cè)穿建筑物安全施工控制技術(shù)工藝流程圖。

圖1 工藝流程圖

通過建模分析不同的地層和隧道埋深，盾構(gòu)掘進對土體的沉降變形曲線，用以指導(dǎo)施工。研究發(fā)現(xiàn)：盾構(gòu)掘進時沉降最大值基本上發(fā)生在隧道中心線對應(yīng)的位置，越鄰近隧道開挖處沉降值越大，在遠處沉降值越來越小，隧道中心處沉降變化迅速，梯度較大。地層沉降具有空間效應(yīng)的同時還表現(xiàn)為時間效應(yīng)。隧道的最大主應(yīng)力發(fā)生管片退出盾尾的拱頂位置，并隨著盾構(gòu)的不斷推進，隧道襯砌的最大主應(yīng)力逐漸減小。

1.3 技術(shù)實施

1.3.1地面預(yù)加固技術(shù)

根據(jù)隧道埋深及沿線工程地質(zhì)，結(jié)合工程措施的可操作性，對隧道沿線風(fēng)險點采取地面隔離注漿加固地層，延緩建筑物變形。根據(jù)盾構(gòu)線路，在盾構(gòu)將要穿越的房屋基礎(chǔ)周邊進行注漿孔的打設(shè)，為了防止打設(shè)過程中破壞房屋基礎(chǔ)，孔位選擇在距離房屋墻腳2m 以外。為保證注漿效果和注漿的時效性，孔位選擇在線路軸心9m 左右的范圍。孔與孔之間的間距為3m，孔位深度至隧道頂1～2m，以保證漿液能夠完全填充至房屋基礎(chǔ)下方，注漿孔采用地質(zhì)鉆機進行打設(shè)。圖2 為注漿管布置圖。

圖2 注漿管布置

1.3.2雙模式盾構(gòu)掘進技術(shù)

一般情況下的土壓設(shè)定為避免盾構(gòu)掘進時刀盤扭矩過大，減小對地層的擾動，采用適當(dāng)?shù)那穳壕蜻M。每環(huán)進行前半環(huán)掘進時，由于土倉內(nèi)土體較為松散、和易性和流動性較好，刀盤扭矩相對較低，掘進速度相對較快，為防止地面沉降可將土壓適當(dāng)提高至0.4bar。在進行后半環(huán)掘進時，卵石破碎率較高、粒徑較大，渣土和易性和流動性較差，為防止刀盤扭矩過大造成自動保護停機和地面的沉降，應(yīng)適當(dāng)降低土壓至0.3bar。

在過房屋時，因為地面存在外加載荷，因此，需要保持土壓平衡的模式通過。為平衡地面的外加荷載，將土倉壓力提高至0.5～0.6bar，在通過自身抗壓強度較小的建筑物時將土倉壓力提高至0.7bar。

1.3.3三步式洞內(nèi)注漿技術(shù)

在盾構(gòu)機推進過程中，保持一定壓力不間斷地從盾尾直接向管片壁后注漿，當(dāng)盾構(gòu)機推進結(jié)束時，依據(jù)注漿量和注漿壓力的情況選擇是否停止注漿。注漿過程注漿量的控制是重點，通過計算實際出土量，從而把握加固漿液實際需要的充填量，保證土體充填密實，防止地面塌方的出現(xiàn)。注漿原理圖見圖3。

圖3 注漿原理示意圖

在管片增設(shè)5 個注漿孔，利用注漿孔（包括吊裝孔）打設(shè)注漿管注漿，保證洞內(nèi)加固的效果，見圖4、圖5。

圖4 盾構(gòu)隧道洞內(nèi)增設(shè)預(yù)留注漿孔布置

圖5 盾構(gòu)隧道洞內(nèi)增設(shè)預(yù)留注漿孔平面布置

當(dāng)盾構(gòu)正常掘進時，根據(jù)出渣量、同步注漿量等數(shù)據(jù)分析，對于未閉合的每環(huán)均進行二次注漿。在連接橋處搭設(shè)平臺已拼裝管片后15～20m 進行跟進式二次注漿，阻止盾尾來水。當(dāng)盾構(gòu)側(cè)穿建（構(gòu)）筑物出現(xiàn)大的超挖量時，在連接橋處搭設(shè)平臺在已拼裝管片后6 環(huán)進行注漿，防止建筑物下沉或地面塌陷，還可以起封堵作用防止后面的二次注漿漿液擠入盾尾。圖3 為注漿原理示意圖，圖6 為二次注漿示意圖。

圖6 二次注漿示意圖

1.3.4二次補注漿技術(shù)

對建（構(gòu)）筑物、超挖點及地面跟蹤注漿難以到達的地方進行二次補注漿，尤其是地面監(jiān)控量測仍顯示沉降的地方。由于之前的同步注漿及跟進式二次注漿，在漿液擴散范圍內(nèi)砂石被膠結(jié)，在隧道輪廓線外圍形成一層硬殼，經(jīng)過多次鉆孔確定在隧道上方有約2.5m 厚的硬殼層，因此二次補注漿應(yīng)采取深孔注漿。

對建（構(gòu)）筑物進行二次補注漿，應(yīng)根據(jù)地面監(jiān)測從建（構(gòu)）筑物沉降量大的一側(cè)向沉降量小的一側(cè)開始注漿，實施施工一環(huán)跳一環(huán)的跳環(huán)形式施工，每環(huán)施工1 個孔，選擇管片上方120°范圍以內(nèi)的孔位進行交叉注漿。隨時根據(jù)地面監(jiān)測調(diào)整注漿壓力與注漿量，防止建（構(gòu)）筑物因注漿抬高量過大。

1.3.5地面跟蹤注漿

對照盾構(gòu)的出渣記錄和地面監(jiān)測數(shù)據(jù)，對存在超方量的房屋基礎(chǔ)和出現(xiàn)大于8mm 的沉降且仍有沉降趨勢的房屋（構(gòu)筑物）附近，通過前期的預(yù)注漿孔進行地面跟蹤注漿。地面跟蹤注漿采用水泥水玻璃雙液漿，因雙液漿凝固快、強度上升也快，為防止?jié){液包裹盾體，同時為了保證跟蹤注漿的時效性，注漿時機一般選擇在距離盾體8m 的位置。

1.4 質(zhì)量控制措施

各種機電機械應(yīng)安裝安全防護罩、電機防漏電、觸電，加強機電設(shè)備維修和運轉(zhuǎn)中的保養(yǎng)，確保機械的完好性。施工過程中，要加強統(tǒng)一指揮，集中精力，發(fā)生異常現(xiàn)象要組織全力及時排除。施工區(qū)域內(nèi)材料、設(shè)備要堆放整齊，保證隧道內(nèi)的運輸?shù)缆窌惩āＷ{過程中若要維修注漿泵、疏通漿管，都要先卸去注漿管道內(nèi)的壓力。水泥等粉細散裝材料，采取封閉存放或嚴(yán)密遮蓋，減少揚塵。施工后的廢料采用容器吊運，不得隨意拋撒。建立并執(zhí)行施工現(xiàn)場環(huán)境保護管理檢查制度。

1.5 沉降變形監(jiān)測

建筑物沉降觀測點使用強力膠將預(yù)制好的監(jiān)測點粘結(jié)在建筑物上。臨時水平基點用?22 的螺紋鋼埋入地面以下30cm，地面以上10cm 用水泥砂漿澆筑，加保護蓋，并用紅色油漆標(biāo)記。建筑物傾斜采用差異沉降值進行計算。建筑物沉降數(shù)據(jù)采用公式進行處理：

Δhi=（fi-f0）-（f1-f0）

其中，Δhi 為該測點第i 次測量時的沉降值；fi 為該測點第i 次測量時的讀數(shù)；f0 為基準(zhǔn)點的讀數(shù)；f1 為該測點的初始讀數(shù)。

在上述沉降值計算的基礎(chǔ)上，通過各測點沉降值轉(zhuǎn)化為各測點的測點沉降值變化圖，可直觀的反映出測點的變化趨勢。

建筑物傾斜數(shù)據(jù)采用公式進行處理：

其中，I 為該建筑物在測點i 與i-1 所決定的建筑物平面的傾斜度；hi，hi-1 為第i 點與i-1 點的沉降值；D 為i與i-1 兩點之間的直線空間距離。

2 價值效果

2.1 沉降變形

經(jīng)評定，鄰近隧道的大部分建筑物的再允許沉降值為20～30mm，再允許差異沉降值為3～6mm。經(jīng)過試驗，盾構(gòu)通過時地表沉降可控制在10mm 以內(nèi)，但工后沉降量最大可達到40mm，穩(wěn)定期約為90d。盾構(gòu)通過期間，地表隆沉約+10mm～-15mm，建筑物差異沉降約1.5～2.5mm。通過采用該安全施工控制技術(shù)及時實施深孔注漿，地表最終沉降最大19.5mm，鄰近的建筑物最終差異沉降最大2.9mm，盾構(gòu)安全穿越了商業(yè)街所有建筑群，且未對地表環(huán)境造成任何影響。

2.2 經(jīng)濟社會效益

京津城際延伸線盾構(gòu)隧道位于塘沽區(qū)繁華地段，沿線極高風(fēng)險點8 處，高度風(fēng)險點4 處，中度風(fēng)險點11 處，需采取加固措施進行保護的風(fēng)險點建筑物共計19 處，有18處管線需進行加固處理。若由于盾構(gòu)施工引起沿線建筑物開裂、傾斜、坍塌等事故，所造成的經(jīng)濟損失是不可預(yù)估的，本控制技術(shù)的成功應(yīng)用避免了因事故而產(chǎn)生的一系列費用。該安全控制技術(shù)對建筑物的安全施工控制效果明顯，使盾構(gòu)施工造成的地層沉降得到了最大限度的降低，避免了由于地層沉降造成建筑物開裂、傾斜、坍塌等不良社會影響，社會效益十分顯著。

3 結(jié)語

通過應(yīng)用“大直徑盾構(gòu)連續(xù)側(cè)穿多種建筑物安全施工控制技術(shù)”，確保了盾構(gòu)隧道施工期間上方相鄰建筑物的安全，地表最終沉降最大18.8mm，鄰近的建筑物最終差異沉降最大2.3mm，盾構(gòu)安全穿越了所有風(fēng)險點，且未對地表環(huán)境造成任何影響。安全施工控制技術(shù)提高了管片的拼裝質(zhì)量，減少了隧道內(nèi)的滲漏水現(xiàn)象的發(fā)生，保證了隧道施工質(zhì)量。技術(shù)成本較低約為傳統(tǒng)保護方法的1/3～1/2，且對環(huán)境影響小，施工期間基本無廢水排放，噪聲小。另外與傳統(tǒng)保護方法比較，對商業(yè)活動影響輕微。安全施工控制技術(shù)的實施確保了施工安全和周邊建筑物安全，能有效控制地面沉降和土體沉降，從而有效控制建筑物變形，可廣泛應(yīng)用于埋深小于35m 的城市內(nèi)施工的直徑大于6m 的盾構(gòu)隧道工程。