于興國

圓礫泥巖復(fù)合地層泥水盾構(gòu)下穿建筑物施工技術(shù)

于興國

(中鐵十六局集團有限公司北京100018)

泥水盾構(gòu)機在圓礫、泥巖復(fù)合地層中掘進時，容易發(fā)生泥漿管、盾構(gòu)機前倉進渣口堵塞(堵管堵倉)的現(xiàn)象，引起前倉壓力波動，施工風(fēng)險急劇增加。通過對盾構(gòu)泥漿性能進行優(yōu)化，降低堵管堵倉發(fā)生的概率;通過設(shè)定合理的前倉壓力，優(yōu)化掘進參數(shù)，保證開挖面的穩(wěn)定，有效控制建筑物變形;之后選取正確的材料和施工工藝，利用同步注漿和二次補漿，有效控制地層和建筑物后續(xù)變形;同時利用信息化管理技術(shù)，采用自動化監(jiān)測和信息化管理平臺，使地下與地上聯(lián)動，及時調(diào)整施工參數(shù)，更加有效地控制了建筑物沉降，為盾構(gòu)機安全順利下穿建筑物提供有力保障。

軌道交通;盾構(gòu);圓礫泥巖;下穿建筑物;泥漿性能;掘進參數(shù);壁后注漿

1 研究背景

盾構(gòu)隧道斷面上部為圓礫，下部為泥巖的復(fù)合地層，典型特點是上部松散、軟弱、強透水，下部致密、較硬、黏性大。盾構(gòu)在掘進過程中，容易出現(xiàn)超挖、掌子面失穩(wěn)、地層變形難以控制等問題，特別是對泥水盾構(gòu)來說，由于泥巖的黏性較大，容易引起盾構(gòu)機前倉排渣口、泥水管路堵塞，造成開挖倉壓力波動幅度較大，大大增加了對地層變形控制的難度，特別是在下穿建筑物過程中，有可能導(dǎo)致嚴(yán)重后果，一直以來都是國內(nèi)外盾構(gòu)施工的難題。

筆者以南寧典型的圓礫、泥巖復(fù)合地層為例，通過對這種地層條件下的地鐵隧道泥水盾構(gòu)施工技術(shù)進行研究，特別針對下穿建筑物過程中的技術(shù)要點、技術(shù)措施、注意事項等，以便找到解決這一難題的辦法，促使地鐵隧道盾構(gòu)施工技術(shù)進一步完善，為類似工程提供可借鑒的經(jīng)驗。

2 工程概述

南寧地鐵1號線某區(qū)間隧道采用直徑6.25m的泥水盾構(gòu)機進行施工，盾構(gòu)需下穿46棟70～80年代修建的老舊建筑物。以某棟建筑物為例，修建于1979年，為5層磚砌結(jié)構(gòu)，淺層基礎(chǔ)，后期加建5處磚砌筒式外掛結(jié)構(gòu)，整體結(jié)構(gòu)非常薄弱，給盾構(gòu)下穿帶來極大風(fēng)險［1］。區(qū)間范圍內(nèi)存在487 m圓礫、泥巖復(fù)合地層，其中圓礫以礫石為主，少部分卵石，粒徑為2～30mm，最大粒徑一般在50～70 mm，粒間充填中、粗砂為主，富含水，強滲透性;泥巖為灰色、青灰色，成巖程度較深，呈半巖半土狀，層理不明顯，切面光滑，有蠟狀光澤，標(biāo)貫試驗實測擊數(shù)51～197擊，天然抗壓強度為0.52～1.7MPa，風(fēng)干抗壓強度為1.66～4.89MPa［2］。

盾構(gòu)機進入圓礫、泥巖復(fù)合地層后，出現(xiàn)堵管堵倉現(xiàn)象，開挖倉壓力控制困難，之后采取一系列控制措施，最終保證了建筑物安全，使盾構(gòu)順利通過。圖1圓礫(左)和泥巖(右)的表觀性狀，圖2是盾構(gòu)下穿的典型建筑物。

圖1 圓礫、泥巖的表觀性狀

圖2 下穿的典型建筑物

3 在復(fù)合地層下穿建筑物控制要點

盾構(gòu)機在下穿過程中，保證建筑物的安全其實就是控制地層變形，分為開挖面前沉降(隆起)控制、通過時沉降(隆起)控制、尾部空隙沉降(隆起)控制、后續(xù)沉降控制4個階段［3］。

3.1 保持開挖面穩(wěn)定

保持開挖面穩(wěn)定主要是針對開挖面前沉降(隆起)、通過時沉降(隆起)，是控制地層變形的重要措施，也可以說是盾構(gòu)掘進施工的核心技術(shù)措施。主要控制泥漿性能指標(biāo)、掘進過程中的平衡壓力、超挖量、對地層的擾動量等方面內(nèi)容。

3.2 壁后及時填充

盾構(gòu)通過后，會在盾構(gòu)后方的土體和管片之間留有一定的空隙，造成此處土體應(yīng)力釋放、向下坍塌，進而引起地層變形，所以管片壁后的間隙必須得到及時填充。而同步注漿和洞內(nèi)二次補漿正是為了及時有效地對其填充、補償，這是尾部空隙沉降(隆起)控制、后續(xù)沉降控制的重要措施。

3.3 信息化管理

信息化管理是以自動化監(jiān)測為基礎(chǔ)，采用信息共享平臺，將地面、指揮中心、盾構(gòu)機操作室、掌子面聯(lián)動，使信息發(fā)布、收集、加工、處理、反饋暢通及時，在第一時間利用監(jiān)測數(shù)據(jù)等信息指導(dǎo)施工，確保建筑物安全，是控制地層變形的有效措施。

4 盾構(gòu)下穿過程中的技術(shù)措施

4.1 盾構(gòu)泥漿性能優(yōu)化

在泥水盾構(gòu)施工時，針對孔隙率較大的圓礫地層往往采用比重較高、黏度較大的泥漿，以便有效地在開挖面形成優(yōu)質(zhì)泥膜，以維持地層穩(wěn)定。而在泥巖地層中掘進時，往往采用比重和黏度均較小的泥漿，有利于渣土的順利排出。而在圓礫、泥巖復(fù)合地層中掘進時，兩種地層對泥漿指標(biāo)的要求出現(xiàn)矛盾，必須找到各種指標(biāo)的平衡點，以滿足對地層的適應(yīng)性。

在圓礫地層中，采用的泥漿指標(biāo)如表1所示，當(dāng)進入圓礫、泥巖復(fù)合地層時，泥漿黏度、比重迅速增大，盾構(gòu)堵倉、堵管現(xiàn)象明顯，前倉壓力波動幅度較大，地層變形反應(yīng)明顯，掘進困難。

分析原因為:高比重黏度泥漿，未有效抑制泥巖結(jié)塊成團，造成泥巖被刀盤切削下來之后，迅速相互黏結(jié)，堆積在開挖倉底部，造成出閘口堵塞，環(huán)流不暢，導(dǎo)致前倉壓力波動、地層變形。

之后調(diào)整泥漿指標(biāo)，堵管堵倉現(xiàn)象有所好轉(zhuǎn)，但上部圓礫地層反應(yīng)敏感，地表沉降增大，對控制地層變形不利。

經(jīng)過多輪比對，最終確定了泥漿指標(biāo)，堵管堵倉仍有發(fā)生，但對前倉現(xiàn)象壓力影響不是很大，地面沉降較小，符合控制地層變形的要求。各種泥漿性能指標(biāo)見表1。

表1 各種狀態(tài)下的泥漿性能指標(biāo)

優(yōu)化泥漿指標(biāo)的同時，嘗試向泥漿中摻入其他添加物，從經(jīng)濟性和適用性出發(fā)，選取工業(yè)洗滌劑為試驗對象，結(jié)果表明，當(dāng)洗滌劑添加量為3‰時，泥漿黏度基本沒有變化，對泥膜無影響，但可顯著降低泥漿比重。從現(xiàn)場使用來看，進一步降低了堵管堵倉的概率，同時對預(yù)防刀盤結(jié)泥餅效果顯著。

4.2 盾構(gòu)平衡壓力設(shè)定

盾構(gòu)施工的核心在于開挖倉壓力與外部水土壓力的平衡，因此設(shè)定的開挖倉壓力是否準(zhǔn)確，直接影響著開挖面是否穩(wěn)定。盾構(gòu)切口外部水土壓力一般采用下列公式［4］計算:

式中:P1為地下水壓力，kPa;P2為靜止土壓力，kPa;P3為變動土壓力，一般取20 kPa;γw為水的容重，kN/m3; h為地下水位以下的隧洞埋深，m;K0為靜止土壓力系數(shù);γ為土的容重，kN/m3;P'2為主動土壓力，kPa;K a為主動土壓力系數(shù);C u為土的凝聚力，kPa;H為隧洞埋深，m。

而開挖倉設(shè)定值一般處于上限值和下限值之間，之后通過試推進來確定。

實踐證明，隧道上半部的圓礫擁有一定的自穩(wěn)性，白火區(qū)間隧道埋深為10～18m，水位埋深為7m左右，實際采用的切口壓力為110～210 kPa，隧道埋深每增加1m，切口壓力相應(yīng)調(diào)高12.5 kPa，可以保證開挖面的穩(wěn)定。

4.3 盾構(gòu)掘進控制

4.3.1 掘進參數(shù)的優(yōu)化

盾構(gòu)主要掘進參數(shù)包括推進力、推進速度、刀盤扭矩、刀盤轉(zhuǎn)數(shù)、進排漿流量等。

在圓礫地層中，推進力為7 MN時，推進速度可以達到30mm/min，此時刀盤扭矩為0.4 MNm左右，刀盤轉(zhuǎn)速通常維持在1r/min左右，進排漿流量需要大于650m3/h。

當(dāng)盾構(gòu)進入圓礫、泥巖復(fù)合地層后，推進力、刀盤扭矩增大，由于泥巖容易堵管、堵倉，需要放慢掘進速度，找到一個平衡點，既要順暢排渣，速度也要被接受。經(jīng)過對參數(shù)的不斷優(yōu)化，最終采取的參數(shù)為:推進速度降低至10～15 mm/min，此時的推進力為12～15 MN，刀盤扭矩2～3MNm。為了讓切削下的渣土塊細(xì)化，以便順利排出，將刀盤轉(zhuǎn)速提高到2.0 r/min;為了把渣土盡快排出盾構(gòu)機前倉，防止渣土堆積后堵管堵倉，將進排漿流量提高到900m3/h以上。

4.3.2 掘進操作精細(xì)化

在圓礫、泥巖復(fù)合地層中下穿老舊建筑物時，由于建筑物和地層的敏感性，在盾構(gòu)掘進過程中一定要將操作精細(xì)化，主要體現(xiàn)在以下幾個方面:

1)開挖倉壓力的控制。在圓礫、泥巖復(fù)合地層中掘進時，由于渣土排放不順暢、堵管堵倉等原因，造成盾構(gòu)機開挖倉壓力產(chǎn)生較大波動，對控制地層變形非常不利，這就需要盾構(gòu)操作人員緊盯開挖倉壓力變化，當(dāng)開挖倉壓力快速上升或降低時，必須馬上將部分或全部通往開挖倉的進漿管路關(guān)閉或開啟，以減小壓力波動，將波動值控制在±40 kPa范圍內(nèi)。

為了防止渣土堆積，操作人員必須不定時地選擇開關(guān)進漿管路，集中壓力重點沖刷渣土容易堆積的地方。

2)出渣量控制。在掘進過程中，應(yīng)根據(jù)掘進速度換算，確定進排漿流量差，時刻注意氣墊倉中泥漿液位的變化，調(diào)整流量，為了快速運輸渣土，應(yīng)采用大流量循環(huán)。每隔10環(huán)左右，泥水處理中心實測出渣量，根據(jù)結(jié)果調(diào)整參數(shù)，實施二次補漿。

3)盾構(gòu)姿態(tài)控制。在進入圓礫、泥巖地層前，盾構(gòu)應(yīng)保持微抬頭狀態(tài)，前后軸線垂直差值不宜大于10mm，切勿以較大的俯仰角仰頭進入泥巖，防止盾構(gòu)上漂。糾偏時，應(yīng)勤糾緩糾，防止超挖，控制地層變形。

4)防止刀盤結(jié)泥餅措施。在泥巖地層中，盾構(gòu)刀盤容易出現(xiàn)結(jié)泥餅的現(xiàn)象，為了防止這一點，應(yīng)采取的措施是:放慢推進速度，加快刀盤轉(zhuǎn)數(shù)，使渣土細(xì)化，以便順利將渣土排出;每推進30 cm，轉(zhuǎn)換刀盤轉(zhuǎn)動方向，加大泥水循環(huán)流量，停機，利用管路對渣土堆積位置以大壓力進行重點沖刷［5］，切忌開啟直接沖刷圓礫地層的泥漿管，以防上部圓礫失穩(wěn);在剛開始進入圓礫、泥巖復(fù)合地層時，可以在泥漿中加入潤滑劑(如工業(yè)洗滌劑)［6］，防止泥餅的結(jié)成。但在添加之前，需要試驗確定添加物對泥漿指標(biāo)的影響，以保證上部圓礫層的穩(wěn)定。

4.4 壁后注漿管理

4.4.1 同步注漿

在下穿建筑物期間，必須提高同步注漿漿液質(zhì)量，同步注漿采用水泥砂漿。表2是實際采用的同步注漿砂漿配比。

表2 同步注漿砂漿配比kg

試驗表明，此配合比砂漿體積收縮率為0，對控制地層的后期變形非常有利。

同步注漿量:理論注漿量為4m3，考慮漿液擴散系數(shù)調(diào)整為6～8m3(150%～200%)。

注漿壓力:應(yīng)大于注漿出口壓力100～200 kPa［7］，最終控制在200～250 kPa之間。

注漿量和注漿壓力應(yīng)按水位、地質(zhì)條件的變化而調(diào)整，應(yīng)以監(jiān)測數(shù)據(jù)的指導(dǎo)來確定。注漿量、注漿壓力為雙控指標(biāo)，注漿必須及時、飽滿，任何一項指標(biāo)達不到要求時，需及時分析、整改。同時，必須以同步為原則，注漿速度與推進速度相匹配。

4.4.2 二次補漿

二次補漿是抑制后期沉降的重要一環(huán)，一般情況下，針對地表沉降較大、出渣量超標(biāo)的位置進行補漿。在盾構(gòu)下穿建筑物期間，二次補漿采用水泥、水玻璃雙液漿，水泥漿水灰比為0.8∶1，雙液漿凝膠時間控制在45～90 s以內(nèi)。二次補漿應(yīng)隨盾構(gòu)掘進一直進行，滯后同步注漿一定距離(9m左右)，及時跟進，重點部位重點控制。注漿壓力高于同步注漿壓力100 kPa左右，未達到此壓力，不能停止，但需確認(rèn)沒有竄漿現(xiàn)象。

4.5 信息化管理

對無法進行人工監(jiān)測的重要建筑物采用自動化監(jiān)測，實現(xiàn)盾構(gòu)推進過程地表建筑物的實時監(jiān)控，并反饋到手機或計算機上。自動監(jiān)控系統(tǒng)包括硬件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)和運營管理3個部分。圖3是自動化監(jiān)測系統(tǒng)總體構(gòu)成框架，圖4是自動化檢測系統(tǒng)某個點的監(jiān)測結(jié)果。

圖3 監(jiān)測系統(tǒng)總體構(gòu)成框架

圖4 自動化監(jiān)測結(jié)果顯示界面

信息化管理平臺的搭建以遠程自動化監(jiān)測等硬件為基礎(chǔ)，以施工參數(shù)優(yōu)化為內(nèi)核，借助地表監(jiān)控中心為載體集成，實現(xiàn)盾構(gòu)掘進參數(shù)和施工監(jiān)測數(shù)據(jù)的遠程自動化獲取，在數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上實現(xiàn)盾構(gòu)掘進參數(shù)實時優(yōu)化、正常掘進信息反饋、預(yù)警信息及時上報、重大險情現(xiàn)場指揮及處理等功能，使得地下與地上聯(lián)動。使各參建單位實時了解監(jiān)測信息，發(fā)布各種指令，協(xié)調(diào)各方關(guān)系，確保盾構(gòu)下穿建構(gòu)筑物沉降可知、險情可控、統(tǒng)一聯(lián)動、協(xié)調(diào)促進。

5 盾構(gòu)下穿過程中的注意事項

1)在優(yōu)化泥漿性能指標(biāo)時，應(yīng)以控制圓礫地層的穩(wěn)定為原則，各項指標(biāo)應(yīng)逐步進行小幅度調(diào)整，直至找到適合的指標(biāo)參數(shù)。

2)當(dāng)發(fā)生堵管堵倉現(xiàn)象時，以控制前倉壓力波動為原則，切不可盲目推進，反復(fù)改變掘進參數(shù)，造成對地層的過大擾動。

3)當(dāng)推力增大、刀盤扭矩增加時，應(yīng)注意防止刀盤結(jié)泥餅，不能為了追求掘進速度，不斷增加推進力來“硬推”，這樣相反會使參數(shù)進一步惡化［8-10］。

4)嚴(yán)格控制前倉壓力和注漿壓力，防止因壓力過大而擊穿地面，出現(xiàn)冒頂;同時防止擊穿盾尾，造成盾尾漏漿。

6 結(jié)語

通過以上的技術(shù)研究，獲得了與圓礫、泥巖復(fù)合地層相適應(yīng)的盾構(gòu)下穿建筑物施工技術(shù)。得出結(jié)論:合理的泥漿性能指標(biāo)、準(zhǔn)確的平衡壓力、優(yōu)化掘進參數(shù)結(jié)合精細(xì)化的操作、嚴(yán)格的壁后注漿管理以及利用信息化指導(dǎo)施工，是確保建筑物安全和盾構(gòu)機順利通過的有力措施。通過上述技術(shù)措施的實施和嚴(yán)格的技術(shù)管控，盾構(gòu)機順利下穿白火區(qū)間多棟房屋。監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，盾構(gòu)機通過后，房屋沉降平均值僅為3mm左右，遠遠低于30mm的設(shè)計允許值，而且在節(jié)約工程投資的同時，取得了顯著的社會效益。

［1］中鐵隧道勘測設(shè)計院有限公司.南寧市軌道交通一號線一期工程白蒼嶺站—火車站區(qū)間設(shè)計說明［G］.天津，2012:4-5.

［2］化工部鄭州地質(zhì)工程勘察院.南寧市軌道交通一號線一期工程白蒼嶺站—火車站區(qū)間詳細(xì)勘察階段巖土工程勘察報告［R］.鄭州，2012:9-11.

［3］李曙光，方理剛，趙丹.盾構(gòu)法地鐵隧道施工引起的地表變形分析［J］.中國鐵道科學(xué)，2006，27(5):87-92.

［4］王江濤，陳建軍，吳慶紅，等.南水北調(diào)中線穿黃工程泥水盾構(gòu)施工技術(shù)［M］.鄭州:黃河水利出版社，2010:345.

［5］田寶恩，張志鵬.泥水平衡盾構(gòu)施工中刀盤泥餅的形成機理和防治措施［J］.石油天然氣學(xué)學(xué)報，2012，34(4):309-314.

［6］陳喬松，劉德智.泥水平衡盾構(gòu)機刀盤泥餅形成機理及防治技術(shù)［J］.長沙鐵道學(xué)院學(xué)報，2011，12(2):214-215.

［7］盾構(gòu)法隧道施工與驗收規(guī)范:GB 50446—2008［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2008:87-88.

［8］張士屹.盾構(gòu)法施工同步注漿施工工藝［J］.西部探礦工程，2009(4):164-167.

［9］黃威然，楊書江.砂與砂礫地層盾構(gòu)工程技術(shù)［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2013:169-172.

［10］竺維彬，鞠世建.復(fù)合地層中的盾構(gòu)施工技術(shù)［M］.北京:中國科學(xué)技術(shù)出版社，2006:88-89.

(編輯:郝京紅)

Construction Technology of Slurry Shield Crossing under Buildings in Com posite Stratum of Round Gravel and Mudstone

Yu Xingguo
(China Railway 16th Bureau Group Co.，Ltd.，Beijing 100018)

When slurry shield is boring in the composite stratum of round gravel and mudstone，the blocking phenomenon in the slurry pipeline and in the slag fillingmouth of the slurry chamber occurs easily to cause slurry pressure fluctuation in the slurry chamber.The construction risk also increases dramatically.By optimizing the slurry performance，probability ofblocking can be reduced.And by using reasonable pressure parameters in the slurry chamber and optimizing the excavation parameters continuously，the stability of the excavation face can be guaranteed，and the deformation of buildings can be effectively controlled.Afterwards，by selecting propermaterials and the reasonable construction technology，using synchronous grouting and secondary grouting，the subsequent deformation of ground and buildings can be effectively decreased.At the same time，with the aid of the information management technology，the linkage between the underground and the ground became possible.Specifically，when the TBM is crossing under buildings，it is safer and more valid to control the subsidence by adjusting construction parameters timely with the help of the automatic monitoring technology and the information management platform.

rail transit;shield;round gravelandmudstone;crossing under the building;slurry performance;excavation parameters;grouting behind the segment

U231.3

A

1672-6073(2016)02-0057-04

10.3969/j.issn.1672-6073.2016.02.013

2015-08-22

于興國，男，本科，工程師，從事隧道及地下工程技術(shù)研究，yxg0305@126.com

中國鐵建股份有限公司技術(shù)研發(fā)(14-C18)