劉安偉，李兆平，李 陽，李 明，嚴(yán)琪琛

（1. 北京市市政四建設(shè)工程限責(zé)任公司，北京 100176；2. 北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，北京 100044）

富水黏土地層地鐵隧道采用盾構(gòu)法施工，一般采用泥水平衡模式居多[1-5]，但是采用泥水平衡模式盾構(gòu)掘進(jìn)，若土體中細(xì)顆粒含量高，則泥漿中的細(xì)顆粒分離時(shí)間長(zhǎng)，會(huì)導(dǎo)致施工效率低。而土壓平衡盾構(gòu)主要缺點(diǎn)是地層沉降控制難度大，因此，在下穿建筑物地段，如果建筑物為淺基礎(chǔ)或者建筑物抵抗變形能力差，選擇土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)的風(fēng)險(xiǎn)就很大[6-8]。但土壓模式的最大優(yōu)點(diǎn)是不受出碴限制、掘進(jìn)速度快、施工效率高。特別地，在穩(wěn)定開挖面上，土壓平衡盾構(gòu)通過控制土倉壓力平衡開挖面前方水土壓力，而泥水平衡盾構(gòu)可以控制泥漿壓力和流量，依靠泥漿在開挖面上形成泥膜平衡水土壓力，這使得其在富水地層具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)[9]。

本研究依托工程為沈陽地鐵4號(hào)線一期工程勞動(dòng)路站—望花屯站區(qū)間隧道，采用盾構(gòu)法施工，區(qū)間隧道穿越地層全部為粉質(zhì)黏土層，具有“滲透系數(shù)小、粉粘粒含量高(粒徑≤10 μm的顆粒占比達(dá)61.23%)、含水量高(天然含水量ω約為26.0%)”等特點(diǎn)。區(qū)間隧道穿越眾多建(構(gòu))筑物，且建筑物以居民樓為主，房屋基礎(chǔ)主要為條形基礎(chǔ)或樁基礎(chǔ)，風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等級(jí)均為“一級(jí)風(fēng)險(xiǎn)源”。在總結(jié)試驗(yàn)段(0～213環(huán))掘進(jìn)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，探討了采用土壓平衡掘進(jìn)模式對(duì)建筑物的影響，提出了成套的基于土壓平衡模式穿越密集淺建筑群的沉降控制措施，實(shí)際監(jiān)測(cè)效果表明控制措施效果明顯。

1 盾構(gòu)區(qū)間隧道穿越建筑物情況

1.1 線路概況及工程地質(zhì)條件

沈陽地鐵4號(hào)線一期工程土建施工第二合同段由勞動(dòng)路站、望花街站—?jiǎng)趧?dòng)路站區(qū)間及勞動(dòng)路站—望花屯站區(qū)間組成，線路呈“S”型敷設(shè)，如圖1所示。其中，勞動(dòng)路站—望花屯站區(qū)間線路自勞動(dòng)路站沿勞動(dòng)路從西至東，在勞動(dòng)路與民強(qiáng)二街交叉口處向東南方偏折，區(qū)間在轉(zhuǎn)彎區(qū)域內(nèi)先后穿過民生家園小區(qū)等，終點(diǎn)為望花屯站。本區(qū)間右線長(zhǎng)773.588 m，左線長(zhǎng)734.187 m，線間距11.72～17 m；區(qū)間拱頂最大覆土約19.3 m，最小約11.8 m；區(qū)間設(shè)置1處平曲線，最小半徑370 m。

圖1 沈陽地鐵4號(hào)線一期工程土建施工 第二合同段衛(wèi)星圖 Figure 1 Satellite image of the second contract section of the civil construction of the first phase of Shenyang Metro Line 4

本區(qū)間隧道地層主要由第四系全新統(tǒng)和更新統(tǒng)黏性土、砂類土及碎石類土組成，如圖2所示。其中盾構(gòu)穿越的地層均為粉質(zhì)黏土層，具有“低滲透性、高黏粉含量、高含水量”等特點(diǎn)。

圖2 望-勞區(qū)間工程地質(zhì)剖面圖 Figure 2 Engineering geological section of Laodonglu Station to Wanghuatun Station

1.2 穿越建筑物情況

區(qū)間左、右線隧道下穿民生家園等小區(qū)6棟多層居民樓，樓房基礎(chǔ)為墻下條形基礎(chǔ)，部分樓房有地下室，勞動(dòng)路—望花屯區(qū)間下穿建筑物情況見表1。

表1 盾構(gòu)區(qū)間隧道穿越建筑物情況Table 1 Statistics of shield-driven section tunnel passing through buildings

該盾構(gòu)區(qū)間與下穿的建筑物詳細(xì)位置關(guān)系描述如下。

1)民強(qiáng)三街小區(qū)2層居民樓：該樓房為2層磚混結(jié)構(gòu)，無地下室，條形基礎(chǔ)，如圖3所示。

圖3 盾構(gòu)區(qū)間隧道與民強(qiáng)三街小區(qū)2層居民樓立面位置關(guān)系 Figure 3 Location relationship between the shield tunnel and the 2-story residential building in Minqiang Sanjie Community

2)民強(qiáng)三街43#居民樓：該樓房為6層磚混結(jié)構(gòu)，帶一層地下室，條形基礎(chǔ)，如圖4所示。

圖4 盾構(gòu)區(qū)間隧道與民強(qiáng)三街43#居民樓立面位置關(guān)系 Figure 4 Relationship between the shield tunnel and the 43# residential building in Minqiang Sanjie Community

3)民強(qiáng)三街41#居民樓：該樓房為6層磚混結(jié)構(gòu)，帶一層地下室，條形基礎(chǔ)，如圖5所示。

圖5 區(qū)間隧道與民強(qiáng)三街41#居民樓立面位置關(guān)系 Figure 5 Relationship between the shield tunnel and the 41# residential building in Minqiang Sanjie Community

4)民生家園小區(qū)36-2#居民樓：該居民樓為7層框架結(jié)構(gòu)，預(yù)制管樁基礎(chǔ)，無地下室，如圖6所示。

圖6 區(qū)間隧道與民生家園小區(qū)36-2#居民樓立面位置關(guān)系 Figure 6 Relationship between the shield tunnel and the 36-2# residential building in Minsheng Jiayuan Community

5)民生家園小區(qū)36-1#居民樓：該居民樓7層框架結(jié)構(gòu)，預(yù)制管樁基礎(chǔ)，無地下室，如圖7所示。

圖7 區(qū)間隧道與民生家園小區(qū)36-1#居民樓立面位置關(guān)系 Figure 7 Relationship between the shield tunnel and the 36-1# residential building in Minsheng Jiayuan Community

2 試驗(yàn)段土壓平衡和泥水平衡模式的沉降控制效果分析

2.1 試驗(yàn)段掘進(jìn)模式分段及地表沉降

該工程采用的盾構(gòu)機(jī)為中交天和機(jī)械設(shè)備制造有限公司設(shè)計(jì)制造，具有土壓平衡和泥水平衡2種掘進(jìn)模式，且可以互相轉(zhuǎn)換。

盾構(gòu)從望花屯站始發(fā)，隧道前290環(huán)沒有穿越建筑物，地表沉降控制相對(duì)較寬松，因此選擇起點(diǎn)至290環(huán)作為泥水平衡和土壓平衡雙模式轉(zhuǎn)換研究的試驗(yàn)段。

0～130環(huán)管片區(qū)段采用土壓平衡模式掘進(jìn)，掘進(jìn)到130環(huán)以后開始進(jìn)行掘進(jìn)模式轉(zhuǎn)換；131～213環(huán)為泥水平衡掘進(jìn)模式；214環(huán)開始又轉(zhuǎn)為土壓模式掘進(jìn)。

在隧道中心軸線地表布置沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖8所示，地表沉降普遍都在8 mm以下，且土壓平衡模式與泥水平衡模式在地表沉降控制效果上沒有明顯差別。

圖8 試驗(yàn)段31~290環(huán)沉降分布曲線 Figure 8 Settlement distribution curve of ring 31-290 in test section

2.2 試驗(yàn)段兩種掘進(jìn)模式工效分析

采用泥水模式，21個(gè)工作日掘進(jìn)131～213環(huán)，共83環(huán)，平均日進(jìn)尺僅有3.9環(huán)。富水黏土地層條件下，為有效控制地表沉降，減小盾構(gòu)施工對(duì)地表建筑物的影響，比較適合的盾構(gòu)掘進(jìn)模式為泥水平衡模式，但是本工程試驗(yàn)段采用泥水平衡模式的掘進(jìn)效率卻非常低，其主要原因在于：盾構(gòu)隧道穿越地層為高黏粉含量的黏土地層，粒徑≤10 μm的顆粒占比高達(dá)61.23%。這部分土壤顆粒很難分離，產(chǎn)生的泥漿含過量的黏粉粒，導(dǎo)致泥漿分離時(shí)間長(zhǎng)，嚴(yán)重影響盾構(gòu)掘進(jìn)效率。而采用了土壓模式，20個(gè)工作日共掘進(jìn)130環(huán)，平均6.5環(huán)/d，掘進(jìn)效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于泥水模式。

根據(jù)試驗(yàn)段掘進(jìn)工效和地表沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果分析，只要施工措施得當(dāng)，穿越富水黏土地層也可以采用土壓平衡模式。為提高工效，本區(qū)間剩余區(qū)段(包含穿越密集建筑物段：290～489環(huán))全部采用了土壓平衡模式掘進(jìn)。

3 穿越建筑物的盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)及土倉壓力設(shè)定

3.1 盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)

根據(jù)對(duì)試驗(yàn)段土壓平衡模式盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)分析，穿越建筑物掘進(jìn)參數(shù)見表2。

表2 盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)Table 2 Shield tunneling parameters

3.2 刀盤進(jìn)、出建筑物的土倉壓力設(shè)定

由于建筑物有荷載，因此在穿越建筑物前后，根據(jù)樓層高度，土壓力有一定的調(diào)升，進(jìn)出建筑物前后有3環(huán)緩沖距離，穿越過程中嚴(yán)格控制土壓力，刀盤進(jìn)入建筑物前提前預(yù)加壓力，刀盤出建筑物提前預(yù)減土倉壓力，詳細(xì)土倉壓力設(shè)置見表3。

表3 穿越建筑物段盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)設(shè)定Table 3 Setting of shield tunneling parameters for crossing the building section

4 基于土壓平衡模式穿越建筑物階段盾構(gòu)掘進(jìn)技術(shù)

4.1 B型管片上增設(shè)注漿孔

由于隧道穿越地層為富水黏土地層，具有較強(qiáng)的蠕變性能，為有效降低盾構(gòu)通過后的地層沉降，在下穿房屋風(fēng)險(xiǎn)源范圍內(nèi)和前后各20環(huán)范圍內(nèi)，采取使用 主筋Φ22的加強(qiáng)型管片，且所使用管片B型管片注漿孔由正常的一個(gè)注漿孔增加至3個(gè)，便于多角度補(bǔ)漿(見圖9)。

圖9 B型管片上增設(shè)注漿孔 Figure 9 Grouting holes that are added to the B-type segment

4.2 小半徑曲線段測(cè)量控制技術(shù)

由于區(qū)間線型為R=370 m左轉(zhuǎn)彎，測(cè)量換站頻繁，因此盾構(gòu)下穿構(gòu)筑物前需換站完畢，避免在穿越構(gòu)筑物過程中換站，穿越距離大于測(cè)量換站周期距離的，提前做好換站準(zhǔn)備，在建筑物下方換站應(yīng)快速完成，避免長(zhǎng)時(shí)間停留。

4.3 同步注漿漿液配置

盾構(gòu)推進(jìn)過程中管片與周圍土體之間的空隙填充效果是制約地表沉降的最主要因素之一，本工程同步注漿采用雙液型漿液，由A液與B液組成，A液材料由水泥、粉煤灰、水拌制而成，B液為水玻璃，波美度為40°Be’。通過大量的試驗(yàn)研究，設(shè)計(jì)了2種配比。

配比1：每方漿液的水泥410 kg，粉煤灰400 kg，水700 kg，初凝時(shí)間20 s；

配比2：每方漿液的水泥380 kg，粉煤灰420 kg，水700 kg，初凝時(shí)間25 s。

制備的漿液具有如下特性：

1)良好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性及流動(dòng)性、適當(dāng)?shù)某跄龝r(shí)間；

2)良好的充填性能；

3)在滿足注漿施工的前提下，盡可能早地獲得高于地層的早期強(qiáng)度；

4)在地下水環(huán)境中不易產(chǎn)生稀釋現(xiàn)象，具備抗地下水稀釋分散性能；

5)固結(jié)后體積收縮小，泌水率小。

盾構(gòu)掘進(jìn)過程中根據(jù)沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，及時(shí)調(diào)整漿液配比。

4.4 盾尾密封控制

盾構(gòu)機(jī)采用三道盾尾鋼絲密封刷，有效防止盾尾透水。推進(jìn)過程中加強(qiáng)盾尾油脂的注入，確保盾尾密封油脂壓力不小于0.4 MPa，最低不小于0.3 MPa，防止地下水涌入。

4.5 刀盤開挖輪廓與盾體外緣之間的間隙填充注漿漿液

本工程的盾構(gòu)機(jī)刀盤外徑6190 mm，前盾、中盾機(jī)盾尾外徑均為6160 mm，土體和盾體之間存在30 mm的間隙，且由于盾構(gòu)自重的作用，上部盾體與土體的間隙更大，及時(shí)填充盾體與土體之間的間隙，可以有效減小地層沉降，通過試驗(yàn)，研制了性能類似于克泥效的填充材料，該填充材料主要成分為黏土、水、高分子聚合物，其黏度值為50 Pa·s。具備以下幾個(gè)特點(diǎn)。

1)操作簡(jiǎn)單，易于從盾體上的徑向預(yù)留注漿孔注入。

2)具有一定的黏性，不會(huì)從注入點(diǎn)快速流失到刀盤前或盾尾后。

3)材料具備一定抗稀釋能力，能避免很快被地下水稀釋。

4)不會(huì)硬化，避免硬化后抱死盾體。

通過使用研制的填充材料能及時(shí)充填刀盤開挖輪廓與盾體外緣之間的間隙，達(dá)到控制盾構(gòu)通過時(shí)建筑物變形的目的。

5 盾構(gòu)下穿階段建筑物沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

5.1 各建筑物沉降測(cè)點(diǎn)布置及監(jiān)測(cè)結(jié)果

1)民強(qiáng)三街2層居民樓。民強(qiáng)三街2層居民樓監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置及累計(jì)沉降值如圖10所示。刀盤進(jìn)樓及盾尾出樓環(huán)號(hào)分別為284環(huán)、313環(huán)，隆起最大點(diǎn)位JGC73，累計(jì)隆起最大值2.0 mm，下沉最大點(diǎn)位JGC75，累計(jì)沉降最大值–0.9 mm。

圖10 民強(qiáng)三街2層居民樓監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置及累計(jì)沉降值 Figure 10 Layout and accumulated settlement value of monitoring points in the 2-story residential building in Minqiang Sanjie Community

2)民強(qiáng)三街43#居民樓。民強(qiáng)三街43#居民樓監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置及累計(jì)沉降值如圖11所示。刀盤進(jìn)樓及盾尾出樓環(huán)號(hào)分別為324環(huán)、347環(huán)，隆起最大點(diǎn)位JGC51，累計(jì)隆起最大值1.5 mm，下沉最大點(diǎn)位JGC52，累計(jì)沉降最大值–1.3 mm。

圖11 民強(qiáng)三街43#居民樓監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置及累計(jì)沉降值 Figure 11 Layout and accumulated settlement value of monitoring points in the 43# residential building in Minqiang Sanjie Community

3)民強(qiáng)三街41#居民樓。民強(qiáng)三街41#居民樓監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置及累計(jì)沉降值如圖12所示。刀盤進(jìn)樓及盾尾出樓環(huán)號(hào)分別為363環(huán)、393環(huán)，沒有隆起點(diǎn)，下沉最大點(diǎn)位JGC41，累計(jì)沉降最大值–2.5 mm。

圖12 民強(qiáng)三街41#居民樓監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置及累計(jì)沉降值 Figure 12 Layout and accumulated settlement value of monitoring points in the 41# residential building in Minqiang Sanjie Community

4)民生家園36-2#居民樓。民生家園36-2#居民樓監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置及累計(jì)沉降值如圖13所示。刀盤進(jìn)樓及盾尾出樓環(huán)號(hào)分別為409環(huán)、425環(huán)，隆起最大點(diǎn)位JGC25，累計(jì)隆起最大值1.4 mm，下沉最大點(diǎn)位JGC27，累計(jì)沉降最大值–2.5 mm。

圖13 民生家園36-2#居民樓監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置及累計(jì)沉降值 Figure 13 Layout and accumulated settlement value of monitoring points in the 36-2# residential building in Minsheng Jiayuan Community

5)民生家園36-1#居民樓。民生家園36-1#居民樓監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置及累計(jì)沉降值如圖14所示。刀盤進(jìn)樓及盾尾出樓環(huán)號(hào)分別為459環(huán)、595環(huán)，隆起最大點(diǎn)位JGC17，累計(jì)隆起最大值1.1 mm，下沉最大點(diǎn)位JGC22，累計(jì)沉降最大值–3.0 mm。

圖14 民生家園36-1#居民樓監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置及累計(jì)沉降值 Figure 14 Layout and accumulated settlement value of monitoring points in the 36-1# residential building in Minsheng Jiayuan Community

5.2 居民樓沉降控制效果總體分析

本次下穿建筑物嚴(yán)格按照下穿風(fēng)險(xiǎn)源方案施工，前4棟樓沉降值均在3 mm之內(nèi)，第5棟樓最大沉降達(dá)到3.0 mm，主要原因是：在下穿第5棟樓房范圍內(nèi)，盾構(gòu)姿態(tài)不太好，由于推力小，扭矩小，不容易糾偏，通過增大土倉壓力方法，增大推力糾偏，在此范圍內(nèi)土倉壓力達(dá)到0.16～0.17 MPa，導(dǎo)致盾尾出樓后，沉降較大，通過后續(xù)在管片上打孔補(bǔ)漿，控制了沉降的繼續(xù)發(fā)展?？傮w來說，在盾構(gòu)穿越建筑物階段，最大沉降值均沒有超過樓房評(píng)估給定的控制值5 mm。

6 結(jié)論

以沈陽地鐵4號(hào)線一期工程勞動(dòng)路站—望花屯站區(qū)間土壓平衡盾構(gòu)隧道工程穿越密集建筑群為工程背景，研究了富水粉質(zhì)黏土地層下土壓平衡盾構(gòu)穿越建筑群施工關(guān)鍵技術(shù)。主要結(jié)論如下。

1)根據(jù)試驗(yàn)段土壓平衡模式和泥水平衡模式的地表沉降控制效果對(duì)比，富水粉質(zhì)黏土地層下不同掘進(jìn)模式采用合理的掘進(jìn)參數(shù)均能有效控制地表沉降。為提高掘進(jìn)效率，針對(duì)該地層提出了采用土壓平衡模式穿越高風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)建筑物的方案，從該區(qū)間隧道的214環(huán)開始全部采用土壓模式，掘進(jìn)效率平均10.34環(huán)/d，且穿越了密集建筑物，建筑物沉降全部在控制標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)；

2)提出了富水粉質(zhì)黏土地層下穿越建筑物階段的土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)和土倉壓力設(shè)定值；

3)在B型管片上增設(shè)注漿孔，多角度補(bǔ)充漿液，可以有效控制盾構(gòu)穿越后的地表沉降；

4)由于本工程的建筑物均位于小半徑曲線段，提出了適合小半徑曲線段盾構(gòu)姿態(tài)控制測(cè)量技術(shù)；

5)研制了同步注漿漿液配置以及刀盤開挖輪廓與盾體外緣之間的間隙填充注漿漿液?？梢杂行畛渫馏w間隙。