葉至盛 楊鳳梅

(1. 中電建鐵路建設投資集團有限公司， 100044, 北京；2. 中國電建華東勘測設計研究院有限公司， 310014， 杭州∥第一作者， 高級工程師)

盾構穿越復合地層過程中對建(構)筑物影響規(guī)律尤為復雜。盾構機外徑、水文地質條件、基礎型式等因素對其動態(tài)施工過程中地表沉降、建筑物沉降會產生極大的影響，這對盾構施工技術措施及信息化管理提出了較高的要求。

本文以某盾構區(qū)間下穿建筑物群為例，詳細介紹盾構穿越建筑物群前、中、后采取的施工技術措施。通過數值模擬分析和精心施工組織，配合先進的監(jiān)測技術，結合現(xiàn)場試驗段調整后的盾構掘進參數，成功實施并穿越建筑物群[1-4]。

1 工程概況

1.1 下穿段與建筑物群的關系

以盾構機下穿建筑物群區(qū)段(以下簡稱“下穿段”)為研究對象。采用海瑞克盾構機，開挖直徑8.63 m，全長110 m。刀盤采用六輻條+六面板的復合式刀盤，刀盤面板率為36.5%，中心開口率為46.5%。盾構管片采用外徑8.3 m、內徑7.5 m、厚0.4 m、寬1.8 m的鋼筋混凝土管片，每環(huán)由7塊管片組成，采用錯縫拼裝。

建筑物群修建于2000年，為3層磚房；其基礎為柱下獨立基礎，埋深為2 m。盾構機穿越區(qū)間位于曲線半徑為1 200 m的左轉圓曲線，處于坡度為22‰下坡段。盾構機共穿越8棟磚房，從砂卵石黏土復合地層開始穿越第1棟磚房，到掘進至中風化泥巖地層穿越完成第8棟磚房。隧道埋深約26 m，隧道頂部與房屋基礎底部最小豎向凈距約24 m。盾構隧道與建筑物群關系示意見圖1。

1.2 地質條件

隧道穿越地層主要為全斷面砂卵石、砂卵石-泥巖、泥巖等地層?？辈炱陂g車站范圍地下水位埋深為3.89～7.15 m，平均滲透系數為0.44 m/d，屬弱-中等透水層。中風化泥巖黏聚力為20 kPa，內摩擦角為18°，天然極限抗壓強度為4 MPa。

1.3 工程難點

1) 盾構掘進斷面大，地層擾動大，對地表和建筑物群沉降影響大。

2) 復合地層中砂卵石占比約77%、黏土占比約3%、中風化泥巖占比約20%，整體上軟下硬，出土量控制難度大。隧道掘進地層變化較大，變化趨勢為：全斷面砂卵石層→砂卵石-泥巖復合地層→泥巖地層。復合地層中掘進刀盤易結泥餅，易超方引起沉降。

3) 建筑物群為老舊房屋，其基礎為淺基礎，工程風險大。

2 盾構機穿越控制措施

2.1 盾構機穿越前準備工作

2.1.1 地質補勘

為核實地層的準確情況，對下穿的建筑物之間進行地質補勘，共布置16個補勘孔，進一步確認地質信息。對補勘的孔位進行排查，確保補勘孔和監(jiān)測用的深層土體豎向位移孔位已全部封堵嚴實,避免漿液串出地面。

2.1.2 房屋鑒定及入戶調查

聯(lián)合屬地街道辦事處、社區(qū)等單位對建筑物進行入戶調查，并委托有資質鑒定單位對盾構下穿的所有房屋進行鑒定，出具書面鑒定報告。

2.1.3 地面預注漿加固

從房屋基礎外側打設斜孔預注漿，斜孔打設至拱頂上方2 m范圍，斜孔間距為5 m；斜孔在地面共布設3排，采用梅花形布置，間距為2 m×2 m。

2.1.4 帶壓開倉換刀

地鐵施工通常采用降水井+常壓換刀，極少采用帶壓開倉。本工程由于地面條件受限，穿越的建(構)筑物眾多，地面管線復雜，地下水較發(fā)育，降水困難，故在穿越前盾構機在復合地層下啟動泥膜護壁帶壓換刀施工。保壓實驗合格后進行帶壓開倉作業(yè)，對刀具進行了全面的檢查并對存在問題的刀具進行了更換，同時對渣土改良系統(tǒng)中心的加水系統(tǒng)和泡沫系統(tǒng)進行檢查。復合地層中帶壓換刀的特點及風險如下：

1) 換刀位置掌子面不能有效形成泥膜，盾體周圍留有空隙，致使氣壓不能有效建立，氣體損失量遠大于氣體補充量，無法達到換刀條件。

2) 倉內作業(yè)區(qū)域有限、掌子面不穩(wěn)定等情況會危及倉內作業(yè)人員的人身安全；作業(yè)人員在帶壓環(huán)境中作業(yè)，若加減氣壓操作不合理，可能會引起減壓病。

3) 盾構機停機帶壓換刀期間地表沉降較大，地下管線受損，地表建筑物受到影響，危及周邊環(huán)境安全。

2.2 盾構機穿越中的掘進控制

2.2.1 渣土改良

1) 管路優(yōu)化。在刀盤面板上設置6路泡沫管路與2路加水管路，在土倉內的牛腿上設置2路泡沫管路；在刀盤中心設置1路專用的加水管路，同時在土倉的承壓墻上設置2路加水管路。

2) 泡沫。采用分散型泡沫劑進行渣土改良。分散型泡沫劑為2.5%～3.0%泡沫劑與97.0%～97.5%的水混合成的泡沫溶液。同時單根泡沫管液體流量不小于30 L/min，氣體流量為250～300 L/min。

3) 聚合物。在第208環(huán)—第250環(huán)的掘進過程中，由于地下水較大，易造成螺旋機出現(xiàn)噴涌現(xiàn)象。在該段土層掘進過程中，每m3水中加入40 g聚丙烯酰胺以防噴涌。第250環(huán)后，隨著黏土及泥巖的增加未再添加聚合物，在每m3水中加入2.5 kg分散劑，可有效防噴涌。

2.2.2 掘進參數

如表1所示，盾構機掘進過程中的總體參數顯示正常；僅在第261環(huán)—第263環(huán)、第276環(huán)—第277環(huán)掘進過程中，盾構機參數異常。

表1 盾構機穿越不同地層時的參數統(tǒng)計

2.2.3 復合地層出土量控制

盾構掘進過程中，對每箱渣土箱內的渣土高度進行測量。設專員收集每環(huán)洞內實際出土量、龍門吊起吊渣土量等數據資料。每環(huán)根據出土量及龍門吊起吊渣土量進行雙控，分析是否超方；同時對比前后3環(huán)出土量及起吊渣土量，核實是否有突變情況。若發(fā)現(xiàn)超方后渣土管理專員立即根據“信息全報，分級處理”的原則通知相關人員進行超方處置。

在盾構機穿越建筑物群期間，因地層變化較大，出土量逐步由128 m3增加至170 m3，在掘進過程中要求每環(huán)分上、下半環(huán)從皮帶機上隨機取渣樣進行清洗和分析，并將現(xiàn)場渣樣分析結果作為調整松散系數的依據。松散系數由砂卵石地層的1.2逐步調整至泥巖地層的1.6。下穿段地層變化統(tǒng)計見表2。

表2 下穿段地層變化統(tǒng)計

2.2.4 綜合注漿

1) 同步注漿及二次注漿：為了保證管片壁后注漿飽滿，同步注漿量均大于11.8 m3，超過理論建筑間隙的1.64倍；同時在掘進過程中將二次注漿進行常態(tài)化管理，管片脫出盾尾7～10環(huán)后及時進行二次注漿。二次注漿材料為水、普通硅酸鹽水泥，水灰比為0.8∶1.0～1.0∶1.0。根據現(xiàn)場試驗，確定二次注漿壓力為0.2～0.5 MPa。二次注漿點位優(yōu)先選擇盾構刀盤3、9點位以上的注漿孔，點位之間錯位布置，保證管片壁后注漿飽滿。若注漿后止水效果不佳，可適當增加注漿量，并同時注入水玻璃，水泥漿液與水玻璃比例為1∶1。

2) 中盾注泥：通過盾構機自帶的中盾注泥系統(tǒng)，及時填筑盾體與土層的間隙，隔離開挖倉與注漿腔，起到預防漿液前竄等功能。同時，為減少穿越建筑物造成的沉降，采用螺桿泵注入泥漿。泵的設計流量為58 L/min。每環(huán)的泥漿理論注入量為1.09 m3，實際注入量為2.3 m3(推進時間為40 min)，能達到良好的隔離效果。

3) 深孔注漿：在1號臺車頂部搭設平臺，在盾構機穿越建筑物過程中，采用φ42.0 mm、壁厚3.5 mm的鋼花管進行洞內深孔注漿加固。注漿材料采用水泥漿液。特殊情況下采用水泥-水玻璃雙液漿，水灰比為0.8∶1.0～1.0∶1.0，水泥漿和水玻璃的體積比為1∶1～2∶1。根據現(xiàn)場試驗，注漿壓力控制在0.05 MPa以下。防止管片破損，深孔注漿范圍為：管片上方180°范圍為3 m，管片下方180°范圍為0.5 m。

2.2.5 姿態(tài)控制

1) 盾構機姿態(tài)：盾構機水平姿態(tài)保持在10～30 mm，豎向姿態(tài)控制在-50～-70 mm，且均未出現(xiàn)突變情況。

2) 管片成型姿態(tài)：成型管片姿態(tài)良好，且未出現(xiàn)較大上浮現(xiàn)象。水平姿態(tài)最大為34 mm，發(fā)生在第216環(huán)；垂直姿態(tài)最大為-30 mm，發(fā)生在第228環(huán)。

2.3 盾構機穿越后的控制措施

1) 袖閥管注漿：為了確保房屋安全，采用袖閥管對房屋基礎及隧道拱頂上方進行空洞排查以及后注漿加固，確保盾構機穿越房屋的安全性。

2) 空洞探測：為探明已穿越區(qū)域的地下情況，組織專業(yè)單位采用“微動探測”技術對已掘進隧道中心線上每隔5 m的地層進行空洞探測。MSM(微動探測法)是從圓形臺陣采集的地面微動信號中，通過空間自相關法提取其瑞雷面波頻散曲線，經反演獲取臺陣下方S波速度的地球物理探測方法。該方法可用于地震構造探測及場地穩(wěn)定性評價[5]。

2.4 盾構機掘進中遇到的問題及處置措施

1) 地層變化：在第261環(huán)—第263環(huán)土層的掘進過程中，地層變化較快，無法準確判斷松散系數，盾構機掘進參數未出現(xiàn)較大變化。但通過渣樣分析，發(fā)現(xiàn)砂卵石質量分數顯著減少(由43.3%減少至33.9%)。掘進過程中未能根據地層變化對盾構掘進參數進行調整，導致出土量不可控，超方約9.3 m3，立即停機進行原因分析。超方后地面及時采用臨時圍擋進行圍蔽。恢復第264環(huán)土層掘進時，為了控制出土量將土壓由240 kPa加大至260 kPa,盾構機推力由25 MN逐步增加至30 MN，扭矩由6 500 kN·m增加至10 000 kN·m，同時增大了加水量。如圖2所示，在第266環(huán)土層的掘進過程中，地面在第260環(huán)(刀盤位置為第264環(huán))隧道右側出現(xiàn)冒泡沫的現(xiàn)象?，F(xiàn)場及時采用沙袋進行了圍蔽，同時采用篷布進行遮蓋，并采用消泡劑消散及斗車進行清運[6-7]。

2) 刀盤結泥餅：在第276環(huán)—第277環(huán)的掘進過程中推力及扭矩明顯增加，推力最大達到31 MN，扭矩最大達到11 MN·m。掘進過程中速度波動較大，且皮帶上有大塊泥團，懷疑土倉內有結泥餅的現(xiàn)象。隨后停機對土倉內加入51.3 m3的分散劑水溶液進行泡倉處理，泡倉13 h后恢復掘進。恢復后掘進參數有所好轉，推力降低至21 MN，扭矩降低至800 MN·m，速度較穩(wěn)定。由于第277環(huán)泡倉后土倉內存在大量的分散劑水溶液，渣土較稀，出土量不易計算，通過理論計算第278環(huán)超方10.8 m3。為了確保地面安全，停機進行地面隱患排查工作。在地面第276環(huán)—第278環(huán)對應的刀盤位置(第280環(huán)—第282環(huán))進行鉆孔排查，發(fā)現(xiàn)地層較密實，未發(fā)現(xiàn)空洞，此時注入水泥漿3.2 t。后續(xù)通過帶壓開倉，驗證了結泥餅的判斷。

3 下穿段數值模擬結果及分析

3.1 三維計算模型的建立

利用MIDAS-GTS有限元分析軟件，根據圣維南原理和實際需要，為消除邊界效應，建立下穿段三維計算模型。模型計算范圍為360 m×240 m×80 m(長度×寬度×高度)，如圖3所示。

三維計算模型單元總數158 432個，節(jié)點總數 268 440個。計算模型網格劃分見圖3。模型采取的邊界如下：① 上邊界取至地面，為自由面；② 其余邊界采用固定位移邊界，其中4個側面地層邊界限制水平位移，下邊界限制豎向位移。

3.2 計算結果分析

沿線三層磚房基礎的沉降云圖見圖4。

根據表3，對1#、2#、3#、7#磚房再次進行補強注漿，確保穿越過程中建筑物安全。

表3 沿線三層磚房最大沉降和基礎傾斜匯總

4 下穿段監(jiān)控量測結果及分析

盾構機穿越過程中存在地面及房屋沉降的風險。采用人工觀測手段對地表沉降及建筑物沉降進行監(jiān)測，同時進行全天不間斷巡視觀察，掌握盾構機穿越建筑物群時周邊環(huán)境的變形情況，以指導施工，亦為盾構安全穿越提供及時、準確的監(jiān)測數據支撐。盾構機下穿建筑物群期間的建筑物沉降、地表沉降、地中位移見圖5—圖7和表4。

比較表3與表4中的建筑物沉降，可以明顯判斷通過二次補強注漿的1#、2#、3#、7#磚房沉降較小，沉降得到了有效控制，驗證了數值模擬的有效性。5#磚房沉降偏差約-7.80 mm、8#磚房沉降偏差約7.08 mm，考慮為模型地層選擇與實際地層偏差(5#磚房下方實際地質條件較差，與地勘報告存在一定偏差)，即地層不均勻性導致，也可能是盾構機穿越5#磚房過程中參數未及時調整或注漿不及時所致。盾構機穿越建筑物群期間建(構)筑物沉降、地表沉降，以及土體分層豎向位移均在設計要求的控制范圍內。目前，各個監(jiān)測點變化速率均較小，且盾尾脫出后監(jiān)測點變形趨于收斂，整體處于安全可控狀態(tài)。

表4 盾構機下穿建筑物群監(jiān)測數據統(tǒng)計

5 結語

1) 大直徑盾構在復合地層下穿建筑物群的過程中，采用渣土改良方法、掘進控制參數、出土量控制及綜合注漿等成套施工技術，可有效控制建筑物和地表沉降。

2) 提出了盾構掘進中遇地層變化和土倉結泥餅問題的處理方法。

3) 在復合地層中成功實施了泥膜護壁帶壓開倉換刀。

4) 建議大直徑盾構機在穿越復合地層前，通過詳細勘察地層，并利用數值軟件計算各工況下建(構)筑物的變形情況，對風險較大地層，應進行技術處理后再穿越。