软土地层盾构隧道下穿密集建筑群施工风险控制技术

软土地层盾构隧道下穿密集建筑群施工风险控制技术

陈世君

陈世君

中铁五局集团电务城通工程有限责任公司湖南长沙410075

摘要：城市地铁盾构隧道不可避免在复杂环境下穿越建筑物、既有隧道或其它城市生命线工程，盾构施工环境风险问题突出。以南京地铁三号线TA09标段常府街站~夫子庙站区间盾构隧道在复杂环境下下穿或临近密集建筑群施工中遇到的技术难点为例，在对区间地层进行风险组段划分基础上，重点针对施工环境风险，探讨了不良地质风险应对措施和风险建筑物保护措施。基于盾构施工关键参数与地表沉降、建筑物沉降之间的对应关系，根据试掘进段施工参数的动态优化，确定了下穿建筑物段施工参数的合理控制范围，通过信息化施工控制顺利通过密集建筑群，确保了下穿施工安全，可为类似地层盾构下穿施工提供参考。

关键词：盾构隧道；软土地层；建筑物沉降；风险控制；参数优化

1引言

盾构法是城市地铁建设中的土要施丁方法，盾构始发、到达及穿越复杂地质及下穿或临近建（构）筑物施工过程中，面临极高的施工风险，如盾构隧道施工过程中面临的地质预报准确性、盾构机适应性和可靠性、盾构进出洞施工、开挖面失稳、盾尾密封失效、软硬不均且差异性较大地层施工、较大地层损失及不均匀沉降、开挖面有障碍物、隧道上浮、联络通道施工、明挖基础失稳等11种主要风险[1]。目前盾构施工技术已得到快速发展，但由于盾构施工过程中施工参数控制不当、操作失误或者判断错误所导致的风险随时可能发生，而且防不胜防，地表塌陷、建（构）筑物开裂及倾斜损坏等事故时有发生。国内外针对盾构隧道施工安全风险管理的研究大多集中在风险评估和风险识别方面，对于如何控制盾构施工过程中的安全风险的研究尚不多见[2]。盾构施工过程的有效管理和风险控制很大程度上依赖于隧道穿越不同区段主要施工参数设定的合理性[3~6]。本文依托南京地铁三号线TA09标段常府街站~夫子庙站区间盾构隧道始发段1-130环下穿密集建筑群施工案例，分析了施工面临的主要风险，并总结了施工中采取的主要施工技术措施，为今后类似工程提供参考。

2工程概况

2.1工程概况

南京地铁三号线TA09标段常府街站~夫子庙站区间起讫里程为K23+746.584～K24+613.203。左线盾构隧道全长1603.933m，右线盾构隧道全长1606.976m。盾构区间线路设计最小曲线半径350m，掘进最大上坡为25‰，最大下坡22.752‰，右线线间距在10.63～16.2m之间，隧道覆土厚度在9.54～20.36m之间。

区间线路主要沿太平南路敷设，沿线主要为上世纪七、八十年代砖混结构建筑，其次少量现代框剪结构建筑，并临近部分民国时期古建筑，沿线侧穿或下穿44栋建筑物，其中盾构始发后下穿五二九公馆及刘公巷小区（见图1和表1）。

2.2工程地质条件

区间场地位于秦淮河古河道区，地形平坦，地面高程在9.02～10.83m之间。区间填土层之下深度25.6～34.6m以上为全新世中晚期沉积的粉质粘土、淤泥质粉质粘土、粉土、粉细砂及其交互沉积层。区间隧道范围穿越地层情况详见表1。场地范围内有浅层潜水和承压含水层分布，水量丰富。浅层潜水水位在地面下1.2～2.8m，水位年变化幅度在1.0m左右。盾构始发穿越的③-4b2-3+d2为承压含水层，③-3b1-2为相对隔水层，承压含水层水头埋深在地面下2.05～2.65m，高程为6.63～7.21m（吴淞高程系）。

图1盾构始发段线路及建筑物平面图

表1常夫区间隧道1~130环段主要风险建筑物统计

3盾构施工风险分析

3.1地质风险分析

盾构施工参数确定的基本原则主要是依据盾构穿越地层情况，因此可以首先对盾构隧道穿越地层性质进行统计分析，进而根据地层性质将线路划分为若干风险段，同时考虑盾构施工环境条件的组合风险，再次进行盾构隧道施工安全风险组段的划分[4]。根据区间盾构隧道安全风险组段的划分，确定各个组段内的合理施工参数控制范围，并采取针对性风险规避措施。常-夫盾构区间隧道穿越地层主要为粉质粘土、淤泥质粉质粘土、粉土、粉细砂及其交互沉积混合地层，据此将常-夫盾构区间穿越地层进行安全风险组段划分，表2是左线隧道地层风险组段划分情况。

表2常-夫盾构区间左线穿越地层风险组段划分

常夫区间隧道穿越地层表现为两大特点：

（1）区间位于秦淮河古河道冲积平原，地层水平层次分明，主要为粉质粘土与粉砂层两大类，软土主要为淤泥质粉质粘土及液化土；

（2）地下水丰富，地下水位高，且因不透水粉质粘土与透水砂层交替分层分布，区间范围承压含水层较多分布。

常府街南端盾构到达段上部②-3d3-4层粉细砂为可液化土层。由于盾构掘进时的机械震动及扰动，使得该地层易产生液化现象，轻则造成地面超限沉降，危及地面交通及周边邻近建（构）筑物安全，重则引起隧道坍塌，造成巨大经济损失和恶劣社会影响。

场地分布有范围广、厚度大的流塑状、淤泥质粉质粘土层，具低强度、高压缩性、透水性弱、不均匀性的特征，掘进开挖易产生流动，施工沉降量大，对地铁施工会产生不利影响。

区间隧道穿越硬塑至可塑状粉质粘土地层占55%以上。硬塑至可塑状粉质粘土层透水性差、强度较高、稳定性好，但盾构机穿越粘性土层时，由于刀盘面需维持较高的压力，而且温度较高。粘性土在高温、高压作用下易压实固结产生泥饼，影响正常掘进。

3.2施工环境风险

施工环境风险分级中应在地质风险分析基础上，重点调查分析地面和地下建（构）筑物的基础形式、结构特征以及相对线路的位置、走向、埋深或使用（运营）条件等。综合考虑隧道埋深、地面和地下建（构）筑物环境条件、盾构穿越地层上覆土层性质以及特殊地质情况（如隧道上方存在河流等水体等）等风险因素，将盾构施工环境的组合风险划分为I（高）、II（中）、III（低）3级[4]。图2为常夫区间隧道始发段1-130环地质剖面图，线路下穿或临近建筑物风险分级具体详见表1所示。

图2盾构始发段地质剖面图

夫子庙站盾构始发端头采用φ850@600×500三轴搅拌桩和旋喷桩封堵措施，纵向加固范围9.0m。第8环必须已建立设计土压盾构始发掘进第9环、拼装第4环完成后，刀盘出加固区0.95米，进入原状土层。第10环正前方25m下穿刘公巷7号楼，面临极大的风险，需要在25m的试掘进中通过分析地表沉降与施工参数之间的对应关系，及时调整盾构掘进推力、掘进速度、盾构正面土压力及壁后注浆量和压力等参数，从而为盾构下穿建筑物施工确定合理的优化施工参数。

3.3不良地质风险应对措施

盾构法隧道施工技术参数众多，根据工程实际情况建立不同监测信息与不同施工参数之间的物理力学关系或统计关系是实现施工控制的关键[7]。在目前盾构施工变形的人工控制中，工程技术人员根据以往的实践经验，已明确了以下两点基本的控制策略[8]：（1）调整盾构土仓压力值来稳定开挖面，从而对盾构正面稳定性及前方的变形起到控制作用；（2）调整盾构尾部的同步注浆参数（注浆量和注浆压力）来弥补由于盾尾建筑空隙等原因产生的地层损失，从而减小盾尾附近的沉降值。

根据上述安全施工控制思路，穿越不同地层时分别采取以下主要控制、应对措施：

（1）流塑状、淤泥质粉质粘土层

①合理设定土压等掘进参数

②严格控制盾构姿态，将开挖、掘进对地层的扰动降至最低。加强盾构姿态的测量，调整好盾构姿态、拟合隧道设计线路，盾构穿越时减少纠偏。如掘进与设计线路出现较大偏差，需通过长距离、大半径的推进来拟合线路，严禁急于纠偏。

③随着盾构的推进，隧道地质、埋深及水位的变化，及时调整好土压。每环盾构停止推进前，建立略高于推进时的土仓压力。在盾构机停机时，盾构操作手一定要监视土压值，当土压变小时，及时向土仓内打气或者是小量的向前推进的方式进行保压，维持土压平衡。

④增加刀盘前方的泡沫注入量。主要利用泡沫可压缩性使开挖面的土压力波动减小，在不影响开挖面稳定的同时，减小对可软土层的扰动造成的沉降。

⑤及时跟进同步注浆及二次注浆，并增加注浆量。注浆的要点为同步、足量和及时，以便及时填充空隙，减少土体变形。同步注浆采用厚浆，二次注浆采用水泥砂浆。同步注浆时的压力要求压入口的压力略大于该点的静止水压及土压力之和，做到尽量填补而不是劈裂。为了防止同步注浆的注入量不足或者是浆液体积收缩，对脱出盾尾7~9环位置的管片及时进行二次注浆，二次注浆孔位置是管片环左右两侧，每隔4~5环注一次浆。二次注浆由压力控制，当注浆口处的压力持续在0.4Bar时立即停止注浆。

（2）液化土层

①采用高质量的泡沫，并加大泡沫注入量、提供泡沫比例。泡沫可压缩性使开挖面的土压力波动减小，同时减小盾构施工对液化砂层的振动液化；泡沫的支承作用使开挖土的流动性提高，土压室内泥土不会产生拥堵；同时，微细泡沫置换了土颗粒中的空隙水，提高了土的止水性，可以有效地防止螺旋输送机泥水喷涌。

②严格按设计计算的水土压力设定土压，减小对刀盘前方液化砂层的挤密效应。同时，严格控制控制盾构总推力、适当降低刀盘转速和扭矩。

③严格控制推进速度、匀速、均衡推进；同时，保证及时、足量的同步注浆及二次注浆。

④根据地面沉降的发展，选择后期径向注浆。注浆通过管片预留吊装孔打入，采用36mm的注浆管，长度6m，注浆扩散半径大于0.5m。

图3管片径向注浆示意图

（3）硬塑至可塑状粉质粘土地层

①主要应对措施是增加刀盘面板，尤其是刀盘中心区域的泡沫注入量。主要是依靠泡沫界面活性剂的作用，有效防止开挖土附着于刀盘上和土压室内壁，防止泥饼现象。

②刀盘背面和土仓压力隔板上设有搅拌棒，以加强搅拌强度和范围，并通过土仓隔板上搅拌棒的泡沫孔向土仓中注射泡沫，改善渣土和易性，增大渣土流动性。

③必要时螺旋输送机内也要加入泡沫，以增加碴土的流动性，利于碴土的排出。

④当在全断面硬塑至可塑状粉质粘土层中掘进时，采用2/3仓土加气压模式掘进。

3.4风险建筑物保护措施

为了确保沿线风险建筑物的安全，施工准备和盾构施工过程中应认真落实以下保护措施：

（1）通过对下穿的建筑物进行建筑物调查，详细探明建筑物基础、建筑物结构特点、所属单位、是否有开裂等现象、修建年限等情况了解详实，并形成记录。

（2）加强施工组织管理，穿越上述建（构）筑物时，建立项目部、井口、隧道内、建筑物“四点一环”的指挥管理系统，充分考虑并制定各项措施、方案、预案及应急措施，备好应急物资，最大限度发挥项目部的各项管理、组织职能，为施工顺利开展提供保障。

（3）盾构机穿越地面环境复杂地段前，采取有意识的预先停机维护，对盾构机的性能进行全面的检修，配置充足的盾构机易损部件，特别是对盾构机的密封性能进行检查，保持盾构机以良好的状态完成特殊地段的掘进施工：

①对盾尾密封性的检查，确保盾构机的注浆效果，不因盾尾密封性不好而产生漏浆；

②对盾构机铰接密封性进行检查，避免因铰接密封损伤而产生出水；

③对螺旋输送机密封性的检查，避免因螺旋输送机密封性不好而发生漏气泄压。

（4）施工参数优化

在穿越邻近建筑物时，应合理设置土压力值，保持正面的平衡，防止超挖和欠挖；穿越时适当降低推进速度，控制总推力，减少土层扰动；穿越前调整好盾构姿态，穿越时减少纠偏次数及纠偏量，减少土体的扰动；在穿越邻近建筑物地段，保证一次穿过。

（5）有效的渣土改良

根据下穿风险建筑物处隧道所处地层地质特点，选用优质的泡沫进行渣土改良。通过减小盾构掘进对土层的扰动和防止螺旋机喷涌来减少土层沉降。

（6）优化同步注浆的厚浆配比，提高浆液凝结速度和强度，及时减小土层沉降。

（7）监控量测措施

重点监测地表及隧道隆陷、建筑物及管线变形、隧道周边位移、土体内部位移等。根据建筑物的性质、结构形式、基础形式等建立不同的控制值，通过监控量测及时掌握建筑物的变形情况，及时调整施工工艺，确保建构筑物保护管理在可控状态。

（8）应急加固预案

施工期间根据监测结果，当变形超出一定数值之后立即启动应急预案。应急预案主要为地表静压注浆加固。在建筑物地基基础角点设置注浆孔，沿基础边缘间隔1m设置一排注浆孔，对基础下土体进行双液注浆加固。注浆从地面倾斜注浆，采用63.5mm注浆钢管，预埋袖阀管采用孔径68mm。注浆材料为：A液水泥砂浆采用普通硅酸盐水泥，水泥掺量15%；B液采用波美度35°~40°的水玻璃，A、B液配置后双液浆的粘度大于35″。

4盾构施工参数优化及实施效果

4.1盾构施工参数设定

盾构出加固区后在原状地层试掘进，土层平均饱和容重?=19.6kN/m3，土体侧向静止平衡压力系数k0=0.45，地下水位深度取2.0m，土压力按水、土分算，线性迭加，因本区段下穿较多重要建筑物，根据地面建筑物情况（3～7层砖混），考虑附加应力为36k0；土仓上部压力=静止土压+水压+地面建筑附加应力。掘进参数初始设定值如下：

土仓中上部土压力根据每环实际地层分布情况及隧道埋深设定0.21~0.24MPa，推进速度20~30mm/min，根据实际掘进逐渐增大至30~40mm/min，注浆压力初始设定为0.25~0.38MPa，理论出土量42.7m3，刀盘转速1.0~1.5rpm，刀盘扭矩1000~1400KN?m，盾构掘进总推力设定为1200t。同步注浆采用厚浆，其配比如表3所示，初凝时间为24h。根据施工监控反馈信息，动态调整盾构掘进参数。

表3同步注浆厚浆配比（单位：Kg）

水黄砂粉煤灰膨润土石灰

35011503008080

4.2施工参数统计及实施效果评价

因盾构土仓内土压力的合理设定是盾构施工过程控制的关键，同时维持和调整设定的压力值又是盾构推进操作中的重要环节，这里面包含着推力、推进速度和出土量的三者相互关系，对盾构施工轴线和地层变形量的控制起主导作用，所以在盾构施工中要根据不同土质和覆土厚度、地面建筑物，配合监测信息的分析，及时调整平衡压力值的设定，同时要求推进速度保持相对的平稳，控制每次纠偏的量，减少对土体的扰动，并为管片拼装创造良好的条件。同时根据推进速度、出土量和地层变形的监测数据，及时调整注浆量，从而将轴线和地层变形控制在允许的范围内。

为了确保盾构安全下穿密集建筑群，在盾构出洞第10环至下穿刘公巷住宅楼前第30环试掘进段的地表沉降及盾构施工参数之间的对应关系进行统计分析，结果显示在对区间线路地层特性进行风险组段划分基础上，根据每环实际地层情况进一步动态优化盾构施工预设参数，盾构施工引起的前期沉降、切口沉降、盾尾沉降和空隙沉降可控制在±5mm以内，满足下穿或临近建筑物施工变形控制标准+5~-10mm。

图4地表沉降随刀盘推进变化曲线

为了更全面地分析30-130环里程段盾构下穿或临近建筑物施工参数与地表沉降和建筑物沉降之间的对应关系，图5~图10分别给出了盾构隧道出加固区后第10环至第130环段土仓上部土压力、盾构总推力、推进速度、实际出土量、同步注浆量的统计分析曲线。

图71-130环盾构推进速度统计曲线

图10建筑物1~22测点沉降变化量

表4盾构施工参数均值统计

上部土压（MPa）总推力（t）推进速度（mm/min）出土量（m3）同步注浆（m3）

0.24129837.5741.963.97

表4是10-130环各施工参数的均值，与理论预设值基本接近，可以为类似地层条件下盾构施工提供参考。而根据下穿或临近建筑群22个沉降测点数据的跟踪分析，建筑物沉降控制在+3~-1.0mm范围内，虽然软土地层盾构施工后续固结沉降历时较长，建筑物仍有部分沉降未完成，但从目前的监测结果和沉降速率分析，最终沉降变形量不大，对建筑结构安全影响不大。

5结论

（1）施工阶段关键节点的风险识别与控制对安全施工起着举足轻重的作用。施工前对盾构隧道穿越地层性状进行统计分析，据此确定地层基本组成单元，在此基础上确定线路穿越的主要组合地层，并对盾构隧道进行安全风险组段划分，并考虑施工环境风险等级需求，确定各个地层组段内盾构施工参数的合理控制范围，从而规避施工中的安全风险。

（2）盾构隧道下穿复杂环境施工过程中，基于地层组段划分情况，通过信息化施工控制，建立监控信息与土仓压力、同步注浆参数等主要施工参数之间的对应关系，进而动态调整盾构施工参数，可为复杂环境下盾构下穿施工提供安全保障，为工程决策提供依据。

（3）盾构施工是一个复杂的系统工程，受地层条件、盾构设备及周边环境的综合影响，往往导致盾构各阶段引起的地表或建（构）筑物的变形具有较大的变异性，施工中每一环的掘进均应采取精细的信息化施工控制技术。

参考文献：

[1]崔玖江.盾构隧道施工风险与规避对策[J]．隧道建设，2009，29（4）：377-396．

[2]孙玉永，周顺华，向科，等.近距离下穿既有隧道的盾构施工参数研究[J]．中国铁道科学，2010，31（1）：54-58．

[3]朱合华，徐前卫，郑七振，等.软土地层土压平衡盾构施工参数的模型试验研究[J]．土木工程学报，2007，40（9）：87-94．

[4]杨志勇，江玉生，江华，等.北京地铁盾构隧道安全风险组段划分方法研究[J].铁道标准设计，2012，（3）：65-68.

[5]周文波，胡珉.盾构法隧道施工主要参数控制方法研究.岩石力学与工程学报，2003，22（s1）：2430-2433

[6]白李妍，张弥.隧道工程环境影响的动态优化控制[J].岩石力学与工程学报，2002，21（3）：393–397.

[7]廖少明，侯学渊.盾构法隧道信息化施工控制[J].同济大学学报（自然科学版），2002，30（11）：1305-1310

[8]廖少明，汪敏，侯学渊，等.盾构近距离施工的IMC-PID控制模型研究[J].岩石力学与工程学报，2006，25（z2）：4132-4138.