\富水粉砂软弱地层盾构下穿建筑物群技术以及应用研究

\富水粉砂软弱地层盾构下穿建筑物群技术以及应用研究

包培栋

中铁三局集团桥隧工程有限公司，四川 成都  610000

摘要：盾构法是城市轨道交通暗挖法施工中的一种全机械化施工方法，随着各大城市TOD模式的蓬勃发展，盾构法施工因其安全性好、施工效率高、对周边环境影响小等特点，使得该方法已得到广泛的运用。当盾构在富水软弱地层中掘进下穿建筑物群时，因富水软弱地层力学性能差，变形及沉降不易控制，同时城区内存在年代久远且地基深度浅等建筑物的情况，此类房屋抵抗地表变形能力弱，如沉降控制不当，会增加建筑物沉降过大从而发生开裂、倾斜、甚至倒塌的风险，从而造成重大的经济损失和恶劣的社会影响。本文首先对盾构在此类地层中施工原理进行了叙述；而后对各个工法的操作要点进行总结；最后，以某段工程为例，讲述了该技术在实际工程当中的应用。

关键词：富水粉砂软弱地层；盾构下穿建筑物；应用研究

一、工艺原理

盾构在下穿条形浅基础建筑物群和侧穿高层桩基础建筑物前先利用MIDAS GTS NX软件建立单元网格模型，然后导入到FLAC3D中侧穿施工流固耦合计算实现数值模拟风险分析及评估，根据模拟分析结果优化盾构施工参数，具体包括推力、推进速度、出土量和同步注浆等。

盾构下穿施工过程中加强监控量测，根据监测数据实时动态调整掘进参数，减小对穿越建构筑物的变形影响。通过提前对建筑物进行鉴定并确定变形控制和监测标准，在盾构施工过程中严格按照确定好的标准进行施工，保证周边土体稳定，进而减少周边构筑物的位移和变形，同时根据周边建筑物无明显变形的监测数据，掌握不同地层中盾构机掘进参数和地表沉降的关系，确定最佳的施工参数，提高盾构施工效率，并起到土体稳定降低施工风险的效果。

二、工艺流程及操作要点

2.1、施工工艺流程

图1工艺流程图

2.2操作要点

2.2.1建模计算

提前运用MIDAS GTS NX软件计算出不同房屋高度，不同地面荷载，不同穿越角度，不同穿越地质，多次扰动情况下所需要控制的推力、出土量、掘进速度等施工参数，在施工过程中严格按照控制参数进行推进施工。

图2模型透视图                    图3模型三维图

2.2.2试掘进段施工

将盾构机到达影响范围后作为模拟试验段，及时总结盾构机穿越该类土层的最佳参数，掌握控制地表沉降的措施，并通过以往施工经验与地表沉降结果不断优化盾构推进参数，控制地表变形，紧密关注地表变形监测数据，及时调整盾构掘进参数，不断完善施工工艺，为盾构穿越条形基础建筑物群前后提供参数依据。

2.2.3试推进阶段的施工监测

盾构在推进阶段，要重视做好盾构掘进至影响区后地面、地下管线、地面及地下建筑物的施工监测，以便对施工中可能产生的各种地表隆沉变形及水平位移及时采取相应的措施及保护手段。试推进阶段是全过程的前奏，所以施工监测显得更为重要。对地表变形监测，拟采用沿轴线方向布设沉降监测点，包括深层沉降点，并加设横断面监测点；对地下管线，按要求的距离布设沉降点；对建筑物在调查研究的基础上，在轴线两侧盾构机影响区域范围的建筑物，布设沉降监测点。并布设相应的倾斜、裂缝监测点。上述测点的监测，每天不少于2次，并根据需要，适时加密监测频度。

由于上述各类变形往往不是即时出现的，也就是说待到变形时，盾构已越过原本造成变形的地下对应作业区，故而需及时地进行分类监测，掌握盾构机推进作业与地下土层变形、地表变形和地下管线、建筑物沉降等的内在规律，及时反馈信息数据，指导盾构推进作业。监测工作应在盾构作业即将进入影响区开始，直至盾构作业脱离影响区，且地表滞后变形渐趋稳定的整个期间内跟踪测量与量测。

2.2.4正常推进

经过试验段的推进，继续不断完善施工工艺，遵照优化后的施工参数推进。此时依据现场实际施工情况与周边建筑物情况进行了各项参数的设定，以确保工程的顺利。

同时加强施工监测，严格控制施工后地表面沉降量，施工过程中应严格控制推进里程，控制隧道轴线偏差。

在缓和曲线，圆曲线段，衬砌环的位置与设计中的里程X（隧道设计纵轴方向）、Y(垂直隧道设计轴方向）、H(标高）偏离不得大于50mm。隧道轴线偏差（上、下、左、右）控制在50mm范围内。

2.2.4.1土压设定

实际施工过程中，应参考理论土压力和软弱土体的实际强度设定土压力，拟定土压力设定为0.1～0.12MPa，施工过程中应根据掘进速度、出土量、地面监测结果以及房屋基础的监测结果适时调整土仓压力，避免土体因挤压以及土体超挖失稳造成地面隆起和过大沉降，保证房屋稳定，特别是在进入软弱土体后，应严格控制土仓压力，避免土压剧烈波动，每环掘进土压波动范围应控制在0.02MPa以内。

2.2.4.2出土量及渣土改良

出土量与土仓压力值一样，也是影响地面沉降的重要因素。所采用盾构机的开挖断面为32.17m2，每环的理论出土量为32.17×1.2=38.6m3；据前期实际量测结果，所出土松散系数为1.2，并加上掺入膨润土体积，因此每环出土量控制在47.2～49.2m

3左右。

施工过程中，根据地面沉降监测数据调整出土量，同时，可通过向土仓内添加泡沫剂对渣土进行改良，增加渣土的流塑性，控制螺旋输送机出土的稳定性，避免渣土出仓时出现喷涌现象，造成土仓内压力波动加大。

2.2.5管片拼装

本盾构隧道工程管片拼装采用已经运用成熟的错缝拼装工艺。

管片选型确定后，管片安装的好坏直接关系到隧道的外观和防水效果。一般情况下，管片安装采取自下而上的原则，具体的安装顺序由封顶块的位置确定。

表1管片参数

管片拼装对隧道工程质量至关重要，将影响到隧道的使用寿命及防水效果。管片在出厂时须经严格的质量检验，并达到设计强度。管片进入现场后，堆放不得超过三层，并在每层之间搁置点处设置木衬垫。搁置点应上下对齐。凡有缺角、损边、麻面的管片不得下井拼装。拼装时应环面平整，环向螺栓易穿。管片拼装应有效控制速度，防止拼装时管片的碰撞，导致管片边角的脱落或环面的落差较大，产生的渗水现象。

2.2.5.1清理管片

为保证涂抹粘接剂的粘接力，管片上遗留的油渍、灰尘、污物等必须用钢丝刷，毛刷等工具对管片进行清洁处理，特别是管片的防水槽及管片端面的处理。并检查管片的型号、外观及密封材料的粘贴情况，管片表面不得出现裂缝、破损、掉角等现象。如有损坏，必须修复才可拼装。

2.2.5.2粘贴防水密封橡胶垫

在橡胶密封垫和防水槽内均匀地涂刷单组份氯丁-酚醛胶粘剂1～2遍，待粘接剂初干后（不拉丝，不粘手），将密封垫置入槽内，最后用橡皮锤敲击使其充分粘贴。粘贴时，须四角平整服帖，并防止浮贴以防在下井吊运和拼装时，密封垫的错位或脱落，造成拼装困难甚至防水失败。

2.2.5.3管片纠偏

盾构轴线的纠偏首先是衬砌的纠偏，力争使衬砌的环面与设计轴线接近垂直。轴线的纠偏是一个过程，可能要连续几环才能得到控制，在出现偏离轴线趋势时，就应该及时调整千斤顶的行程差，必要时加贴纠偏楔子进行纠偏。

平面轴线纠偏采用左右千斤顶的行程差来控制。纠偏要勤测勤纠，纠偏量每环控制在4mm以内，以免过量纠偏增加地层的扰动，增加地面沉降及对建筑物危害，同时使环缝加大而引起漏水。管片在拼装前查看前一环管片与盾尾间隙，结合前环成果报表决定本环纠偏量和措施。

管片拼装要防止出现内外张角、踏步、和前后喇叭，保证衬砌的拼装精度。

隧道在转弯或纠正隧道轴线时，可通过安装不同方向的楔形管片以达到纠偏的目的；也可在衬砌环背对千斤顶环缝凹处分段粘贴不同厚度石棉橡胶板。石棉橡胶板厚度1～6mm，衬砌安装后在千斤顶压缩下形成一平整的楔形环面，以达到转弯和纠偏的目的。粘贴面清除杂物后将石橡胶板用单组份氯丁-酚醛胶粘剂贴贴于衬砌环面上。当粘贴的石棉橡胶板厚度大于6mm时，在同处的止水密封垫背后加贴1.5mm至3mm全膨胀橡胶薄板，以保证环缝止水效果。

盾构纵坡的控制一般采用稳坡法，竖曲线推进时，有时由于曲率半径过小，盾构机推进时无法完全按照设计曲线推进，由此将对后续管片的拼装产生影响。

我们采取在竖曲线出现上述情况时粘贴石棉橡胶板进行曲率纠正，但是石棉橡胶板的粘贴厚度必须在设计允许范围之内，否则将引起隧道的环向渗漏。

2.2.5.4拼装椭圆度控制

管片拼装成环后，应及时检查其椭圆度，方法是用钢卷尺或插尺量测管片外壁和盾壳内壁之间的间隙，每环管片测一次。根据测量成环管片的椭圆度来采取措施。

1、利用拼装千斤顶对短轴向的管片施加压力进行整圆处理；

2、紧固短轴和长轴向的环向螺丝。

3、环向和纵向螺栓的多次固紧

每环衬砌拼装完毕后，及时顶紧千斤顶，防止盾构后退。同时必须及时拧紧纵、环向螺栓，在推进下一环时，应在千斤顶顶力的作用下，复紧纵向螺栓。当成环管片推出盾尾后，根据拼装后的圆环椭圆度，再次复紧纵、环向螺栓，以减少管片拼装的张角和喇叭口。

2.2.5.5速度控制及姿态纠偏

在穿越施工过程中，盾构推进速度及姿态的调整对土体扰动有很大关联，本工况掘进速度应匀速且避免较大波动，拟定穿越段施工平均掘进速度为20mm/min，并尽量减少由于机电故障、管片运输，非及时出土等方面造成的非工序性停顿。

在下穿施工中应避免过大、过急纠偏，做到根据平面曲线，提前预判，结合转弯环管片及管片贴超缓和纠偏，以减小对建构筑物群的影响。

1、盾构推进速度放慢至20mm/min以内，保证整个开挖过程对地层扰动最小，同时螺旋机出土速度也要做相应调整，以确保掌子面土体的稳定。

2、减少盾构推进方向的改变

盾构推进过程中严格按照“勤纠偏，小纠偏”的原则，严禁大幅度纠偏，尽量减少施工原因造成的盾构推进方向的改变。

3、减少对地层的扰动

盾构施工对地层的扰动主要是盾构机千斤顶的推力和刀盘旋转产生的，因而保证盾构机正常运转，确保盾构机的机械性能尤为主要。当土压力突变时，在分析原因的同时，采取填注泡沫的措施改良开挖土体。

4、保证拼装质量，减少管片变形/变位

隧道管片的变形量与管片拼装的质量紧密联系，在施工过程中，必须强化施工管理，保证一次紧密固结。每环掘进过程中，应适时对螺栓进行二次紧固。必须按以下要求施工：

1）管片拼装紧随盾构掘进，在考虑管片与盾尾之间相互位置关系的同时，顾及纠偏施工的需要。根据封顶块位置，遵循“先上后下”的原则逐块进行管片拼装。过程控制保证掘进施工完成前10分钟管片进入拼装区。

2）拼装过程中必须保证管片定位的正确，特别是第一块管片的定位。

3）严格拼装要严格控制好环面的平整度和拼装环的椭圆度。

4）每块管片拼装完后，及时靠拢千斤顶。防止盾构机后退及管片移位，及时拧紧和复紧纵、环向螺栓。

2.2.5.6同步注浆

依据该地质情况，拟采用厚浆作为同步注浆材料，该浆材具有结石率高、结石体强度高、耐久性好和能防止地下水浸析的特点。水泥采用P.042.5普通硅酸盐水泥，以提高注浆结石体的耐腐蚀性，使管片处在耐腐蚀注浆结石体的包裹内，减弱地下水对管片混凝土的腐蚀。

实际施工中浆液的用量及注浆压力结合前一阶段施工的用量以及监测报表进行合理选择，合理选择注浆孔位，同步注浆尽可能保证匀速、匀均、连续的压注，防止推进尚未结束而注浆停止的情况发生。

1、厚浆浆液同步注浆施工参数

盾构注浆采用厚浆浆液同步注浆。随着盾构推进，脱出盾尾的管片与土体间出现“建筑空隙”，即用浆液通过设在盾尾的压浆管予以充填。压入衬砌背面的浆液会发生收缩，为此实际注浆量要超过理论建筑空隙体积。但过量压注也会引起地表局部隆起和跑浆。因此除控制压浆数量外，还需控制注浆压力。压注要根据施工情况、地质情况对压浆数量和压浆压力二者兼顾。一般情况下，每环压入量控制在“建筑空隙”的180％-210％，注浆压力约0.1～0.3MPa。压浆速度和推进保持同步，即在盾构推进的同时进行注浆，推进停止后，注浆也相应停止。注浆量为4.27-4.98m3/环。注浆配比和注浆量施工过程中将根据实际情况进行调整。

图4同步注浆示意图

2、厚浆浆液同步注浆浆液配比

根据类似工程的施工经验，同步注浆拟定下表所示的配比。在施工中，根据地层条件、地下水情况及周边条件等，通过现场试验优化确定。

拟采用的同步注浆配比（配成1m³浆液）

表2同步注浆材料配比

施工过程中严格控制同步注浆量和浆液质量，严格控制浆液配比，使浆液和易性好，泌水性小，为减小浆液的固结收缩，试验室定期取样，进行配合比的优化。

2.2.5.7盾构切口压力和同步注浆参数调整

在盾构到达建构筑物群下方前，计算由于建构筑物群房屋基础堆载引起的掌子面土压力的变化，并对切口压力值做相应调整，同步注浆压力增大20%，以有效填充超挖空隙。

1、在施工中严格管理，使实际土压略大于计算值

针对土压力计算过程中的各种参数，安全系数选取的是否合理，盾构掘进过程中土压实际应控制在什么范围内，需要根据地面沉降的结果来调整，鉴于下穿房屋前后地层分部较为连续，在盾构穿越下穿房屋前50m范围内设置了两组分层沉降观测点。通过第一组数据得到盾构通过后的地层沉降变化情况，初步确定盾构掘进各种参数；通过第二组数据来验证盾构掘进各种参数，以便进一步调整和修正参数。

2、保证开挖面稳定

盾构通过时的沉降是无法避免的，但是如果沉降超过设定预警值时，可以采取控制掘进速度和出土量，调整土仓压力，控制同步注浆的压力及注浆量，从而达到有效控制地层的弹塑性变形。鉴于在盾构掘进过程中，易造成土体附着在刀盘上致使刀盘扭矩增大，或使土体进入土仓后被压密固化，形成开挖、排土很难达到平衡的状况。针对这种情况，向刀盘前方土体注入泡沫，在增大土体流动性的同时，降低其附着力，防止开挖土附着在刀头和土仓内壁；同时利用刀盘富调试的搅拌翼将泡沫和切削下来的土体加以搅拌，使之充分混合，变得较为蓬松，增大可排性。从而使开挖土量和排土量保持平衡，保证开挖面的稳定。

2.2.5.8推进速度控制

盾构推进通过对土压传感器的数据来控制千斤顶的推进速度，推进速度控制在20～40mm/min，并保持推进速度、刀盘转速、出土速度和注浆速度相匹配；在推进过程中保持稳定，每日推进8环左右。

图5掘进速度统计表

2.2.5.9出土量控制

出土量与土压力值一样，也是影响地面沉降的重要因素。盾构机的开挖断面为31.55m³，每环的理论出土量为32.56×1.2×1=39.07m³，在盾构机穿建筑物时，将出土量控制在理论出值的125%，即39.07×125%=48.84m³左右，保证盾构切口上方土体能有微量的隆起（不超过1mm），以便抵消一部分土体的后期沉降量，从而使沉降量控制在最小范围内。

图6出土量统计表

2.2.5.10施工过程中进行密切的监测、控制

根据相关规范得出盾构施工时所允许的地表最大沉降量控制值，并在实际工程中将沉降值严格控制在安全范围内，一旦超标立刻采取有效措施。

三、性能指标

该技术成功应用于杭州地铁6号线中医药大学站～伟业路站区间盾构下穿建筑物群施工中在研究过程中，有效解决了降低施工风险、保证施工质量等问题。通过穿越期间的监测数据反映，地表及房屋基础隆沉最大值控制在1mm范围内。本技术改进了以往盾构机下穿建筑物群，沉降过大造成建筑物开裂、破损的弊端，应用效果良好。在不同穿越地质情况中土压平衡盾构下穿越建筑物群施工，特别是在富水粉砂软弱地层中盾构下穿建构筑物施工中推广前景十分广阔。

四、结语：

综上所述，在盾构掘进过程中，经常会出现一些不良现象，会直接导致建筑物沉降过大、倾斜、倒塌，造成恶劣的社会影响。通过实施该技术，可以在质量和凤风险管控上同时满足生产的需求，确保施工安全、减少事故的发生，推动社会的经济发展。

参考文献：
[1]唐立州，富水砂层条件下盾构下穿高层建筑施工方法研究[J].工程技术（文摘版）,2018,(1).

[2]曹鹏飞.盾构下穿富水砂层区域建筑物适用性研究[J].土工基础,2017,(05).

[3]陈敬红，张爱军，富水砂层中盾构下穿建筑物施工技术[J].北方交通，2013（06）.

[4]何志辉，盾构富水砂层中穿越低矮建筑群施工技术研究[J].价值工程，2019（18）.

[4]张瑞鑫地铁区间隧道盾构掘进下穿建筑物保护技术[J].智能城市.2020（01）.

1