盾构隧道下穿建筑物控制技术和监测

李 海

(中铁十三局集团有限公司，长春 130033)

诚然，盾构法修建隧道对周围土体扰动较小，有利于地面建筑物安全，还可减小对城市交通秩序的影响［1］。然而在苏州、上海等东部沿海城市，由于地下水位高，又是淤泥质软土地层，下穿建筑物时采用盾构法施工一般仍会对建筑物安全构成威胁［2-5］。因此在地铁施工过程中，必须采取有效工程对策，控制地层变形以减少盾构掘进对地表建筑物产生不利影响［6-7］。

1 工程特点

1.1 工程概况

在建苏州地铁一号线I-TS-05标苏州乐园站—塔园路站盾构区间，单延米总长度2 112.526 m，其中左线长度1 066.076 m，右线长度为1 046.450 m。由 2台φ 6 340土压平衡式盾构机在塔园路站西端始发，左右线分别掘进，平均日进尺8 m/d，到达苏州乐园站。

区间隧道在里程 DK5+350—DK5+380从新区实验中学食堂下方穿过，隧道与建筑物平面、剖面关系如图1、图2所示。建筑物采用扩大柱基础，基底高程0.45 m，基底距离隧道结构顶的垂直净距为10.66 m。

1.2 施工主要风险

隧道穿过⑤3粉质黏土层，而且掘削面顶端处于④2粉砂层和⑤3粉质黏土层交界地带，并位于微承压水位下。由于粉砂层透水性较强而粉质黏土层透水性较弱，易在交界地带积水从而形成流塑性地层。

区段处于曲线半径350 m曲线上，已接近不安装铰接盾构机的最小曲率，姿态控制存在下述困难:

1)曲线半径越小，则纠偏量越大，纠偏灵敏度越低，轴线就比较难于控制。

图1 区间线路与食堂平面关系

图2 区间线路下穿剖面示意(单位:m)

2)曲线上左右油缸可用于姿态调整的油缸推力调整量很小，这就更加大了隧道轴线控制和纠偏的难度，稍有控制不当，会形成蛇形掘进。

3)盾构机本身为直线形刚体，不能与曲线完全拟合，曲线上盾构机掘进过程中所穿越的孔洞将不再是理论上的圆形(实际为椭圆形)，实际挖掘量超出理论挖掘量，增加了地层不稳定因素;同时，由于纠偏量较大，对土体的扰动也大，地层损失量也增加，容易造成较长时间的后期沉降。

综合以上分析可以看出，区段水文条件复杂，且正好处于小曲率段，这都给盾构施工控制增加了难度，稍有不当可能引起地表沉降过大，造成建筑物开裂等极为不利的影响。

2 盾构下穿施工及加固措施

2.1 地面加固措施

在实验中学食堂西侧和北侧，采用工程钻机斜向钻孔，钻至独立基础底，区间隧道上方(高于隧道顶500 mm以上)，然后下入注浆袖阀管，如图2、图3所示。待盾构区间施工至影响区后，根据监测结果，必要时采取分层注浆，以补偿地层土体缺失，达到控制沉降的目的。根据平面情况，共设24根注浆阀管。

图3 实验中学食堂周边袖阀管埋设

袖阀管注浆是在PVC管上钻注浆孔作为注浆外管(即袖阀管)，注浆孔外用橡胶圈包好。注浆时把两端都装有密封橡胶塞的注浆芯管插入袖阀管，浆液在压力作用下胀开橡胶圈进入地层，逐次提升或下降芯管即可实现分段注浆。橡胶圈的作用是当孔内加压注浆时，橡胶圈胀开，浆液从小孔中进入土层，停止注浆时橡胶封闭，阻止土和地下水逆向进入注浆管内。

注浆参数:注浆用水泥—水玻璃双液浆。水泥浆水灰比为1∶1～1.2∶1，水泥浆与水玻璃体积比为 1∶1。注浆压力 1.5～2.0 MPa，注浆速度 10～20 L/min，注浆步距为0.5 m，凝胶时间100～120 s。

注浆过程中，每段注浆完成后，向上或向下移动一个步距的芯管长度。每完成3～4 m注浆长度，拆掉一节注浆芯管。注浆结束后，在注浆管上盖上闷盖，以便于复注施工。

2.2 盾构下穿施工措施

1)匀速通过，减小扰动。根据以往施工经验，匀速通过能减小对地层扰动，掘进速度控制在30～40 mm/min。为此在通过建筑物前，盾构机及其配套设施要进行仔细检修，确保通过时不出现机械故障。

2)严格控制出土量。从区间前段掘进情况来看，在苏州富水含砂地层中，土体胶结性较差，多出土极易形成地面局部较大沉降。通过建筑物期间，应派专人监控出土量，每环出土量控制在40 m3以内。

3)保证同步注浆量。从前段施工注浆量统计结果来看，注浆量宜控制在4.0 m3左右，注浆压力0.25 MPa，最大程度利用同步浆液填满管片背后的空隙。同步浆液采用可硬性浆液，浆液配合比如表1所示。

表1 每m3同步注浆浆液材料用量 kg

4)及时进行壁后二次补注浆(图4)。二次补注浆采用水玻璃—水泥浆混合双液浆。水玻璃采用39 Be'，水玻璃用水稀释 1∶1，水泥浆水灰比为 1∶1，水泥浆与水玻璃体积比3∶1，双液浆初凝时间15～20 s。

隧道壁后跟踪补注浆必须在盾构机过后且要在盾尾脱出管片5～7环时才开始。对衬砌圆环的3块管片(拱底块、左右标准块)进行压浆，每隔1～2环压浆一次，注浆压力控制在0.3～0.5 MPa之间，平均每环管片注浆量控制在1.0 m3左右。压力过小，浆液不能充满土间空隙，沉降会持续下去稳定时间过长，对建筑物造成不利影响。压力过大，会使管片产生变形，影响了隧道成形质量。

图4 隧道壁后二次补压施工

5)掘进参数的控制。盾构机下穿实验中学食堂范围共40 m，实际环数565～599环。地下掘进时严格控制掘进参数，并将掘进情况及时上报地面，地面值班人员负责采集施工监测数据，认真分析监测数据及时调整施工参数，与地下保持持续的动态信息传递。

施工过程中当盾构施工至563环时，密封仓设定土压力由原0.18 MPa(采用公式 P0=K0(γh+q)，K0取值1.1)调整为0.21 MPa(K0取值1.3，考虑上部房屋荷载)，同时将同步注浆方量调整为4.0 m3继续推进。推进至566环时，根据监测信息反馈上部地表有的地方沉降量达到了5 mm，经分析原因可能是房屋荷载因素考虑过小，立即对推进土压力进行重新设定，由原0.21 MPa(K0取值1.3)调整为0.22 MPa(K0取值1.35)再次试推，变形量得到控制，保持在 +1～－2 mm之间。由此可以看出，土压力系数K0的取值对盾构穿越建筑物时的施工至关重要。

3 施工监测

3.1 监测范围及频率

监测范围一般为盾构机头前20环，后30环。在盾构距离建筑物50 m时开始加密监测频率直至跟踪监测，房屋周围地表沉降、建筑物沉降、土体分层沉降为2次/d;当盾构距离建筑物20 m时，对监测项目以4次/d频率进行监测;当盾构距离建筑物5 m时，对监测项目进行全天候高频率监测，直至盾构穿过建筑物5 m;当盾构离开建筑物5～20 m时，仍然以4次/d频率进行监测;当盾构位于建筑物20 m以外时，监测频率恢复正常。

3.2 测点布置

沿隧道推进方向，在距离建筑物30 m范围内沿隧道中心线布置地表沉降观测点。为了解土体内部的深层沉降，在位于建筑物周围的隧道中心线及其左右布置分层沉降管。在建筑物四周的墙角及部分立柱上布置建筑物沉降观测点，用以观测建筑物的沉降，如图5所示。

图5 建筑物沉降监测点布置

3.3 管理报警值及监测结果

根据隧道稳定性及建筑物安全相关规程要求，设定管理报警值为:地表累计沉降报警值为±20 mm，单次沉降报警值为±3 mm;建筑物累计沉降报警值为±30 mm，单次沉降报警值为±3 mm。

盾构通过后中学食堂的11个建筑物监测点中累计沉降最大值为9 mm，累计沉降超过10 mm的监测点为0，超过5 mm的监测点3个。

盾构推进拼装至700环时，隧道已经成功地穿越了中学食堂主要范围，从监测信息来看，变形控制在建筑物允许变形－10 mm≤S≤+4 mm。通过上述积极有效的措施，盾构成功下穿了实验中学食堂，施工情况基本在预定措施的控制范围之内。虽然通过地下掘进参数控制、跟踪注浆的方式已经使盾构顺利通过建筑物，但地面加固保护的方法仍不失为盾构穿越建筑物施工的一道保险工序，更好地为盾构的穿越提供了安全保障。

4 结论

自2010年2月2日晚右线盾构开始从正下方穿越苏州新区实验中学食堂，于2010年2月5日中午顺利通过中学食堂影响范围。

在整个盾构下穿建筑物推进过程是相当成功的，通过控制技术和监测结果的分析，得出如下结论:

1)穿越前可选取30～50环作为正式下穿试验段，以确定并优化下穿时的各项技术参数，特别是盾构前方土压力设定值，保证正面土体稳定和平稳穿越。

2)通过重要建筑时须加强沉降观测频率，并根据监测数据及时调整盾构推进参数，如土压力、掘进速度、出土量等。

3)盾构掘进时的建筑物保护，同步注浆是关键。必须确保同步注浆方量，可比正常情况略多。太多可能造成盾尾漏浆，效果适得其反，因此也要加强盾尾密封系统管理。

4)根据监测资料及时进行二次补压浆，控制好建筑物的后期沉降和不均匀沉降，特别是不均匀沉降的控制是保护建筑物的关键。

5)不但要做好地下掘进控制措施，还要做好对建筑物的地上应急保护工作，这样才能更好地保证建筑物的安全。

［1］王梦恕.中国隧道及地下工程修建技术［M］.北京:人民交通出版社，2010.

［2］鲍永亮，郑七振，唐建忠，等.地铁盾构隧道施工监测技术［J］.铁道建筑，2009(5):44-47.

［3］刘建海.盾构隧道同步注浆效果对地层沉降的影响预测分析［J］.铁道建筑，2010(3):46-48.

［4］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):97-94.

［5］袁大军，尹凡，王华伟，等.超大直径泥水盾构掘进对土体的扰动研究［J］.岩石力学与工程学报，2009，28(10):2074-2080.

［6］熊建红，李锋.热力隧道下穿既有地铁线施工综合防护技术［J］.铁道建筑，2010(4):50-52.

［7］何川，苏宗贤，曾东洋.地铁盾构隧道重叠下穿施工对上方已建隧道的影响［J］.土木工程学报，2008，41(3):91-98.