盾构极限坡度极限半径连续穿越建筑物施工技术

李彦辉（中铁十八局集团有限公司，天津300222）



盾构极限坡度极限半径连续穿越建筑物施工技术

李彦辉
（中铁十八局集团有限公司，天津300222）

[摘要]伴随着盾构法施工在城市地铁隧道中的广泛运用，盾构法施工面临的环境也越来越复杂，对其施工技术的要求也越来越高。本文以天津地铁三号线水上北路站——吴家窑站盾构区间的施工为例，对这一工程进行了概括并对工程的具体施工过程进行了详细分析。就极限坡度极限半径连续穿越建筑物的施工技术开展了探讨，以期形成进一步的深化认知。

[关键词]盾构法；极限坡度；极限半径；连续穿越建筑物

伴随着城市化进程的加快以及社会经济的迅猛发展，仅仅依赖地面交通已经无法满足广大人民对交通量的需求。在这一需求的推动下，大多数城市逐步将目光转向地下，开始加大地下交通的发展力度与深度。盾构法正是在这一背景下迅速发展起来的一项施工技术。在进行轨道交通线路的选择时，由于受到城市规划与建筑物自身的限制，轨道交通的线形呈现越来越复杂的趋势，在30‰的极限坡度、300米的极限半径条件下，盾构连续穿越建筑物的技术性、安全性、科学性、可靠性成为值得关注的研究议题。

图1 施工方案流程图

一、工程简介

天津地铁三号线六标段水上北路站——吴家窑站区间基本情况如附表1所示。

另外需注意的是：这一区间左线盾构施工时，需要穿越的河流、建筑物包括卫津河、天塔湖、平山里、建国楼、德才里、气象里，并且需要连续穿越15座居民楼（居民楼间距最大34.62米，最小13.64米，建筑物于20世纪70年代修盖，多数是连体楼。）

在工程地质与水文地质条件方面，呈现的主要特征如附表2所示。

二、施工方案及其具体实施过程

（一）盾构穿越建筑物时施工方案的制定

综合考察及分析发现，天津地铁三号线六标段水上北路站——吴家窑站区间左线施工的重点与难点体现在：第一，要求盾构在极限半径极限坡度下连续穿越建筑物群；第二，所需穿越的建筑物群基础差、结构差；第三，地质条件相对恶劣，对施工极为不利。

围绕施工的重点与难点，从施工的具体实际出发制定了如下施工方案流程图：

（二）盾构穿越建筑物具体施工过程

具体施工时，施工质量与盾构推进、管片破损及渗漏水情况、盾构上方不同深度处土层的垂直位移量等直接相关。影响这些质量的主要指标包括：（1）盾构推进土压力；（2）推进油缸行程；（3）同步注浆压力及注浆配合比；（4）铰接油缸行程；（5）转弯及变坡过程中油缸行程差的设定等。因此，施工过程中主要指标的相关操作与控制要点具体如下：

1.盾构推进速度

就土体而言，在实际施工中推进速度过快/过慢均会产生很大程度的扰动，因此，为降低这一因素的不利干扰，要以盾构机整体性能为依据，确保掘进速度的提升是建立在推进盾构速度，同时满足了掘进土压力、同步注浆速度需求基础上的，进而将对桥桩基的影响降到最低。经验数据表明，盾构推进过程中为最大程度地减小其在小半径环境中的推进压力，避免造成管片错台及破损，因此盾构推进时速度不能过大，适宜的推进速度应以匀速20～30mm/min为宜。

2.盾构穿越建筑物时同步注浆及二次注浆压力和注浆量的确定

（1）同步注浆

鉴于水泥砂浆具有极佳抗地下水侵蚀能力、高结石率、良好耐久性等优点，因此，注浆材料选用水泥砂浆。针对地下水会造成衬砌结构腐蚀的地段，为提升注浆结石体的耐腐蚀性能，应选用抗硫酸盐水泥。同步注浆浆液的主要物理性能应满足的指标具体有以下几个方面：

①胶凝时间：胶凝时间通常维持在3～10h，根据本标段过建筑物时的需要，其实际胶凝时间在不超过4h，通过凝胶时间的缩短，进而促进建（构）筑物的沉降。②固结体强度：固结体强度的强度通常在0.1MPa及以上，其平均强度应达到0.45MPa。28天的强度应在5MPa及以上，平均强度达到6.5MPa。③浆液结石率：浆液结石率应超过95%。④浆液稠度：浆液稠度应保持在8～10cm/m为宜。

在同步注浆过程中，根据施工现场实际情况对注浆压力、注浆量与注浆速度予以确定。本区段根据深度、土层性质与地下水位，确定注浆压力在0.3MPa，综合考虑上方建筑物的重力影响，在盾构穿过建筑物时其注浆压力维持在0.35～0.5MPa。本区间盾构机每掘进一环，其盾尾的脱空量为（参考盾构法隧道施工与验收规范）：。根据盾构在极限坡度与极限半径中的纠偏过程，本区间隧道每环注浆量在3.08m3- 5.92m3，但实际产生的空腔比理论要大，因此确定适宜的盾构同步注浆量为8- 10m3。

（2）二次注浆

二次注浆的运用多在穿越筑物或地下管时段。一般而言，二次注浆在盾尾脱出5- 10环后进行，具体注浆量的多少要依照沉降监测数据来进一步确定。选取双液浆实施二次注浆，并根据地层变形观测等实际情况确定二次注浆的位置、压力与压入量。通常二次注浆压力维持在0.5MPa，而浆液材料、配比与注浆压力应严格根据设计文件执行。

3.盾构穿越建筑物时土压力的判定

P1（土压力）的计算分两种情形：浅埋隧道、深埋隧道。详细计算如下：

（1）H＜2D时，定性为：浅埋隧道。这种情况下，上覆水土产生的压力全部作用在开挖面上。计算公式为：。公式中各字母的含义为P1：土压力，φ：摩擦角，γ：土的容重，h：刀盘中心至土体面的高度。（注：H：隧道埋深，D：盾构外径。）

（2）H＞2D时，定性为：深埋隧道。这种情况下，土体会在隧道上方形成拱效应，以致于上部土体产生的土压力不会像浅埋隧道一样完全作用于开挖面。土压力计算按太沙基理论公式计算；当盾构穿越建筑物时，土压力的计算均按浅埋隧道来算。按公式计算土压力，可得：P1=（1- sin200）×0.019×16=0.20MPa由此计算结果，预先判定土压力在0.20- 0.24MPa范围。（注：H：隧道埋深，D：盾构外径。）

需要注意的是：在盾构机掘进过程中，由上述一系列计算得到平衡压力设定值，在实际施工中还应根据盾构机所处方位、地表监测情况、土层状况等予以适当调整。综合考虑到过建筑物时建筑物本身重力造成的影响，进而确定本标段过建筑物实际土压力设定为0.25- 0.35MPa。

4.大坡度小半径环境时盾构控制与姿态调整

当盾构进入到大坡度小半径的环境中时，应对盾构机姿态进行严格控制，对推进偏差做出及时的纠正。在此过程中，需要重点做到以下几个方面的问题：（1）及时根据掌子面地层情况对推进参数进行调整，在推进方向调整过程中要设置限制值与警戒值。（2）为防止管片局部发生开裂或者破损，应在推进油缸油压时做到慢调、少量。（3）在盾构机激光导向系统的指引下开展推进、纠偏等工作。（4）盾构机每推进一环的纠偏量≤5mm。（5）蛇形修正及纠偏时应缓慢进行，勤纠、缓纠。（6）有效运用超挖刀调整开挖面阻力，实现纠偏（这一方法在调整盾构机推进油缸编组的方式不能实现纠偏目标时采用）。（7）在盾构机推进过程中，通过调整推进油缸使盾构机纵坡尽量接近隧道纵坡，在下坡的过程中盾构机姿态为稍仰头姿态。

5.监控量测

盾构推进过程中，有可能由于施工需要，会造成隧道附近原有构筑物、管线等变形，甚至毁坏现象。基于此，在盾构推进施工时对距隧道30米以内的原有构筑物要进行沉降监测。监控点直接在构筑物外墙（桩）正负零以上10～15厘米处布设，测点间距8～12米左右。隧道沿线需要监测的建筑物较多，在穿越楼群过程中，隧道埋深在15米～- 21米。每栋楼房平均布点8～10个，共布点147个左右。同时，除了对构筑物开展沉降监测工作之外，还应注意对处于隧道30m范围之内的原有建筑物开展裂缝观测、记录及量度操作。

城市化进程带动了地铁建设的飞速发展，而城市施工由于多方限制还不能完全跟上这一发展节奏，这就为本施工技术的应用与推广提供了广阔空间。通过以上研究与分析，可以发现：第一，土体扰动的影响程度主要由盾构机推进速度、注浆控制等因素决定；第二，盾构通过该工程施工区域后，盾构穿越对建筑物的影响十分小。研究中存在的不足主要体现为：仅对特定工程（天津地铁三号线六标段水上北路站——吴家窑站区间）进行了研究，具有一定局限性。同时可以展望：盾构施工研究重点将向如何最大限度减少盾构施工对附近建筑物的影响方向偏移。

参考文献：

[1]吴涛.大坡度并小半径曲线盾构连续穿越建筑群沉降施工控制[J].探矿工程（岩土钻掘工程），2013，11（40）：76- 80.

[2]住房与城乡建设部科技发展促进中心.GB50446- 2008盾构法隧道施工与验收规范[M].北京：中国建筑工业出版社，2008.

附表1 天津地铁三号线六标段水上北路站——吴家窑站区间基本情况表

附表2 工程地质与水文地质条件特点表

[中图分类号]TU

[文献标识码]A

[文章编号]1673- 0046（2016）1- 0153- 03