盾构软土地层微扰动正穿超高建筑物技术

王润斌

(中铁十六局集团北京轨道交通工程建设有限公司，北京 101100)

盾构法是地铁建设中的常用施工方法，盾构施工不可避免地会对周边环境产生影响[1-5]。常州地铁1号线一期工程中出现了盾构正穿建筑物的施工要求，为减少盾构施工对上部建筑物的影响，本文探讨了盾构微扰动正穿超高建筑物的技术。

1 工程背景

科教城南站—科教城北站区间位于常州地铁1号线一期工程南段，地处常州市武进区。区间线路出科教城南站后沿凤栖路北行，然后进入科教城，线路下穿常州机电职业技术学院图文中心大楼，长度36.97 m。图文中心主楼13层，裙楼3层，一层人防地下室平时为车库，基础形式为0.35 m×0.35 m钢筋混凝土方桩。图文中心大楼基础距隧道顶最小垂直净距约3.52 m。

线路穿过图文中心大楼后沿践行南路前行，以半径为450 m的曲线转向常州工程职业技术学院图文信息大楼西侧，穿过科教城后到达位于花园街与滆湖中路的科教城北站。科教城南站—科教城北站区间上行线长1 397.060 m，下行线长1 400.378 m，隧道区间埋深8.5～21.3 m。区间上行线、下行线最大纵坡分别为24‰和23.6‰，区间平面设置2段曲线，最小圆曲线半径为450 m。

2 工程地质

工程沿线场区地貌类型单一，属长江下游三角洲冲湖积平原。场区地势平坦、水系发达，为典型的江南水网化平原。

科教城南站—科教城北站区间所在地层地质描述见表1。

表1 科教城北站—科教城南站区间所在地质描述表

3 设计参数

工程设计使用年限为100年。结构安全等级按一级考虑，结构按7度抗震设防，抗震等级为三级，设防分类为乙类，场地土属Ⅲ类，局部场地为Ⅳ类，并按8度采取抗震构造措施。结构设计按甲类、核6级、常6级人防验算。计算直径变形≤2‰D(D为隧道外径)。钢筋混凝土结构允许裂缝开展，但裂缝宽度≤0.2 mm，不允许出现贯通裂缝。盾构法区间隧道施工阶段抗浮安全系数≥1.05，运营阶段抗浮安全系数≥1.1。衬砌环内径为5 500 mm。

4 工程材料

区间正常掘进段钢筋混凝土管片的混凝土强度等级为C50高强混凝土，抗渗等级为P10；钢管片采用Q235-B钢材；钢筋混凝土管片钢筋采用HPB300钢、主筋采用HRB400E级钢；焊条采用E50型；螺栓一般段管片环、纵向连接螺栓采用M30螺栓，强度等级分别为5.8级、6.8级；预埋件采用增韧改性聚酰胺工程塑料。

穿越段管片配筋在本标段深埋类型的基础上提高一个等级。穿越段管片混凝土强度及抗渗性提高一个等级：混凝土强度为C55，抗渗等级为P12。穿越段管片为钢纤维管片，管片纵向螺栓等级为8.8级。

5 微扰动正穿超高建筑物技术要点

1)区间隧道下穿常州机电职业技术学院图文中心大楼段采用钢筋钢纤维复合混凝土管片结构对管片进行加强，每环钢纤维复合管片有16个环向注浆孔。

2)盾构穿越期间对图文中心大楼的影响控制按二级环境风险源考虑，并采取相应措施。采用信息化施工，加强监测，对建筑物沉降及倾斜量等进行连续监测，在地下室内的立柱上布置测点。如发生较大变形，或建筑物位移控制超过报警值时及时处理。科教城南站—科教城北站区间穿越常州机电职业技术学院图文中心大楼时，预警值、报警值和控制值分别为5、7、10 mm，隆起变形控制值为4 mm，位移最大速率控制值≤1 mm/d，图文中心大楼倾斜率≤1‰。

3)施工前制订严密的施工方案，并在相近土层中进行试验，确定正穿超高建筑物的盾构施工参数，采取微扰动正穿超高建筑物的施工措施，减少对上部建筑的影响。

4)根据监测情况，必要时对隧道下方土体进行二次注浆加固。二次注浆浆液为双液浆，加强注浆压力控制，注浆压力控制在0.5～0.8 MPa范围内。

5)穿越段附近隧道下方土层为粉土夹粉砂，该土层具有微承压性，注浆施工时需做好防喷涌措施，及时对注浆孔进行封堵，防止管片漏水、涌沙。

6)盾构施工过程中要控制盾构推力大小，必须控制好掘进姿态，减少扰动。对同步注浆浆液配合比进行专项验证，确保浆液的适用性。

7)盾构通过后继续对隧道与地面建筑物进行监测，及时进行洞内同步注浆，减小工后沉降及其对上部建筑的影响并控制建筑物沉降的后期发展。

8)对推进期间可能存在的风险点进行分析，制订应急预案，预备钢梁、钢柱等应急物资，当图文中心大楼出现较大沉降等险情时及时采取支顶等措施，防止险情扩展。

6 微扰动正穿超高建筑物施工措施

6.1 穿越前试掘进期间的施工措施

为确保盾构机顺利穿越，设置穿越前50环为试掘进段，用来确定盾构机的参数，找出地面沉降规律。充分利用盾构机试掘进期间获得的各项数据，从而更好地指导穿越施工。

6.2 盾构穿越过程掘进参数选择的原则

1)保土压、控出土。控制出土量为设计量的95%～98%，如果出土超过设计量，应立即分析原因。控制土仓泥土保有率达到75%，形成对掌子面的有效支撑，从而减小地面沉降。

2)低扰动，控制总推力和刀盘扭矩(见表2)，减小对周围地层扰动。

表2 穿越段左线与右线设备设定参数对比表

3)合理选择推进速度，减小穿越段沉降和隆起，推进速度为2～3 cm/min范围内。

4)及时填补盾尾间隙，减小地面由于盾尾土体应力释放造成的沉降。为防止地面隆起及浆液击穿盾尾刷，同步注浆压力设置为0.3～0.4 MPa，铁建重工盾构机注浆量为设计值的150%～200%，小松盾构机为外置注浆包，注浆量为设计值的150%～180%。

6.3 推进速度控制

下穿建筑物时保证推进速度稳定，严格控制盾构推进方向，避免纠偏，特别是大量值纠偏，如果必须要纠偏，以“勤纠、缓纠”为原则。

在下穿该建筑物的推进过程中，每60 cm测量一次盾构机的推进方向，尽可能减少纠偏，关闭超挖刀，同时在盾构下穿期间保持匀速推进，从而保证盾构机平稳地下穿该建筑物。

6.4 土压力控制

在盾构推进的过程中，根据理论计算、前期掘进数据和监测数据及时调整土压力值，科学合理地设置土压力值及相应的推力、推进速度等参数，防止超挖，以减少对土体的扰动。本工程穿越段隧道中心线埋深为24.6 m,建筑物的桩机类型为摩擦桩。为避免盾构设备穿越时导致桩体周围土体松散，确定穿越原则为“微隆起”穿越，上土仓压力设置为(0.27±0.01) MPa。

6.5 出土量控制

本工程使用的管片外径为6 200 mm，环宽为1 200 mm。

铁建重工刀盘的直径为6 440 mm，每环的理论出土量为39.06 m3。小松刀盘的直径为6 360 mm，每环的理论出土量为38.1 m3。

以铁建重工刀盘为例，考虑松散系数为1.2～1.3，则每环出土量计算值为46.87～50.78 m3，实际每环出土量控制在46 m3以内。

电机车编组列车由4辆容量各为16 m3的渣土车组成，最大装载能力为64 m3，满足施工需要。

对出土量的控制措施：控制好盾构机姿态，匀速推进，刀盘切削土体和螺旋输送器带出土体平衡；掘进时注泡沫剂，改善土体的和易性，保证排土顺畅；盾构机副司机记录每环主要掘进参数，观察土质情况，统计出土量，指导下一环施工。

6.6 同步注浆控制

在穿越建筑物施工时，对注浆的配比和注浆方式进行调整，见表3。缩短浆液的初凝时间并提高浆液的初凝强度。将初凝时间控制在10 h之内，并根据试验和试用结果进行优化。

表3 正常掘进段与穿越段同步浆液配合比对比表 kg

严格控制同步注浆压力及注浆量，通过同步注浆及时填充建筑空隙，减小施工过程中的土体变形，合理控制注浆压力。注浆压力过大，上部软土地层易隆起，并容易击穿盾尾刷，为穿越施工带来较大风险。如果注浆压力过小，填充速度过慢，填充不足，会使土体扰动造成建筑物沉降及倾斜。实践证明，注浆压力控制在0.3～0.4 MPa为最佳范围。

以铁建重工盾构机为例，实际的注浆量为每环管片理论建筑空隙的150%～200%，即每推进1环，同步注浆量为4.29～5.72 m3。

6.7 二次注浆控制

为防止工后沉降及运营期间建筑物沉降，对穿越前20环、穿越段、穿越后10环采取二次注浆。

利用管片上均匀设置的16个径向注浆孔进行注浆。采用水泥浆-水玻璃双液浆，浆液配合比为水泥浆与水玻璃的体积比1∶1，水泥浆、水灰质量比为1∶1。水玻璃用水稀释，二者质量比为1∶3。注浆压力为0.5～0.8 MPa,注浆量为0.5～1.2 m3/环，同时加强对洞内、建筑物、地面的监测，以便指导注浆施工。为防止双液浆包裹盾尾，注浆开始时间为管片脱出盾尾5环时。注浆时遵循“多点、低压、多次、少量”的原则进行施工，采用注浆压力和注浆量双控。

6.8 纠偏控制

在盾构机进入穿越段前，将盾构姿态调整到最佳状态，进入穿越施工范围后严格按照设计轴线推进。每完成1环必须由人工复核盾构姿态，各项参数变化不可过大、过频，每环纵坡变化小于2‰，水平姿态纠偏量不得超过5 mm/环，控制在3 mm/环内。

6.9 盾尾防漏

盾构穿越施工时，为防止地下水及同步注浆浆液从盾尾窜入隧道，保护盾尾刷，密封刷之间用盾尾密封油脂填充。盾构始发前，将盾尾刷全部更换为新的，穿越期间盾尾油脂采用CONDAT油脂，加大盾尾油脂的注入量，铁建重工盾构机每环注入量控制在35～45 kg，小松盾构机每环注入量控制在35～40 kg，确保盾尾密封效果。

6.10 土体改良

盾构下穿建构筑物处的地层既有易形成泥饼的黏土，也有易造成喷涌的饱和粉砂层。

盾构刀盘处形成的泥饼造成盾构阻力增大，土体不能顺畅进入土仓，盾构机无法进行满仓掘进，易造成地面沉降。

饱和水地层易产生喷涌，导致土仓压力骤降，易造成地面沉降。

因此向土仓、刀盘内加入分散性泡沫剂改良土体，解决刀盘泥饼及喷涌问题，同时降低刀盘扭矩，减小地层扰动。实践证明，分散性泡沫剂在本地层有较强适应性，能够有效控制建筑物及地面沉降。

6.11 拼装时间控制

管片拼装时，控制每环的拼装时间在20 min以内，缩短盾构停顿时间，拼装结束后，立即恢复掘进。

6.12 信息化施工

在盾构穿越施工过程中，进行24 h连续跟踪监测，及时分析监测数据，调整盾构施工参数，保证施工过程中建筑物的安全。

7 结语

本区间隧道已于2016年12月实现双线贯通。本项目通过控制推进速度、土压力、出土量、同步注浆、二次注浆等参数，采取有效的纠偏、盾尾防漏等措施，并进行土体改良，注意管片拼装细节，加强监测，较好地完成盾构微扰动正穿超高建筑物，建筑物沉降最大点变形值为1.6 mm，满足隆起变形控制值为4 mm的设计要求。