双模盾构连续下穿浅基础城中村施工技术研究

翟志峰

(中铁十六局集团轨道公司，北京 101100)

1 工程概况及地质情况

昆明轨道交通五号线昆明北站至圆通公园站区间在里程范围左DK5+336.562～左DK5+472.983(右DK5+760.88～DK5+878.38)涉及盾构双线长距离下穿小菜园城中村密集浅基础建(构)筑物群。小菜园城中村地处云南省昆明市五华区，邻近盘龙江河道，20世纪80～90年代修建，房屋多为条形基础，砖砌房屋，原为盘龙江改造回填的基础上自建房屋。地表以下3～7 m为回填土，隧道覆土埋深最浅为13.1 m，左、右线双线最小净间距仅7.8 m，盾构隧道断面地质情况主要以富水圆砾地层、砂质白云岩等不良地层，局部存在圆砾与黏土相结合地层，圆砾层透水。隧顶以圆砾层和黏土层为主。盾构双线累计下穿长度近200余m，影响范围内的房屋34栋，地面涉及管线众多，埋深最浅为0.5 m。施工线路关系航拍图见图1。

图1 施工线路关系航拍图

2 工程重难点

区间盾构长距离连续下穿小菜园城中村密集浅基础建(构)筑物群，周边环境复杂，居住人口密集，地质情况变化大，如何确保建(构)筑物和居民人身财产安全是重中之重。

1)地质情况复杂，涉及富水圆砾层、黏土结合地层、砂质白云岩等不良地质，确保盾构连续安全地顺利通过和盾构模式选择是本工程的重难点。

2)小菜园城中村房屋基础薄弱且为盘龙江河道改造，回填土质量差，回填土最高高度达7.0 m，确保小菜园城中村建(构)筑物的安全是本工程的重点。

3)盾构下穿人员密集的城中村，居民关注度极高，对安全问题十分忧虑，施工中如何确保居民维稳和后续矛盾纠纷问题是本工程的难点。

3 有限元模拟分析

结合本区间地质水文、隧道线路形式关系等，利用有限元建立模型进行分析。

根据盾构穿越地层的物理力学参数进行精准建模。用来验证建(构)筑物沉降控制标准和地层受力情况。有限元建模尺寸为36 m(高)×82 m(长)，盾构隧道外径6.2 m，内径5.5 m，管片厚度0.35 m，四周及底部位移约束，顶部敞开。

有限元建模分析图例见图2～3。

图2 隧道结构受力影响模拟

图3 施工影响范围模拟

通过模拟分析区间左、右线隧道均穿越完成后，可能将造成地表在垂直于隧道方向产生一定的差异沉降，形成地表建(构)筑物的最大倾斜为0.4%，建(构)筑物控制值为+10 mm。

4 盾构选型及掘进方法

4.1 盾构机选型

结合地质水文、二次补充勘察情况可判断，该地段存在富水圆砾地层，地下水极其丰富，地表存在3～7 m软弱回填土地层，近40 m砂质白云岩不良地质，通过选用双模式盾构机可规避地质和施工风险。双模盾构机的特点为模式转换时间短、切换便捷，两种模式切换不需拆装任何部件，两个模式可独立运行又可相互支持，可根据地质的不同变化随时切换模式。土压/泥水双模式盾构机施工原理图见图4。

图4 土压/泥水双模式盾构机施工原理图

4.2 盾构掘进模式切换

为确保小菜园城中村建(构)筑物的安全，在盾构下穿前需将土压平衡模式转换为泥水平衡模式掘进。模式转换前保证泥水分离站、泥浆泵以及泥浆环路的控制阀门等能正常运行；保证隧道管路已延伸至盾构机尾部连接管；泥浆池制作和供应新鲜泥浆。准备工作完成后盾构机停止掘进，关闭螺旋机后闸门。切换到泥水模式，启动泥水处理站，运行机外旁通线路，关闭V30、V31、V32、V33、V34、V35、V01、V03、V06、V08，运行一段时间，泥浆环路通畅且没有泄露的情况下，打开V30、V33、V07，关闭V36、V37，切换至机内旁通线路，确保泥水环流系统管路通畅正常。机内旁通图例见图5。

图5 机内旁通图例

打开盾体隔板泥浆连接管路的各个手动闸阀，关闭V01、V03、V06、V07、V31、V32、V33、V34、V36、V37，往开挖仓添加泥浆；手动操作V35，同时将盾体隔板顶部处的球阀稍微开启进行排气，联动操作来控制开挖仓的压力平衡。开挖仓充满泥浆后打开V31、V06，关闭V08、V35，切换到反冲洗模式将开挖仓渣土进行反复冲洗(切换前需先通过旁通模式稳定流量)；同时启动刀盘低转速运转(转速≤0.6 rpm)进行搅拌渣土；相继启动自动泄压装置来调节开挖仓压力；此时确保与开挖仓相连的各管路通畅。待反冲洗模式能稳定运行后，再打开V33、V08、V30，关闭V31，切换至开挖模式进行正常掘进。采用泥水模式穿越富水圆砾层后，进入砂质白云岩地层后切换土压平衡模式掘进。泥水掘进模式环流图例见图6。土压转泥水模式切换流程见图7。

图6 泥水掘进模式环流图例

图7 土压转泥水模式切换流程图

4.3 双模盾构掘进参数选择

在盾构下穿前为验证拟定掘进参数的可行性，设置了30 m试验段，利用下穿盘龙江河道在同地质情况下进行参数分析。主要分为泥水模式下穿小菜园城中村掘进和土压平衡模式穿越砂质白云岩不良地层掘进参数的验证，见表1～2。

表1 下穿小菜园城中村掘进参数设定表(泥水模式)

表2 下穿小菜园城中村掘进参数设定表(土压模式)

5 辅助技术管控措施

5.1 预加固处理

因小菜园城中村地基为原盘龙江河道改造回填，通过地质雷达扫描等方法，揭示回填土存在不密实情况，为确保施工安全加强地层承载力，提高房屋及居民的安全性，在房屋周边地面进行袖阀管注浆加固，并在地面预留部分袖阀管，施工时可及时根据监测情况进行地面压浆[1]。预加固钻孔深为11.5 m至隧顶以上，布孔间距为1.5 m，浆液采用水泥水玻璃双液浆，加快凝结速度，注浆压力控制在0.2～0.3 MPa。

5.2 隧道内花管注浆加固

双线盾构施工完成后对隧道左、右线隧道外轮廓线范围3 m内土体进行深孔注浆加固。主要利用管片预留的吊装孔和注浆孔，插入花管对管片壁后土体进行注浆加固，加固范围左、右线隧道为半环(180°)隧道注浆加固，采用水泥单液浆。水灰比取0.8～1.0，注浆压力取0.2～0.4 MPa，从而填充土体缝隙，巩固受扰动的土体。隧道内注浆加固示意图见图8。

图8 隧道内注浆加固示意图(单位：mm)

5.3 调整盾构机采石箱格栅

因双模盾构机土仓内空间较小，无法设置破碎装置。采石箱的设置是防止较大石块或土块造成管路堵塞的作用。地层处于圆砾和黏土混合地层，采石箱内均为黏土夹杂圆砾，格栅设置较密，时常容易堵塞。根据地层情况适当割除采石箱格栅，调整泥浆比重，控制掘进速度，每掘进2～3环对采石箱进行主动检查清理。减少因堵管造成的被动停机、土压波动和工效降低问题，从而平稳通过[2]。采石箱调整前后对比图见图9。

图9 采石箱调整前后对比照片

5.4 证据保全及房屋安全鉴定

为稳定居民情绪，防止出现后续矛盾纠纷问题，在盾构下穿前对小菜园城中村内的34栋(施工影响区)房屋均进行安全鉴定和证据保全，并在盾构穿越完成后再次进行证据保全工作，明确施工前后变化，确保小菜园城中村居民人身财产不受损失。在施工中同步将施工进展情况、监测数据分析情况及后续施工计划向小菜园城中村居民公布，使小菜园城中村居民可随时了解施工动态。

6 信息化监控量测

监测采用人工+自动化监测的信息化监控方法。通过人工监测成果并结合自动化监测数据进行复核，从而保证数据的准确性。盾构下穿期间建筑物监测频次为6 h/次。自动化监测点布置在房屋楼体顶部结构上，通过人工监测楼体下部结构和自动化监测楼顶上部结构相结合的手段，分析建筑物沉降变化情况，并及时利用软件分析及时进行掘进数据微调，为盾构掘进保驾护航。盾构下穿小菜园城中村双线通过后，建(构)筑物累计沉降最大仅-3.5 mm。

7 结 论

1)通过盾构双线长距离下穿浅基础城中村建(构)筑物群的监测数据分析和模拟数据对比，实际沉降数据能够控制到模拟分析的1/3，证明该施工方法可行，对类似工程环境的盾构下穿施工具有参考和指导作用。

2)在同区间涉及多种不良地层的复合地层中采用泥水/土压双模式盾构机的切换方法和掘进参数值得借鉴和参考。双模式盾构机在特殊工况情况下可及时进行切换调整，改变了盾构单一掘进的方式方法，提高控制标准，规避施工风险。

3)在施工前及时掌握地质水文特征，论证盾构适应性，并按地质特征提前配置好刀盘刀具。采取地面定点超前预加固、洞内深孔注浆加固等辅助方法是盾构在不良地质中下穿浅基础建(构)筑物施工前后必要的安全保障技术措施。

4)施工前后分别做好浅基础房屋的安全鉴定和证据保全是十分必要的措施，对居民的安抚和维稳工作同样是盾构下穿施工中必不可少的重要保障环节。

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