软硬不均地层盾构穿越建筑群关键施工技术

张丽娟

(中铁十二局集团第二工程有限公司 山西太原 030032)

1 概述

盾构施工技术以其高效、安全、便捷以及对周围环境影响较小等特点，广泛运用于城市地铁及管廊隧道修建。但在一些地质条件复杂，上层建筑物及管线密集的环境中施工时，仍会对地层产生不可避免的扰动，而盾构施工既要保护已有建筑物的安全又要兼顾隧道施工自身安全，所以对盾构施工技术的研究尤为重要。夏鹏举等[1]对盾构穿越软硬不均地层时的盾构轴线偏移、地面沉降等施工难点作了分析；李江灵等[2]采取加固地层和优化掘进参数控制盾构施工对上部建筑物的影响；章邦超等[3]阐述了盾构掘进下穿民房建筑群的沉降施工准备和技术措施等。无疑，这些研究对盾构下穿建筑物以及穿越软硬不均地层有一定的参考意义，但由于地质环境的差异，相应的技术研究不尽相同。本文依托武汉地铁8号线二期工程第三标段小洪山站～街道口站右线区间隧道施工，对软硬不均地层盾构大坡度并小曲线半径穿越建筑群关键施工技术进行综合阐述，通过采取优化刀具配置、优化渣土改良[4]，设置换刀点主动查刀等措施，盾构顺利穿越建筑群，为类似盾构穿越建筑群工程施工提供参考。

2 工程概况

2.1 区间设计概况

武汉市轨道交通8号线二期工程第三标段小洪山站～街道口站区间盾构以360 m曲线半径下穿荣泰小区建筑群后进入珞狮路下方，穿越地铁2号线街道口站后到达地铁8号线街道口站，平移到1号风亭解体吊出。

区间右线全长1 084.874 m，最大纵坡为28‰，最小曲线半径为360 m，管片外径6.2 m，内径5.5 m，环宽1.5 m。区间总体施工示意见图1。

图1 区间总体施工示意

2.2 区间穿越建筑群概况

区间右线共下穿9栋建筑物，均为住宅小区，建筑群主要是在20世纪90年代修建，砖混或框架结构，多为条形基础、浅基础，无地下室，主要以1～3层低层、4～7层多层建筑为主，下穿建筑物信息见表1。

表1 下穿建筑物信息

穿越段地层特征为一侧为硬岩，另一侧为泥岩，主要地层为10-3粉质黏土、17c-2中等风化灰岩、17b-1强风化碳质泥岩、17d-1强风化硅质岩、20a-1强风化砂质泥岩、20a-2中风化砂质泥岩、20a-3微风化砂质泥岩。中风化灰岩抗压强度为70.7 MPa，中风化硅质岩抗压强度为39 MPa，微风化砂质泥岩抗压强度为25 MPa。

穿越段地下水主要为上层滞水、基岩裂隙水和岩溶水三种类型。

3 盾构穿越建筑群施工技术

3.1 施工风险分析

盾构连续穿越的建筑物均为老旧居民楼，基础较差且穿越距离较长，安全风险是盾构在软硬不均地层掘进施工易造成地表沉降、建筑物结构失稳风险。

盾构穿越线路存在长距离大下坡并小曲线半径施工，一是水平运输存在溜车风险；二是盾构水平和垂直姿态偏差会同时出现，调整困难；三是盾构同步注浆浆液会在紧邻盾尾外壳处堆积，造成成型管片注浆不饱满，导致地表沉降。

盾构下穿建筑物段地层软硬不均[5－6]，对刀具磕碰撞击较大，存在房屋底下被动开仓换刀风险。

3.2 刀具和渣土改良系统优化

盾构穿越建筑群[7－9]后洞身地层处于风化泥岩中，综合考虑刀盘采用四辐条＋四辐板复合式设计，开口率38%，材料采用Q345C高强度钢板，配备中心双刃滚刀4把，正面单刃滚刀30把，边缘单刃滚刀 11把，切刀28把，边刮刀16把，超挖刀1把。设计的刀盘见图2。

图2 刀盘

针对软硬相间地层，为减少开仓换刀次数，盾构刀盘滚刀采取扁齿滚刀和光面滚刀混合使用，刀盘外周刀线速度快同时小半径转弯，容易磨损，将刀盘周边11把光面滚刀优化为加密扁齿滚刀，扁齿滚刀合金保证了在硬岩地层中仍能有良好的耐磨性，同时母材韧性达到了普通光面刀圈的数倍。正面滚刀采用厚刃25 mm光面滚刀，保证了长距离掘进的耐磨性。

盾构配有两套渣土改良系统:泡沫系统和膨润土系统。

泡沫系统为单管单泵，为防止切削下来的灰岩粉末和泥岩堵住刀箱和刀盘中心开口，将渣土改良系统进行优化，刀盘中心增加两路高压水冲刷系统，在台车上单独增加一台5.5 kW的增压泵提供动力。

3.3 主动查刀和设置换刀点

根据武汉其他同类地层施工经验，中低硬度和软硬不均地层施工时，参数变化规律性差，时常上一环是相对正常的掘进参数，下一环掘进参数直接异常，部分刀具已经磨损严重，岩层掘进需要根据地面条件等主动检查刀具。

为避免在房子底下进行被动开仓换刀，进房子前20 m附近适当位置进行开仓检查刀具，由于房屋底下地层无条件勘察，地层存在不确定性，在房屋之间的空地上或者小区的便道上设置检查换刀点，经过前2次开仓检查刀具情况，摸索出刀具磨损的规律和掘进参数的进一步优化，后续适当延长检查刀具环数。刀具更换统计见表2。

表2 刀具更换统计

3.4 优化水平运输

由于穿越段处于28‰的大下坡，同时采用环宽1 500 mm的管片，盾构水平运输电机车每环需重载连续爬坡，普通铅酸电机车存在溜车安全风险，为确保施工安全和施工功效，采用55 t大吨位锂电池电机车进行水平运输，同时将电机车刹车系统进行优化，将原来的双气路制动系统优化为三气路制动系统，对于气源利用更加充分，加强制动效果；增加断电自动刹车，电机车在运行过程中如果突然变频器断电，空气制动系统会自动刹车，避免发生危险。

3.5 掘进参数及姿态控制

(1)掘进参数

①掘进速度

区间地层软硬相间且下穿建筑群，掘进速度应根据地层及时调整，灰岩及硅质岩段速度控制在3～8 mm/min，其余地层20～35 mm/min。

②刀盘转速

掘进断面完整地段刀盘转速应控制在1～1.2 r/min，软硬不均地段刀盘转速为0.9 r/min，减少刀具撞击导致的损坏。

③掘进土压

④出渣量

每环理论出渣量为49 m3，考虑土质松散系数，出渣量应控制在52～55 m3以内，每环出渣量结合渣土箱数量和门吊称重双控。

(2)姿态控制[10－12]

软硬相间地层掘进过程中盾构机受力不均，易引起盾构施工的实际轴线偏离设计方向，纠偏充分利用主动铰接的优势，进入曲线前提前将盾构姿态调到曲线内侧10 mm左右，始终沿着曲线内侧掘进，管片选型适当超前，姿态在可控范围内，纠偏以盾尾间隙为主。

因隧道转弯处于360 m小半径，隧道内通视条件较差，每推进8～9环需要进行一次测量换站，设置完新测量基准点后，加大复测力度，同时每隔两次换站对盾体特征点和后视点进行一次复核，从而保证数据的精确性。

3.6 注浆

同步注浆可以有效填充管片与土体之间的间隙，控制地表沉降，还可以确保管片衬砌的早期稳定，但是注浆量过多或过少会造成管片的隆沉。盾构下穿建筑群段地层软硬相间和小半径曲线，施工过程中严格控制同步注浆的质量和数量，在正常掘进段浆液配比的基础上增加水泥用量、加大浆液稠度，使浆液和易性好，泌水性小，减小浆液的固结收缩，避免管片上浮，具体浆液质量配比为:水∶水泥∶砂∶掺合剂∶膨润土 ＝2.25∶1∶3∶2.5∶0.4，注浆压力控制在0.3～0.4 MPa。

盾构机每推进一环理论建筑空隙为V＝π·(R2－r2)·L＝3.14×(6.442－6.22)/4×1.5＝3.58 m3；土质松散系数按1.3～1.8计算，则每环理论注浆量为Q＝4.65～6.44 m3，实际施工过程中每环注浆5.5 m3。

区间基岩裂隙水在岩层中无规则窜动，容易带走浆液，造成管片背后空隙增多，管片上浮，为了尽量确保地面沉降在控制范围内，在穿越过程中，需及时跟进二次补浆作业，在同步注浆的基础上，进行跟踪二次注浆辅以环箍注浆，在脱出盾尾的第8环～第10环管片，采用双液浆每间隔10环打好环箍，使隧道纵向形成间断的止水隔离带，再在各环箍间进行二次注浆。二次注浆过程中严格按照要求进行跟踪注浆，注浆压力控制在0.2～0.4 MPa，防止管片上浮及地面沉降。出现管片上浮情况，二次注浆点位应选择15点/1点，2点/14点四个点位上，按照此顺序依次调整注浆孔位，同时压低掘进垂直姿态，确保成型管片姿态。穿越完毕继续进行跟踪监测，及时补浆处理，避免后期沉降。

中小企业应根据企业自身的实际情况设置企业的部门机构，要尽量做到精炼有序，尽量实施一岗多能，如果公司的管理部门层次太多，管理人员繁杂，就会产生极大的管理成本和费用，并且不利于部门之间的协调沟通。这样既能提高工作效率，又减少了不必要的支出和浪费。

3.7 施工监测

在盾构穿越期间，专人进行建筑群变形观测，及时准确将监测数据汇总给施工技术部门，以便于施工技术人员及时了解施工现状和变形情况，确定新的施工参数和注浆量等信息和指令，并传递给盾构推进面，及时作相应调整，最后通过监测确定效果，从而反复循环、验证、完善，确保建筑群安全和隧道施工质量。经持续监测，建筑物沉降都在10 mm以内，最大沉降8 mm。

4 结语

武汉市轨道交通8号线二期工程第三标段小洪山站～街道口站区间盾构在软硬不均地层及大下坡并小曲线半径施工工况下，安全顺利穿越建筑物群。

(1)合金扁齿滚刀具有良好的耐磨性及耐冲击性，很好地解决了刀圈在软硬相间地层掘进时易整体断裂问题，同时减少了开仓次数。

(2)主动查刀是软硬不均地层掘进的基本原则。

(3)刀盘中心增加两路高压水冲刷系统，避免了刀盘结泥饼的可能。

(4)水平运输设备改造三气路制动系统和断电刹保证了电机车在28‰大坡度的安全运行。

(5)大下坡的同步注浆浆液往往达不到要求，必须二次注浆再辅以环箍注浆，使隧道纵向形成间断的止水隔离带，再在各环箍间进行二次注浆，确保沉降在规定范围内。

(6)盾构小半径曲线穿越段姿态一直处于纠偏过程，通过采取预偏量，控制每环纠偏量不大于8 mm，以减少姿态调整对地层的扰动。