盾构施工下穿既有建筑物沉降变形分析与控制

吴广磊 温良涛

（中交第三公路工程局有限公司，北京 100010）

1 工程概况

天津某地铁线区间下穿老旧建筑群，建筑物的上部结构为砖混结构，建筑基础为条形基础，盾构施工地层为粉质黏土、黏质粉土等软土地层，盾构穿越段覆土在16.8～19.3m，盾构下穿、侧穿老旧建筑，易造成建筑物不均匀沉降，导致倾斜、开裂，甚至倾覆倒塌。施工区域地质较软，上部压力大、下部地质软弱带来的双重不利因素在施工时极易发生沉降，进而引起地表塌陷。因此，在施工前，盾构机的选型配置及适应性评估调整尤为关键，穿越含承压水层、粉土、粉砂地层的盾构区间必须全部更换使用全新的优质盾尾刷，做好盾构机姿态纠偏措施，施工过程保证同步注浆，根据施工监测情况及时二次注浆。同时，施工前进行详细的周边环境调查，对设备进行维修保养，穿越施工采用多孔注浆管片，及时多点位注浆，并加强监测及地面巡查工作，发现异常情况要及时上报，快速采取一系列的应急方案，按照预案要求做好准备措施。

2 盾构下穿建筑物的施工要点

结合区间左线穿越群楼的相关监测数据情况，再对右线穿越建筑物施工时注浆量、注浆压力、二次注浆等各项施工参数的设定，必须以控制地表平衡以及建筑物沉降、减少单体建筑物自身差异沉降为基本原则，对各单体建筑的施工参数进行动态调整：

（1）道路地表个别点位累计沉降和差异沉降数据较大，初步分析为临近项目深基坑降水影响导致。勘探孔冒浆导致的土仓保压不足及盾尾浆液损失，导致穿越过程中单次沉降速率略大，经过二次注浆后监测数据稳定，盾构穿越后较长时间周期沉降为周边项目深基坑降水影响所致。

（2）在进行左线盾构推进土仓压力时，对注浆量、注浆压力设置较为合理，右线穿越时，土仓压力设定值和同步注浆参数与左线基本一致，这样做是为了避免刀盘前方与盾体后方沉降过大。同时，在管片脱出盾尾10～20 环左右区域，可进行多次少量的二次注浆，这样能够有效降低工后沉降。

3 盾构下穿建筑物群地层沉降控制技术

3.1 科学合理开展盾构隧道施工

（1）盾构机始发。盾构机的选型原则是因地制宜，要控制好始发台、反力架和负环的安装位置，尽量提高机械化程度，减少对环境的影响，还要确保盾构机的始发状态与设计线相同，负环节段的轴线也应与直线的轴线一致，采用贯穿接缝的装配方法。

（2）合理控制推进速度。可先采用土压力传感器测出相关数据，并以此对推进速度做出合理控制。通常情况下，施工人员需调整盾构机各组油缸的油压值，调节盾构机姿态和掘进推力，以保证盾构控制方向的恒定，与出土速度、注浆速度做到协调一致，以免产生偏差。

（3）严格控制盾构姿态。盾构机姿态参数由滚动角和俯仰角组成，在盾构施工中，受施工扰动等因素影响，盾构机姿态会出现程度不一的变化，如果实际姿态与预期姿态产生明显偏差，将影响地铁盾构施工质量。因此，施工单位应提前构建配套的导向系统，包括全站仪、控制盒、可编程逻辑控制器、接收靶等装置，持续对盾构机的姿态进行监测，计算偏离航向值，通过调节分组缸压力和流量的方式修正盾构机掘进方向，确保轴线可在盾尾间隙均匀分布，还要避免盾尾漏浆。

（4）结合掘进情况合理控制掘进参数。参考地铁的地层理论计算出土量结果，再结合计算值合理设定土压力值、推进速度、轴线偏差等诸多参数，做到科学指导。

（5）科学引用信息化手段监控盾构施工。地铁盾构下穿既有建筑物安全性带来的影响是不容忽视的。因此，必须联系实际情况，加强施工监控，准确掌握施工情况，及时发现施工中存在的变形问题，并妥善处理不合理之处，为各项施工的安全提供一定保障。同时，施工单位在盾构施工下穿既有建筑物时应加强全过程监测，设置专门的安全监督人员，既要对掘进过程加强监测管理，也要对地面和建筑物进行巡视，防止出现地面的不均匀沉降和建筑物倾斜现象对施工人员产生威胁。监测点科学合理布设完毕，安排专人进行24h 巡视监测，保证有问题第一时间处置，并根据实际情况合理增加监测密度，强化安全监督机制，对地铁具体的施工情况进行严密监测，每隔10min 出具一组监测数据。然后将数据分析结果向一线施工人员及时反馈，以便合理调整施工方案。对监测预警值做出合理设置，施工人员要联系实际，及时调整施工参数，围绕出现的问题深入分析具体原因，并采用有针对性的方法，避免产生地表沉降，以免影响施工。

3.2 保证同步注浆和及时二次注浆

同步注浆是加固土体、稳固上层建筑的主要措施，盾构施工中要注重同步注浆，在下穿建筑群时需加强注浆初凝强度。当浆液和易性过强时，可以小幅度降低搅拌的难度，这样不仅可以确保浆液在运输过程中的完整度，还能有效减少浆液出现不良状况的可能性。除此之外，要确保浆液具有较小数值的收缩率。注浆浆液会凝结固化，可避免地表变形。当浆液强度不够时，就需要根据实际施工情况，调整各种材料的配比，还应检查材料中添加的外加剂是否正确。经过层层检查调节浆液的强度，将固结体强度控制在标准范围以内，确保不会出现地表沉降情况。还要对注浆压力进行严格控制，同步注浆与盾尾之间的联系非常密切，当盾构完成一环掘进工作时，也应确保当环注浆工作结束，以当环浆液注入的数值为参考来确定注浆速度。

采用先上后下的方式完成二次注浆。注浆过程中采用信息化系统监控注浆情况，对注浆不足处进行二次、三次补注，为盾尾管片和地层间隙密实提供保障。一般注浆量都是同步注浆的30%，还要考虑到上次注入的浆液凝固后，会因收缩现象而形成空隙。基于此，二次补浆的具体时间一般是由地铁盾构施工中地面的沉降情况来决定的。盾构推进连续性也要给予有力保障，在最后面的台车上进行补浆车的设置，结合需求合理储备浆液。

4 盾构穿越建筑物沉降控制措施

4.1 做好盾构施工区既有建筑物的防护

为有效控制盾构下穿施工区域对既有建筑物结构沉降的影响，应提前对该区域的既有建筑物采取科学合理的防护措施，最终达到保护建筑物的效果。

（1）调查与评估周围建筑物。在前期正式动工之前，技术人员必须对施工区附近的建筑物进行仔细的调查研究，一般涉及建筑物的建设年代、结构形式、结构层数、基础形式、基础埋深等具体情况。施工人员必须根据设计施工图，经过认真测量放线，放出近接施工区建筑物的隧道中线在路面上的具体位置，对近接建筑物进行科学合理的评估，以确定危险等级，快速编制出建筑物结构调查评估报告。

（2）超前探测地层空洞。为避免存在的地层缺陷或由于施工干扰所发生的地层隐患，务必对盾构近接施工区地层进行超前探测。通常会采用探地雷达技术对地层进行超前探测工作，具体操作流程如下：依据监测点的位置，沿隧道中线及中线2m 处的左、右两侧各布置一条测线，确保精确探测到盾构近接施工区域内的地层特性，对地铁、管道、各种建筑物以下的各类土层进行探测，根据探测对象产生的反射波形状和强度，确定探测参数，然后再根据不同结构、物质反射波的强度和波形，深入研究雷达图像并提供检测结果，最终生成一份检测报告。

（3）施工前的加固处理。依据对既有建筑物结构调查评估报告和探地雷达探测报告仔细分析研究后，确定是否实施加固处理。一般会采用双液注浆技术，快速对地层进行加固处理，这样能有效预防地层沉陷。

（4）做好数值模拟工作。结合自身的实践经验，再根据以往数值模拟的施工图设计、雷达探测报告、建筑物结构调查评估报告等详细资料，确定施工参数和地表沉降数据，建立盾构近接施工的计算模型，编制盾构近接施工数值模拟报告，并给出详细的施工建议。

4.2 加强对盾构掘进方向的调整及控制

在盾构施工过程中，根据地质详勘报告选择适宜的掘进模式。由于误差的影响，盾构机的前行轨迹无法做到完全按照预期方向发展，因此，要对盾构机的行进方向进行调整，一般需要专业的盾构机人才进行操作，与设计单位和勘察单位进行沟通、交流。如果放任偏差不管，可能导致隧道与预期设想不一致，偏差较大，造成巨大的经济损失，或没有按照规定路线进行开挖，导致交通运输线路出现较为严重的问题。另外，盾构施工的开挖角度也很重要，一些路段需要设置一定的坡度，需要相应的抬高或降低盾构机的施工作业角度。当然，盾构机施工过程中存在微小的偏差是合理的，以上情况是不能满足预期设定的使用功能而采取的措施。

（1）根据试验段施工具体参数情况，科学合理地控制盾构方向。一般是运用现代先进的测量系统和人工测量的方式，对盾构状态进行实时监测，也可根据隧道地层的真实情况，对盾构机的操作区域进行详细划分，对掘进方向进行有效控制。严格控制盾构掘进土压力，减小土压波动。掘进过程中控制盾构机姿态，姿态控制在±35mm，勤测量、勤纠偏，防止猛纠，单次纠偏量不得大于4mm/环。严格控制盾构掘进速度，保持匀速掘进，确保同步注浆与掘进速度相匹配，穿越过程中掘进速度宜控制在40±5mm/min，向前掘进一段距离后，应再次人工测量复核盾构状态，确定有无偏差方面的问题。当滚动超限时，盾构机就会自动报警，这时可用盾构刀盘反转的方法纠正滚动偏差。

（2）控制出土量，对每环出土量进行统计并与理论出土量进行比对，防止超挖。利用左线穿越段经验做好掘进过程中渣土改良，穿越过程中跟踪二次注浆，尽量减小地面沉降量。

（3）在穿越过程中加大地面监控测量频率，及时掌握变形数据，指导掘进施工，穿越期间必须全天安排专人对地面情况进行不间断巡视，按规定的频率做好穿越后沉降监测，分析沉降数据，发现异常立即采取补救措施，还要对盾构掘进原始数据进行详细记录，为穿越段的分析总结提供可靠依据。

4.3 同步注浆

选择注浆液时考虑以下内容：一是收缩率。为了保证注浆完成后浆液凝固质量更好，选择使用收缩率较小的注浆液，注浆液收缩时型变量比较小，地表出现变形的可能性会大大降低。二是凝结时间。无论是初凝还是终凝，都要保证浆体的塑性良好和盾尾刷等装置的完整性。三是和易性。施工人员必须检测浆液材料的性能，确保浆液满足要求。注浆时为了提高注浆质量，施工人员要四点同时注浆，并对注浆压力进行实时监测，控制注浆速度，提高盾构机施工与注浆的协同程度，可调整注浆量，确保空隙的填充更加充实。同步注浆施工开展前，施工人员要做好相应的准备工作，加大施工人员的培训力度，帮助施工人员全面掌握注浆施工技术应用要点，管理人员要重视日常管理工作，严格检查施工设备的使用性能，抽检不同批次施工材料的质量，为工程质量的提高提供保障。还要对盾构掘进其他配套设备如龙门吊、注浆机等设备进行经常性维保，确保其性能正常，这样才能保证注浆作业的连续性。

5 结语

综上所述，盾构施工不可避免地会产生地面沉降或隆起，穿越建筑物时存在一定的安全风险。因此，技术人员必须提前做好施工准备工作，充分了解盾构施工导致地面沉降的规律，通过科学合理地设定盾构掘进参数，调整和控制盾构姿态、认真配置注浆浆液等一系列综合技术措施，将盾构上方建筑群和建筑物沉降、变形控制在安全合理的范围之内，这样既可以为盾构下穿既有地铁施工沉降的有效控制提供保证，也能为各道工序的顺利开展提供更高的理论依据。