土压盾构在富水圆砾层中下穿建(构)筑物施工技术

【摘要】文章结合南宁地铁1号线11标盾构机在富水圆砾层中下穿兴宁区朝阳街办事处宿舍楼（I级风险源）建筑物的工程实例研究分析了盾构在富水圆砾地层中下穿既有建筑物施工对建筑物的影响，提出了相应的盾构机在富水圆砾地层中下穿建筑物施工的掘进参数和控制地层沉降的技术措施。

【关键词】盾构、圆砾层、下穿建筑物、掘进参数、控制措施

概述 盾构法作为地下空间拓展的一种工法，具有施工占地小、对周边环境影响小、施工环境好、机械化程度高、开挖速度快、安全性高、成型隧道质量高等特点。然而，由于盾构机所穿越地层具有不可预见性和复杂多变等特点，施工中往往存在着许多不可预见的风险，特别是在不良地质条件下穿越建筑物时，施工风险极大，可能会造成对建筑物的损坏和破坏，造成重大财产损失或人员伤亡事故。所以，在盾构在复杂地层中下穿建筑物施工一定要严格把关，控制好一切不利因素。本文将从盾构在富水圆砾层中下穿建（构）筑物施工技术出发，依托南宁地铁1号线11标盾构下穿兴宁区朝阳街办事处宿舍建筑物等工程实例，详细介绍盾构下穿建筑物的掘进参数控制。

一、工程概况

1.1区间线路设计概况

火朝、朝火区间线路起点为火车站南端，出火车站南端后沿朝阳路向南行进，1号线右线在朝阳桥北端开始爬坡，斜跨2号线左右线到达1号线左线上方，在朝阳路与人民路交叉口附近与1号线左线上下重叠，终点为南宁市兴宁区南北百货大楼西侧的朝阳广场站（1、2号线水平线间距为19.5m），呈上下完成重叠（右线在上，左线在下，上下隧道中心竖向线间距为8.0m），区间线路下穿兴宁区朝阳办事处宿舍（朝阳路78号）、朝阳桥，侧穿南方大酒店、朝阳路74号、朝阳路72号、济南路地下通道、金山广场、朝阳路61号等建（构）筑物，火朝、朝火区间建（构）筑物分布见图1。

1.2工程及水文地质

1.2.1工程地质

盾构下穿建筑物主要地层为⑤1-1圆砾，隧道顶部局部穿越④1-1粉细砂、⑤1-1圆砾，隧道底部局部穿越⑤1-2卵石层、⑦1-3泥岩、（粉砂质泥岩）、⑦2-3粉砂岩、（泥质粉砂岩）。

1.2.2水文地质

区间有两层地下水：第一层地下水主要赋存于杂填土①1、素填土①2中，属上层滞水，该层地下水水量贫乏，主要由大气降雨及生活废水补给，主要通过大气蒸发方式排泄，水位埋深与填土层的厚度有关，无统一水位。第二层地下水主要赋存于圆砾、卵石和砂土层中，属松散岩类孔隙水，水量丰富，具承压性。详勘期间测得初见水位埋深8.50-15.2m，标高60.20-67.02m；稳定水位埋深6.2-10.5m，标高65.14-69.29m，承压水头0.3-6.4m。

1.3建筑物概况

1.4.1兴宁区朝阳街办事处宿舍（朝阳路78号）

（1）建筑物现状

该建筑物结构为砖混结构，条形基础，地上6层，建于1970年。目前该建筑结构风化较严重，多处出现裂纹和裂缝。

（2）建筑物与隧道关系及地质概况

1号线火朝区间左线下穿该建筑物，隧顶距地面16.57m，隧道穿越区域主要为圆砾⑤1-1地层，上部主要为杂填土①1、粘土②2-2、粉土③1、圆砾⑤1-1，建筑物与隧道位置关系及地质剖面详见图2。

二、盾构穿越建（构）筑物施工风险分析及预防措施

根据前期编制的《施工安全风险评估及风险控制应对手册》，本标段土压盾构机掘进区间隧道穿越近邻建（构）筑物及众多管线的施工难度大、风险高（风险等级为I级，发生概率Pf≥0.1），为确保盾构安全顺利通过，对其可能发生的风险进行分析，提前做好预防措施。详见表1。

三、盾构施工对地表、建构筑物及管线影响分析

盾构施工对地表、建构筑物及管线的影响主要以地面隆沉、建构筑物开裂、地表坍塌、管线断裂等形式表现。其主要原因是由于盾构刀盘转动和盾尾与地层摩擦引起隧道周围地层的松动、沉陷及变形。建构筑物、管线受其影响隧道附近地区的基础构筑物将产生变形、沉降或变位，以至使构筑物机能遭受破损或破坏。

3.1施工影响范围计算

采用经验公式对盾构隧道施工影响范围及地表沉降分布规律进行预测，进而确定盾构施工对周边环境的影响范围。

目前，工程实践中实用的经验公式是Peck公式（Peck，1969）和一系列修正的Peck公式。Peck假定施工引起的地面沉降是在不排水的情况下发生的，所以沉降槽体积等于地层损失的体积。地层损失在隧道长度上是均匀分布的。地面沉降的横向分布类似正态分布曲线，如图3所示。

最大沉降量采用下式估算：

根据经验，地面横向沉陷槽宽度W/2≈2.5i。

根据Peck公式估算得：上行隧道地表沉陷槽宽度最大约14.3m～19.6m，下行隧道地表沉陷槽宽度最大约为14.3m～29.0m，沉降槽影响范围根据隧道埋深确定，从两侧向中间均匀沉降。

四、盾构掘进穿越建（构）筑物施工总体方案

根据盾构法施工特点，施工过程中主要从盾构操作方面入手来减少地表隆起与沉降，并配以其它辅助措施，确保盾构施工影响范围内建（构）筑物和地下管线的安全。

4.1施工前准备

施工前对沿线盾构施工影响范围内的建（构）筑物和地下管线进行全面的调查，收集相关资料，列出需重点保护的对象名称及反映其所处里程、地面位置、类型、结构等参数，并根据施工设计图要求进行建（构）筑物保护预处理施工，提高其抗风险能力。

根据对建（构）筑物调查资料，并委托“广西壮族自治区建筑工程质量检测中心”对周边基础条件差、年代久远等建筑物开展鉴定工作，鉴定报告对现阶段建筑物的安全对沉降要求进行全面的统计，为以后施工提供指导。

（1）技术准备

①盾构下穿建筑物前需对施工班组进行相关技术交底，交底内容必须包含各项详细数据，覆土深度、开挖仓土压控制范围、同步注浆量、补注浆位置、刀盘进入（离开）建筑物里程

②提前预加固、隔离保护施工及效果检查，按照设计图纸要求对重要建筑物进行加固，增强土体承载力、自稳性及抗扰动能力。

③土压盾构区间建构筑物距离始发端头均不足30m，特别是火朝区间左线盾构穿越建筑物阶段需下穿60年代建筑，为确保盾构机掘进过程中建筑物安全，计划先掘进朝新区间左线、2号线朝火区间左线，调整、积累掘进参数，为下穿建构筑物群提供依据。

④下穿期间，根据实时监测数据、掘进统计参数（开挖仓压力、出土量、推力和扭矩、注浆量），对盾构掘进实施参数化动态管理，确保楼体沉降和倾斜量在规范要求范围内，一旦发生紧急情况，立即启用应急预案。

（2）设备准备

盾构机进入沿线建（构）筑物10环前对盾构机、后配套设备、地面常规设备进行全面、细致检修，对易磨损配件提前储备，确保盾构穿越建（构）筑物施工期间设备正常运转，降低设备引起的施工风险。设备准备需注意以下几点：

①重点对盾构机的注浆系统、控制电路及液压系统、龙门吊刹车系统、行走系统、电瓶车刹车及电路进行检修，对于损坏的部件立即更换，对存在故障隐患的部位及时排除，各部位及时加注脂或油。

②对同步注浆管路进行清洗疏通，避免注浆管在盾构下穿建筑物时堵塞，导致浆液不能注入，从而造成盾构机停机。

③对盾尾密封系统进行检测，确保下穿建筑物时不发生漏浆现象从而保证注浆量。

④提前准备二次注浆设备（含配套设施）并进行检查，确保设备运转正常。

⑤检修前制定详细的设备检修计划，并落实到个人，确保盾构穿越建筑物前所有设备均处在最佳的工作状态。

（3）物资准备

盾构施工主要物资为钢筋混凝土衬砌管片及防水材料、浆液拌合原材料（包括水泥、沙子、粉煤灰、膨润土），施工人员及材料人员应在盾构穿越建筑物前进行检查，确保穿越建筑物过程中材料储存充足与供应及时，避免应材料不到位而导致施工风险。为确保材料储存及时，材料准备应注意以下几点：

①提前与盾构管片供应单位联系、沟通，根据盾构穿越建筑物期间的线路平面曲线，合理确定相应管片型号（标准环、左转弯环、右转弯环）的数量，盾构通过建筑物前相应合格盾构管片必须储存充足并运送至施工现场存放。

②盾构进入影响范围前对各种原材料库存数量进行统计（包含轨道、轨枕、夹板、水管等），保证数量充足，并在盾构穿越铁路期间对各原材料库存量进行严密监控，每天统计仓库内物资存量，数量低于5天施工需要时立即补充，并严格控制原材料质量，坚决杜绝不合格材料进场。

③各种型号管片的防水材料应保证足够的库存数量。

④施工期间考虑天气条件对材料供应的影响，应关注未来两天的天气情况，对受天气影响的原材料要提前进行储备。

4.2施工过程控制

（1）严格控制盾构土压力

①土仓中心土压力值根据埋深及土层情况设定，压力波动控制在±0.02Mpa，在施工过程中根据地表监测结果，结合第一、二台盾构始发段掘进施工时总结的最佳参数来确定盾构穿越建筑的土压值。

②安装在土仓内的土压传感器可以适时将刀盘前部的土压值显示在控制室屏幕上，盾构主司机根据地面监测信息的反馈及时更改、设定土压力。

③施工中土压力与出土量紧密联系，相关技术人员及时总结最合理的土压力及出土量，减小对土体的扰动，使土移量最小。

（2）掘进速度控制

盾构推进通过对土压传感器的数据来控制千斤顶的推进速度，推进速度控制在20～40mm/min，并保持推进速度、刀盘转速、出土速度和注浆速度相匹配；在推进过程中保持稳定，每日推进8环左右。

（3）出土量控制

出土量与土压力值一样，也是影响地面沉降的重要因素。盾构机的开挖断面为30.96 m2，每环的理论出土量为31.55×1.5×1.4=65.01m3，在盾构机穿建（构）筑物时，将出土量控制在理论出值的98%，即65.01×98%=63.7m3，保证盾构切口上方土体能有微量的隆起（不超过1mm），以便抵消一部分土体的后期沉降量，从而使沉降量控制在最小范围内。

（4）同步注浆控制

盾尾通过后管片和土体之间存在空隙，施工中采用同步注浆来充填这一部分空隙。施工过程中严格控制同步注浆量和浆液质量，严格控制浆液配比，使浆液和易性好，泌水性小，为减小浆液的固结收缩，试验室前期应根据不同地层的富水性、稳定性、孔隙率等条件进行配合比试验。根据盾构穿越建（构）筑物容易造成地面沉陷的情况，同步注浆选用可硬性浆液或者收缩率较小的浆液，参考配合比见表2。

同步注浆量一般控制在建筑空隙的150%～180%，即每环同步注浆量为5.2～6.0m3，注浆压力高于水土压力0.1MPa左右，确保浆液填充密实。实际施工中浆液的用量及注浆压力结合前一阶段施工的用量以及监测报表进行合理选择，合理选择注浆孔位（一般为隧道底部两侧，减少注浆时瞬间压力对地层的台升） 。

同步注浆尽可能保证匀速、匀均、连续的压注，防止推进尚未结束而注浆停止的情况发生。

（5）严格控制盾构掘进纠偏量

盾构进行平面或高程纠偏的过程中，必然会增加建筑空隙，造成一定程度的超挖。因此在盾构机进入建（构）筑物影响范围之前，将盾构机调整到良好的姿态（断面高程、平面偏差≤30mm，趋势与隧道线路偏差≤2mm/m），并且保持这种良好姿态穿越建（构）筑物。

①盾构穿越过程中尽可能匀速推进，最快不大于40mm/min；

②盾构姿态变化不可过大、过频，控制每环纠偏量高程方向不大于5mm，平面方向不大于9mm，控制盾构变坡不大于2‰，以减少盾构施工对地层的扰动影响。

（6）管片拼装质量控制

在盾构处于拼装状态下时，千斤顶的收缩会引起盾构机的微量后退，因此在盾构推进结束之后不要立即拼装，等待几分钟之后，待周围土体与盾构机固结在一起后再进行千斤顶的回缩，回缩的千斤顶数量尽可能少（不能同时回缩3根以上），满足管片拼装要求即可。

①管片拼装过程中，安排熟练的拼装工进行拼装，减少拼装的时间，缩短盾构停顿的时间；

②拼装过程中发现前方土压力下降，可以采用螺旋机反转的手段，将螺旋机内的土体反填到盾构机的前方，起到维持土压力的作用。

③拼装结束后，尽可能快地恢复推进。

（7）渣良措施

穿越建（构）筑物区域地层主要为富水⑤1-1圆砾层，自稳能力较差，因而对掘进不利，可以利用膨润土泵向前方土体加膨润土或泡沫剂来改良土体，增加土体的流塑性。

①使盾构机前方土压计反映的土压数值更加准确；

②确保螺旋输送机出土顺畅，减少盾构对前方土体的挤压；

③及时充填刀盘旋转之后形成的空隙。

（8）盾构二次补注浆

盾构掘进过程中，根据实际情况（监测结果）需要，在管片脱出盾尾5环后，可采取对管片后的建筑空隙进行二次注浆的方法来填充，浆液为水泥、水玻璃双液浆、注浆压力0.3MPa～0.5MPa；也可在地面对建筑基础进行补充注浆对基础进行加固抬升，二次注浆根据地面监测情况随时调整，从而使地层变形量减至最小。

（9）地面其他辅助措施

①盾构下穿建（构）筑物期间加强地面巡查，每天填写巡查记录。

②增加监测频率，盾构穿越建（构）筑物期间监测频率不小于2次/d，每天监测结果2小时内必须反馈至相关责任人，为下一步施工提供依据。

③盾构机及盾构掘进配套设施维修保养及时，确保盾构掘进施工过程中盾构机的完好率95%以上，减少设备故障停机次数与时间。

④合理调整施工工序组织，避免因工序衔接脱节而产生风险。

⑤掘进过程中可能导致砼道路以下的路基下沉，进而呈现地面塌陷，施工过程除加强地面巡查、加强监测反馈等手段外，应考虑地面打孔进行跟踪补充注浆，具体步骤如下：

第一步：立即对沉陷区域或者即将沉陷区域实施临时围蔽、交通疏解工作。

第二步：结合盾构掘进过程中同步注浆及出渣量情况，布置注浆孔，一般注浆区域应超过沉降区域外1m，可根据具体情况进行调整。

第三步：进行跟踪注浆施工，地面修复，重新布设监测点。

第四步：结合监测数据及路面强度，满足需要后撤离塌陷区围蔽，恢复该区域交通。

4.3穿越后施工措施

由于同步注浆的施工时，浆液有可能会沿土层裂隙渗透而依旧存在一定间隙，且浆液的收缩变形也引起地面变形及土体侧向位移，受扰动土体重新固结产生地面沉降。

①盾构机每穿越一栋建筑物需要立即进行下穿期间资料汇总统计，并对开挖量、注浆量、空隙量进行计算，如发现欠浆现象则立即停止盾构机掘进进行二次壁后补浆、地面注浆加固；

②拍摄建筑物损坏区的照片；

③在沿裂缝位置标出裂缝开展日期、将裂缝进行编号、记录裂缝的大小及其发展；

④所有柱或墙上的水准点应与不受施工影响较远的基准点相联系，并及时绘出沉降和时间曲线。

4.4施工监测控制

盾构在下穿建筑物前后，加强了对地表检测的管理，对地表实行24小时监测，每2小时监测一次，对沉降变化大的点设立预警机制，把沉降情况在第一时间反馈到施工中去指导施工，如果发生了沉降量变大的情况，及时采取相关措施阻止沉降的进一步发生。在盾构机下穿兴宁区朝阳街办事处宿舍的过程中，施工控制良好，盾构机通过后的沉降曲线如图4所示。

五、结论

由于以上各项措施的落实到位，盾构机安全通过兴宁区朝阳街办事处宿舍I级风险源。各项监测数据表明建筑物差异沉降数值控制在6mm以内，盾构所穿越建筑物安全可靠，盾构隧道质量完全满足设计要求，取得了良好的社会和经济效益。