盾构下穿浅基础老旧建筑物施工技术

摘 要：南京地铁十号线盾构区间隧道下穿浦口区文德西路文峰商厦，此处区间隧道埋深约10-12m，地质条件复杂，为上软下硬的复合地层，土层扰动后易引起地面沉降，而文峰商厦为浅基础，建于上世纪80年代，结构整体性较差，盾构下穿存在较大施工风险。通过论述盾构下穿文峰商厦的施工工艺，针对此房屋特点和地质情况，提出了在复合地层下盾构机下穿浅基础老旧建筑物施工应解决的关键问题。

关键词：地铁； 盾构施工； 沉降控制； 地基加固

1.工程概况

南京地铁十号线城西路站～凤凰大街站区间长1403.2m，位于宁乌公路和文德西路下方，设联络通道2处，1处兼作废水泵房。区间埋深9～17m，下穿城南河、西门桥，文峰商厦等建（构）筑物。文峰商厦建于1985年，4层砖混结构，现有资料无法明确其房屋基础形式，根据房屋所有人介绍为浅基础，经文峰商厦西南角进行探槽开挖后证实结构确为80cm高砖砌体基础。房屋南侧边线位于盾构右线隧道正上方，沿右线隧道K20+357～K20+395布置，隧道埋深10～12m，隧道与房屋位置如图1所示。房屋基础至隧道拱顶主要为粉质粘土层，掘进断面主要为粉质粘土层及卵砾石层，地质条件差。根据地质勘察报告，盾构机下穿文峰商厦将要穿过④-2b2粉质粘土层、④-3b1-2粉质粘土层、④-4e-2粉质粘土混卵砾石，其中④-4e-2卵砾石含量大于50%，直径约为3～10cm，少量15～20cm以石英岩、石英砂岩为主，主要为石英质，由可塑状粉质粘土及中密中细沙填充，内含承压水。

2.盾构下穿建构筑物的技术准备工作

（1）在施工前对建构筑物、管线进行充分调查。收集有关资料，包括建构筑物的设计图纸、竣工图进行研究分析，并对建构筑物进行实地调查分析，必要时实施探槽调查的方法。

（2）经过调查后应明确建构筑物的位置、结构形式及尺寸、何种基础、建筑年代、老化程度、使用状态、产权归属、与盾构隧道的距离及相对位置关系等；对地下管线通过调查应明确管线的功能性质、材质、接口形式、管道输送介质、老化程度、埋深以及产权归属、与盾构隧道的距离及相对位置关系等基本情况。

（3）根据地质勘察情况或根据盾构推进过程中的地质变化情况，对建构筑物周边地质进行补充详细勘察，明确地形情况、基础土层结构、各土层土体性质、地下水情况等。

（4）根据调查情况，分析建构筑物和管线的变形和应力允许值，确定了房屋及地面单日地面沉降2mm/d，累计沉降23mm为报警控制值。

（5）与其他地层相比，在砂卵石地层中，刀具普遍磨损严重，初步判断，一盘滚刀能掘进约200～400m，本区间部分隧道穿越的地层主要为④-4e-2卵石土地层，盾构机连续掘进、出碴量正常地层不会出现问题，但盾构机一旦停机，在恢复推进或开仓清碴刀盘转动时，地层损失控制困难。因此在盾构即将通过建构筑物前应对刀具进行全部更换并对设备进行全面检修，选定同步注浆浆液的配比和凝固时间，以保证盾构机连续、快速通过，且使盾尾空隙得到及时有效的填充。

（6）加强施工过程中建构筑物和土体监测。其中建构筑物监测项目包括沉降监测、倾斜监测和裂缝监测，土体监测项目包括土体变形监测、水位监测等。监测点应提前布置，稳定后在盾构达到一周前开始实施监测工作。在通过建筑物时，专人实行24小时监测，每3～4h监测一次。测量结果及时反馈给控制室。

3.盾构下穿建构筑物时的施工参数选择与控制

为确保建构筑物、管线的安全，在盾构掘进施工时应严格对盾构施工参数监测，包括盾构推力、出土量、注浆填充率、注浆压力、盾构姿态等。

盾构下穿建构筑物掘进时，盾构施工参数做如下控制：

3.1 土压力

（1）土压力计算

土压平衡控制的要点就是维持开挖面稳定，确保土仓内的土压力平衡开挖面的地层土压力和水压力。综合考虑工程地质，埋深及周边环境，土压力设定值P0按浅埋隧道计算。

设定土压力值 应控制在以下范围内

（水压力+主动土压力）

在浅埋隧道中，静止土压为原状的天然土体中，土处于静止的弹性平衡状态，这时的土压力为静止土压力，按水土合算原则计算所得土压力 。

（2）推进速度和推力控制

盾构掘进速度控制在20～30mm/min，盾构推力控制在1000KN～1200KN。确保盾构连续掘进、快速通过，减小对地层的扰动。推力过大易造成地面隆起，过小则地面沉降加大，盾构掘进速度亦不易太快，以免同步注浆量不足。

3.2 排土量

排土量控制是盾构在土压平衡工作的关键技术之一。根据对碴土的观察和监测数据，及时调整掘进参数，不能出现出碴量与理论值出入较大的情况。一旦出现，立即分析原因并采取措施。碴土的出土量必须与掘进的挖掘量相匹配，以获得稳定而合适的支撑压力值，使掘进机的工作处于最佳状态。当通过调节螺旋输送机转速仍达不到理想出土状态时，可以通过改良碴土的可塑状态来调整。通过建筑物期间，派专人监控出土量，每环出碴量控制在47.5 m3以内，含水较少时应控制在44～46 m3。

3.3 注浆压力和注浆量

（1）注浆压力

注浆压力略大于该地层位置的静止水土压力，同时避免浆液进入盾构机土仓中。在实际掘进中不断优化，如果注浆压力过大，会导致隆起和管片变形，还易漏浆。一般而言，注浆压力取1. 1～1. 2倍的静止水土压力，最大不超过0. 35MPa。在最初压力设定时，下部每孔压力比上部每孔压力略大0. 05 ～0. 1MPa。这样各点的注浆压力将不同，会保持一定的压差，以达到最佳效果。

（2）注浆量确定

根据刀盘开挖直径和管片外径，可以按下式计算一环管片的注浆量。

根据经验，注浆量取环形间隙理论体积的1. 5～2倍，则每环（ 1.2m ）注浆量Q = 5.02～6.69m3。进入河床底部后，为防止隧道上浮，注浆量根据隧道覆土厚度的变化及时调整。

为保证管片背后间隙的浆液不流失并尽快凝固，应通过调整单液浆配比，尽可能缩短浆液凝固时间、提高结固体强度。

（3）二次注浆

在同步注浆的同时进行二次注浆，确保填充效果。注浆管片位置盾尾后3～4环的位置进行二次补浆，注浆压力不超过0.5MPa，注浆点位以在拱顶点位注浆为原则。

4.渣良技术

如何确保盾构机在富水砂卵石地层中顺利掘进，除控制盾构施工的各项参数外，渣良的成功与否也至关重要，在下穿文峰商厦之前，通过300米的渣良实验，主要包括渣良中改良剂的选择、配比及参量的确定，最终使改良出来的渣土具有良好的流塑性、止水性，并且使地面沉降得到有效的控制。

盾构掘进初期，掘进过程中采用的是国产泡沫剂+水，开始掘进较正常，但是在卵砾石含量较高地段便发现掘进速度越来越缓慢，同时出现盾构机推力大、扭矩大、渣温高等状况，开仓后发现仓内刀盘牛腿呈伞状结饼，刀箱及刀盘开口也结饼，用风镐才能将泥饼清除。

根据土仓内结泥饼的状况我们召开了研讨会，对结泥饼的状况进行了分析，发现现有的渣良方案存在缺陷，泡沫的发泡效果不好，出来的渣土流塑性较差，导致土仓内出现结泥饼的状况，于是对渣良做了改进，改用进口的康达特（CONDAT）泡沫剂，并提高发泡倍率。但掘进一段时间后又出现刀盘扭矩以及总推力过大，出土量不易控制，渣温较高等异常情况。

我们邀请了中铁隧道局、北京城建等国内知名专家到现场进行分析和指导，制定渣良方案。专家认为：导致土仓内结泥饼的主要原因为土仓内的砂卵石沉底，出现泥石分离的状况，使得土仓内的渣土运输通道越来越小，最终导致土仓内结泥饼。要想解决土仓内结泥饼的问题，只有研究出一个新的渣良方案，让砂卵石“漂浮”起来，即让渣土具有更好的流塑性、止水性。

随后采用国产泡沫剂组合高分子聚合物，首先需要通过不同的管路将它们进行高压注射，在注射前按设计的配比将他们混合，成为一定粘度的液体，它与土仓内粉质粘土、砂卵石一起形成一种流塑状十分稳定的混合物，且不会随时间的改变而发生变化。

通过上述改良措施，能够使渣土达到很好的流塑性、止水性，盾构机推力、扭矩、渣温等状况正常，能够实现匀速掘进。

5.房屋加固措施

综合考虑房屋状况、结构基础形式、工程地质条件等因素，盾构隧道通过该段时，除控制盾构掘进的各项施工参数外，还需采取对隧道顶部土体加固的方法，以达到加固隧道顶部土体，减小盾构掘进时引起的地面沉降量，减少对地层的扰动以确保房屋安全。

加固范围为沿隧道线路方向长50m，宽8m，加固深度为隧道拱顶以下0.5m，隧道拱顶以上2.5m，采用袖阀管注浆加固。加固范围如图5所示。

加固采用φ100袖阀管分段注浆加固，注浆孔共布设3排，每排间距2.5m，纵向孔间距2.5m，总体呈梅花形布置，第一排孔位离开墙体1.5m左右，以避免伤及基础并保证注浆效果。注浆浆液为单液浆，水泥采用P42.5#水泥，水灰比1：1，注浆压力0.2～0.3MPa，根据复合地层注浆量计算公式及注浆经验，初步确定注浆量为200kg/m。

6.建立应急反应机制，制定应急预案

6.1 应急反应机制

在盾构下穿文峰商厦前，成立以项目经理为组长，项目部领导班子为主要成员的应急领导小组，并建立应急反应机制，应急反应机制见图6。

6.2 应急预案

（一）建/构筑物变形过大

风险特点

（1）盾构近距离穿越或者下穿建/构筑物（如楼房、桥梁等），引起建/构筑物变形过大。

（2）建/构筑物变形过大引起的严重后果主要有建/构筑物倾斜、建/构筑物开裂，建/构筑物倒塌，威胁建/构筑物内人员财产的安全；

预防措施

（1）施工前先对建/构筑物结构型式、基础型式进行调查，根据需要采取必要的加固措施；

（2）严格控制盾构施工参数，避免对地层扰动过大；

（3）采取合适的地层改良措施，改善土体的流塑性、保持进出土顺畅并有效控制出土量；

（4）确定与开挖地层相适应的同步注浆配比、量和注浆压力，并及时进行二次补浆；

（5）注浆均匀、压力适中，根据推进速度的快慢调整注浆量，做到注浆量与推进速度相适应；

（6）采取措施提高浆液和拌浆的质量，保证浆液的和易性、流塑性、初凝强度等；

（7）保证盾尾钢丝刷密封功能正常；

（8）根据建筑物及周边地面状况，适当布置地面预注浆设施，及时进行地面跟踪注浆；

（9）加强施工监测，切实做到盾构施工信息化管理。

应急措施

（1）对建/构筑物的变形情况加强监控，并迅速将监测数据上报技术负责人和项目负责人；

（2）根据现场监控的建/构筑物变形数据，在分析工程地质资料、水文地质资料和相关设计、施工和设备资料的基础上，由技术负责人召开简短的技术会议确定采取的应急措施（如地面跟踪注浆、二次补浆等）；

（3）根据地面和建/构筑物监测情况，及时调整盾构施工参数，如控制推进速度、土舱压力、同步注浆压力和注浆量、出土量、刀盘扭矩和总推力等；

（4）根据建/构筑物及周边地面变形情况及时调整注浆量、注浆部位、对于沉降大的部位及时进行二次补浆；

（5）损坏的盾尾刷及时更换，或在盾尾内垫棉絮或海绵，对盾尾进行堵漏；

（6）布置地面注浆管，及时进行地面跟踪注浆；

（7）必要时从管片上进行壁后二次注浆；

（8）加强监测频率和提高监测要求。

（二）管线变形过大

风险特点

（1）盾构近距离穿越或者下穿管线，引起管线变形过大；

（2）管线变形过大造成的严重后果主要有管线崩裂、地表塌陷等。

预防措施

（1）施工前先对管线产权、数量、走向、埋深等情况进行详细调查、分析，对有必要进行保护的管线采取暴露，加固等保护措施；

（2）严格控制盾构推进参数，避免对地层扰动过大；

（3）合适的地层改良措施、改善土体的塑流性、保持进出土顺畅并有效控制出土量；

（4）确定与开挖地层相适应的同步注浆配比、量和注浆压力，并及时进行二次补浆；

（5）注浆均匀，压力适中，根据推进速度的快慢调整注浆速率，尽量做到与推进速率相符；

（6）采取措施提高浆液和拌浆的质量，保证浆液的和易性、流塑性和强度；

（7）保证盾尾钢丝刷密封功能正常；

（8）根据管线及周边环境状况，在管线与隧道之间或管线（箱涵）底部基础、采取隔离桩、树根桩等或注浆加固隔断或减小盾构施工对其的影响；

（9）加强施工监测，切实做到盾构施工信息化管理。

应急措施

（1）开挖并暴露管线，并对其进行合理适当的保护；

（2）根据管线监测情况，及时调整盾构施工参数，如控制推进速度、土舱压力、同步注浆压力和注浆量、出土量、刀盘扭矩和总推力等；

（3）根据管线及周边地面变形情况及时调整注浆量、注浆部位，对于沉降大的部位可采用补压浆的措施；

（4）合适的地层改良措施，改善土体的塑流性、保持进出土顺畅并有效控制出土量；

（5）根据管线及周边地面状况，在管线与隧道之间或管线（箱涵）底部基础、采取隔离桩、树根桩等或注浆加固等隔断或减小盾构施工对其的影响；

（6）必要时从管片上进行壁后注浆；

（7）联系管线产权部门，并配合管线产权部门对局部已产生变形，但还不影响周边环境的管线进行修补；

（8）加强施工监测，实施动态信息化施工管理。

7.盾构下穿文峰商厦及监测情况

2012年11月11日，盾构机盾构顺利通过文峰商厦，通过现场监测，地面沉降值（单次最大-9.6mm，累计最大-21mm）、房屋沉降值（单次最大-1.9mm，累计最大-5.6mm），除地面少数点单次沉降超出报警值外，地面累计沉降、房屋沉降单次、累计沉降均控制在报警值以内。且随着时间推移，数据变化趋于稳定。

8.结束语

文峰商厦楼层高、基础弱、年代久远，为本区间盾构施工最大风险源，采用严格控制施工参数、加强渣良、配合地面注浆加固的方法，使盾构下穿过程中未发生任何风险。右线隧道11月20日贯通，隧道稳定性也达到优良的水平，达到了预期效果。

参考文献

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[2]孟繁义.砂卵石地层EPB对条基建筑物影响分析及保护.[J]四川建材，2008-02

[3]陈馈、洪开荣、吴学松.盾构施工技术[M]人民交通出版社，2009