龔學權 唐 聰 陶炳權

(1.四川省冶金地質(zhì)勘查局六〇六大隊，401320，成都；2.四川省鑫冶巖土工程有限公司，405200，成都；3.四川省地創(chuàng)建設工程有限公司，404300，成都//第一作者，高級工程師)

近年來，我國相關學者和工程技術人員針對砂卵石地層盾構施工引發(fā)地表沉降及其控制技術已有不少針對性研究，并取得了一定的研究成果。文獻[1-2]對富水砂卵石地層盾構施工引起的地表沉降原因進行了分析,并提出了針對性的控制技術;文獻[3]對砂卵石地層盾構施工引起的地表滯后沉降進行了細觀研究，提出砂卵石地層的特殊工程地質(zhì)性質(zhì)是滯后沉降形成的根本原因；文獻[4]研究了淺覆土大粒徑無水砂卵石地層盾構施工技術。但是，關于砂卵石地層中盾構多次下穿淺基民房區(qū)的變形控制技術還少有研究報道。本文針對成都地鐵7號線2標盾構隧道施工過程中，因盾構多次穿越淺基民房片區(qū)可能引發(fā)的地面沉降和房屋坍塌問題，進行了針對性研究并提出了相關控制措施。

1 工程概況

成都地鐵7號線2標段工程位于環(huán)線東北角，為府青路站—八里莊站—二仙橋站—成都理工大學站區(qū)間隧道。根據(jù)鉆探結果顯示，施工地層主要為：雜填土(Q4ml)、素填土、黏土(Q3al+pl)、細砂、粉土、泥巖(K2g)等。工程標段區(qū)間隧道主要穿越<3-5-2>中砂、<3-6-2>粗砂、<3-8-3>卵石土層。該地區(qū)地下水主要為孔隙型潛水、基巖裂隙水(賦存在第四系砂卵石地層中)，無承壓水存在。卵石土層結構比較松散，卵石含量高,粒徑大小不均勻，局部有孤石，含水豐富，滲透系數(shù)大，透水性強，水流交替循環(huán)強烈。

根據(jù)設計線路及現(xiàn)場調(diào)查，盾構施工過程中需多次穿越眾多重要建(構)筑物，其中淺基民房達7棟。區(qū)間隧道沿線穿越的主要建(構)筑情況統(tǒng)計如表1所示。

表1 區(qū)間隧道沿線主要建(構)筑物情況

2 工程特點及難點

盾構施工具有廣泛的地層適應性、安全性及快捷性等優(yōu)點，但因水文地質(zhì)和施工環(huán)境復雜多變，盾構隧道開挖會不可避免地對地層產(chǎn)生擾動，最終對地面建構(筑)物產(chǎn)生影響[5-7]。本工程區(qū)間隧道盾構需多次正穿、側(cè)穿眾多重要建(構)筑物，復雜的周邊環(huán)境對盾構推進安全提出了更為嚴格的要求。在盾構掘進過程中,如何有效地控制地表沉降，防止地面、建(構)筑物坍塌，并對技術措施和管理措施進行總結和調(diào)整，已成為盾構施工中需要解決的難點之一。

成都地鐵7號線2標段隧道工程沿線穿越砂卵石特殊地層(夾雜有粉細砂層)，地下水豐富、水位高、補給迅速，盾構施工難度大，目前尚無較好的經(jīng)驗可以借鑒，也無相應的標準規(guī)范。

鑒于成都地鐵7號線2標段八里莊站—二仙橋站區(qū)間隧道工程特點，需要解決的難點是通過對盾構施工過程中的土倉壓力、刀盤扭矩與轉(zhuǎn)速、地表沉降等關鍵參數(shù)的分析，研究并提出適合成都砂卵石地層盾構安全穿越建(構)筑物的掘進關鍵技術，以降低盾構穿越建(構)筑物所產(chǎn)生的安全風險,以及對刀盤刀具和螺旋輸送機的磨損，防止螺旋輸送機出現(xiàn)涌水等問題。

3 盾構下穿建筑物關鍵技術

3.1 盾構下穿建筑物加固技術

3.1.1 難點分析

由于成都砂卵石地層卵石含量大、強度高，且地下水滲透系數(shù)大、流動性強，不適用攪拌樁和旋噴樁進行加固，故多采用袖閥管注水泥漿加固[8-10]。本文以八里莊站—二仙橋站區(qū)間高富水砂卵石地層盾構下穿二仙橋西路5號淺基礎舊居民房為對象進行分析。舊民房與盾構隧道平面和立面關系如圖1所示。

a)平面關系示意圖

b)立面關系示意圖圖1 舊民房與盾構隧道的相對位置關系

圖1中的7層磚混結構建筑物位于二仙橋西路5號，建成于1995年，長41.5 m，寬21.0 m，建筑面積3 064.46 m2,建筑物基礎結構形式為獨立柱基。成都地鐵7號線盾構隧道下穿該建筑物?，F(xiàn)場檢查過程中發(fā)現(xiàn)，該房屋上部主體結構存在一定缺陷，詳細情況如表2所示。

3.1.2 加固措施

盾構下穿淺基民房片區(qū)過程中，為了防止房屋產(chǎn)生不均勻沉降及傾斜，經(jīng)研究決定采用隧洞內(nèi)加固為主、隧洞外加固為輔的技術措施。

表2 現(xiàn)場建筑結構缺陷情況

3.1.2.1 洞外注漿

在盾構通過建筑物前，應與相關產(chǎn)權單位做好充分溝通。進場后，先進行現(xiàn)場管線調(diào)查，再進行注漿孔位測量放線，進而確定基礎位置及打孔角度和深度。從房屋基礎側(cè)斜向注漿，注漿影響范圍覆蓋二仙橋石油社區(qū)大樓基礎。斜向注漿具體參數(shù)要求如下： ①第1排注漿管距房屋邊線50 cm，與豎向夾角為17.5°，鉆孔深度為7.3 m，基礎底部4 m范圍均進行加固； ②第2排注漿管距房屋邊線100 cm，與豎向夾角24.0°，鉆孔深度為7.3 m，基礎底部4 m范圍均進行加固。對于不能采用地面注漿加固的部位，則采用隧道內(nèi)多孔注漿、加強型管片加強注漿等方式進行加固。地面加固平面范圍如圖2所示。

圖2 地面加固平面范圍圖

袖閥管深孔注漿注意事項：首次注漿范圍為基礎底部以下4 m，袖閥管水平間距d=1.5～2.0 m布置，遇到地下管線干擾時可適當加大。沿建筑物兩側(cè)布置兩排，排間距D=0.5 m，袖閥注漿管與水平面傾角按建筑物基礎與隧道間關系靈活布設，向建筑物斜下方打設。漿液的水灰比1∶1，注漿壓力0.3～0.5 MPa，注漿速度30～40 L/min，注漿次數(shù)2～3次,反復注漿，采用少量多次的注漿方式進行注漿加固。注漿結束后清洗管路，保留注漿口，留待盾構通過時再次注漿。本次盾構穿越二仙橋石油社區(qū)共成功打設148個孔，基礎加固注漿共506 t，給盾構安全順利下穿二仙橋石油社區(qū)提供了有效的保障措施。

3.1.2.2 隧道洞內(nèi)注漿

盾構在富水砂卵石地層中下穿淺基民房的洞內(nèi)注漿包括盾構掘進時的同步注漿及盾構穿越后的二次深孔注漿[11-12]。

(1)同步注漿： ①最佳注漿壓力為320～420 kPa，實際盾構注漿壓力約為0.3～0.4 MPa；②富水砂卵石地層中,注漿量一般每環(huán)為6～8 m3； ③采用“納米改性塑性轉(zhuǎn)向劑”優(yōu)化同步注漿漿液。根據(jù)本工程盾構隧道砂卵石地層特點，對同步注漿漿液性能進行改良優(yōu)化，在現(xiàn)場實際施工中達到了很好的應用效果。注漿液的主要配比參數(shù)如表3所示，配比稠度為(12±1)%，初凝時間為6～8 h。優(yōu)化后的同步注漿漿液性能得到較大提升，主要體現(xiàn)為：高密度、充填性良好；體積收縮率低；漿液不分層、不離析；良好的固性，不易流失；良好的流動性。

表3 優(yōu)化后盾構推進同步注漿材料及配比

(2)二次深孔注漿需要從以下3個方面進行控制： ①注漿管加工采用φ32 mm×3.5 mm的鋼花管，長度不小于2.0 m(其長度根據(jù)實際情況而定)，鋼花管設φ4 mm泄?jié){孔，孔間距10～15 cm,呈梅花形布置的溢漿孔； ②鉆孔采用隧道頂部開直孔，開孔位置避開封頂塊和拼接縫，在鄰接塊吊裝孔位置每環(huán)管片開一個孔，兩孔之間距離不得小于3 m，孔內(nèi)插入φ32 mm的鋼花管； ③鋼花管與二次注漿設備連接，采用雙液漿進行注漿，隧道內(nèi)采用二次深孔注漿,對隧道上方房屋一定范圍內(nèi)的地層進行壓密注漿加固。

3.2 盾構掘進參數(shù)控制

3.2.1 掘進參數(shù)取值

3.2.1.1 土壓力參數(shù)

通過前期100 m試掘進，在確保地面建筑物安全的條件下，適當調(diào)高土倉壓力，最后確定下穿建(構)筑物過程中的土倉壓力參考值為： ①盾構始發(fā)段100 m(隧道埋深約10.0～11.5 m，卵石土層)，參考土倉壓力值為0.08～0.10 MPa；②二仙橋石油社區(qū)(隧道埋深約11.5～13.0 m，卵石土層)，參考土倉壓力值為0.10～0.11 MPa。

3.2.1.2 刀盤轉(zhuǎn)速、推進速度及推力

保持盾構土倉壓力相對平衡情況下進行盾構掘進參數(shù)的選取與動態(tài)調(diào)整。為減小盾構下穿期間的房屋變形，建立了試掘進參數(shù)數(shù)據(jù)庫，并對參數(shù)進行統(tǒng)計分析和優(yōu)化。盾構下穿二仙橋石油社區(qū)時采用的試掘進參數(shù)設置如下：盾構掘進速度40 mm/min左右，盾構總推力控制在16 000～18 000 kN，刀盤轉(zhuǎn)速控制在1.2～1.3 r/min，扭矩控制在4 000 kN·m以下。

3.2.1.3 同步注漿和二次注漿

同步注漿與二次注漿是減少與防止因隧道掘進而引起地表沉降的關鍵措施。

(1)同步注漿。砂卵石由于地下水豐富，存在流動性,管片拱頂漿液難以填充密實，且注漿管道極易造成漿液堵塞現(xiàn)象。為確保管片注漿的飽滿，在進行盾構掘進設計時，對盾構同步注漿系統(tǒng)在原成都地鐵盾構注漿管路的基礎上進行優(yōu)化。優(yōu)化前后對比情況如圖3所示。由于漿液是從盾尾4個注漿孔注入地層，因此上部注漿孔壓力比下部約小0.05 MPa。根據(jù)地質(zhì)及隧道埋深情況確定的同步注漿壓力為0.3～0.4 MPa，每環(huán)同步注漿量為6～8 m3。為確保安全，盾構穿越二仙橋石油社區(qū)建筑物基礎時實際注漿量均大于6 m3，對于注漿壓力未達到設定值的區(qū)段，進行二次補充注漿。

(2)二次注漿。二次注漿在盾構脫出4～6環(huán)后即開始實施，對房屋基礎下部隧頂120°范圍內(nèi)的土體進行注漿加固。

3.2.2 實際掘進參數(shù)控制

以八里莊站—二仙橋站區(qū)間隧道右線掘進100 m為研究對象，對盾構施工的各項主要技術參數(shù)進行統(tǒng)計與分析，為富水砂卵石層盾構施工提供參考依據(jù)。

a)優(yōu)化前(4孔注漿4孔備用)

b)優(yōu)化后(4孔注漿6孔備用)圖3 優(yōu)化前后盾構同步注漿管布置圖

(1)土壓力參數(shù)選擇與控制：盾構下穿淺基礎舊民房區(qū)時,盾構司機手動進行土壓控制，使土倉壓力保持在1.0～1.1 MPa。

(2)推進速度、推力及刀盤等參數(shù)控制：盾構下穿淺基礎舊民房區(qū)時,保持均速通過，掘進速度40 mm/min，刀盤轉(zhuǎn)速1.2～1.3 r/min。穿越過程中需減少刀盤左右旋轉(zhuǎn)調(diào)整次數(shù)，且刀盤扭矩需控制在4 000 kN·m以下，總推力控制在16 000～18 000 kN。

(3)出土量控制：盾構下穿淺基礎舊民房區(qū)時,采用出土量和出土質(zhì)量雙控措施，把出土量始終控制在56 m3，出土質(zhì)量控制在101 t，以確保地層穩(wěn)定。

(4)管片加強：根據(jù)設計要求，盾構下穿淺基礎舊民房區(qū)時，采用增設注漿孔的加強型管片。在提高隧道襯砌承載力的同時，便于隧道內(nèi)進行加密二次注漿。

(5)同步注漿和二次注漿：同步注漿漿液采用改良后的漿液，該注漿漿液在現(xiàn)場實際施工中體現(xiàn)出很好的效果，可確保地層穩(wěn)定。在管片頂部120°范圍內(nèi)進行加密注漿，雙液漿凝結時間控制在60 s左右，對管片外圍進行封堵，確保注漿效果。

3.3 砂卵石層中滯后沉降控制

根據(jù)成都地區(qū)以往工程實例，由于砂卵石具有黏聚力小、摩擦角大的特點，在盾構穿越后易形成拱效應，因此在盾構穿越后需及時進行二次補償注漿。本工程所有危險源均處于隧道穿越全斷面或上半斷面卵石層后，所以為有效防止后期沉降，需盡快使擾動的土體固結。除二次注漿外，還需在隧道內(nèi)通過管片吊裝孔及增設注漿孔進行二次深孔注漿。注漿區(qū)域位于隧道穿越建(構)筑物前后3個環(huán)范圍內(nèi)。二次深孔注漿采用φ32 mm×3.5 mm的鋼花管，打入隧道壁的長度不小于2 m(可根據(jù)實際情況而定)。

對增設注漿孔的加強型管片進行加密注漿，尤其是盾尾后4環(huán)處應及時進行二次注漿，漿液配比為：水∶水泥∶水玻璃=1∶1∶0.3，試驗凝結速度為60 s，注漿壓力為0.3～0.5 MPa。

3.4 分階段封閉成環(huán)技術

盾構推進至淺基民房時，在加大同步注漿的同時需對盾尾進行分階段二次注漿封閉。

(1)盾構穿越前的掘進通道封閉。在盾構刀盤即將下穿老舊居民區(qū)時，扣除盾構身長度(9 m)，在盾尾后20環(huán)采用單液漿先進行全環(huán)封閉，水泥漿液水灰比為1∶1，注入量為每環(huán)2～3 m3，隔3環(huán)注1環(huán)，以確保盾構掘進段后漿液損失的補充。

(2)盾構穿越期間保持土層穩(wěn)定。對加強型管片進行加密注漿(參數(shù)同上)，注入量為每環(huán)2 m3，隔1～2環(huán)注1環(huán)。雙液漿具有凝結快的特點，可及時穩(wěn)定盾尾管片，確保地層穩(wěn)定。

(3)補充注漿。在盾尾通過后15環(huán)及居民樓基礎范圍內(nèi)，在臺車上用單液漿再進行二次補充注漿，水泥漿液水灰比為1∶1，注入量為每環(huán)2～3 m3，隔3環(huán)注1環(huán)，以確保居民樓基礎下方漿液飽滿。

工程實踐證明，通過采用分階段注漿措施，可有效控制地表沉降，確保了地面建(構)筑物的安全。

3.5 建筑物變形監(jiān)控量測

(1) 建筑物的安全控制標準。根據(jù)設計及規(guī)范要求，二仙橋石油社區(qū)建筑物獨立柱基礎的沉降控制值要求在15 mm范圍內(nèi)。

(2) 現(xiàn)場監(jiān)測結果分析。盾構隧道右線在下穿二仙橋石油社區(qū)建筑物基礎前，在建筑物上布設相應的監(jiān)測點位，其對應盾構隧道管片環(huán)號為70～120環(huán)。

對建筑物沉降監(jiān)測點在盾構穿越前后的沉降數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，沉降時態(tài)曲線如圖4所示。

a)監(jiān)測點JZ6-31—JZ6-42沉降曲線

b)監(jiān)測點JZ7-43—JZ7-54沉降曲線圖4 建筑物沉降時態(tài)曲線

由圖4可以看出：采取相應控制措施后，盾構穿越對舊居民房沉降影響很小，其中監(jiān)測點JZ7-54沉降值最大(-2.2 mm)，盾構穿越后基本穩(wěn)定在2 mm左右，均在控制目標范圍內(nèi)。

4 結語

由成都地鐵7號線2標段盾構施工實際情況可知，通過采取相應的工程技術措施可有效減小盾構施工對淺基建筑物的影響。針對今后類似盾構隧道工程，提出以下建議。

(1)對掘進后期可能存在的地下空洞應及時開展探索、預防和補償注漿措施研究。施工中應加強掘進出土的監(jiān)測和信息化施工管理，及時根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)探查因出土量和土壓不同帶來的地下空洞，并根據(jù)探查結果采取適當?shù)难a償措施。

(2)同一平面上，沉降監(jiān)測點設置在建筑物上比設置在地面上效果要好很多，不僅能反映現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)的真實性，而且有利于對建筑物的沉降作進一步的分析。

(3)對建筑物的變形量數(shù)據(jù)應進行匯總和統(tǒng)計分析，以便準確掌握盾構穿越前后建筑物的變形情況，為后續(xù)施工提供參考依據(jù)。