侯顯超

（中國交建軌道交通分公司,北京 100088）

0 引言

線路曲線半徑小等于350 m一般被稱為小半徑，小半徑曲線盾構掘進施工存在軸線難以控制、地層損失大、對土體擾動大等困難，易直接引起地表變化，而在此基礎上還要下穿密集老舊房屋建筑物群，施工難度可想而知。施工掘進控制不當，輕則地表沉降超限，房屋開裂，重則房屋傾斜、破損，被迫拆遷[1]。因此，下穿密集老舊房屋時如何做到將地表沉降、房屋差異沉降控制在允許范圍內，從而保證房屋結構安全，是盾構施工的關鍵。該文從下穿施工準備、關鍵施工技術及主要控制措施等方面進行論述、總結[2]。

1 工程概況

1.1 工程簡介

東江道站—學苑北路站區(qū)間為單洞單線隧道，左右線各一條盾構隧道，采用2臺復合式土壓平衡盾構機從學苑北路站始發(fā)，到東江道站接收。隧道外徑6 200 mm，內徑5 500 mm，管片厚度為350 mm，區(qū)間長1 324.536 m，區(qū)間左右線平行布置，線間距12.4～15 m，最小平面曲線半徑350 m，“V”字形縱坡，最大坡度25.17‰，隧道結構頂部覆土約9.3～19.9 m，線路平面位置如圖1所示。

圖1 東江道站—學苑北路站區(qū)間平面圖

1.2 區(qū)間地質情況

該段區(qū)間穿越地層主要為⑥1粉質黏土、⑥3黏質粉土、⑥4粉質黏土、⑥34粉砂、⑦1粉質黏土、⑧1粉質黏土、⑧11黏土、⑨1粉質黏土、⑨2黏質粉土、⑨13黏質粉土、⑨14粉砂、⑨24粉砂。

1.3 區(qū)間水文情況

該場地淺層地下水類型主要為第四系孔隙潛水，賦存于Ⅱ陸相層及以下的粉土、砂層的地下水具承壓性，為承壓水。隧道主要位于潛水層及第一承壓水層。

1.4 區(qū)間下穿、側穿建筑物情況

東學區(qū)間下穿、側穿建筑物皆為20世紀80年代老舊磚混房屋，具體情況如表1所示。

表1 下穿、側穿房屋情況統(tǒng)計

2 施工準備

（1）成立含建設、設計、監(jiān)理、施工、勘察、監(jiān)測及專家在內的盾構穿越房屋安全保障小組，小組下設7個小隊，為下穿施工提供試驗、掘進、注漿、技術、監(jiān)測、物資供應及搶險應急保障。

（2）提前研判區(qū)間盾構掘進施工重難點，重視盾構機選型，加強配置，如：配置/使用仿形刀、徑向注漿孔、兩道閘門可伸縮螺旋機、主動鉸接、同步注漿管道（4主4備）、盾尾密封單孔單泵等。

（3）逐層培訓、交底，從上到下，層層提升盾構施工技術及管理水平。

（4）逐一核實、確認勘探孔封堵狀況，如有異常提前封堵、加固。

（5）施工前聘請專業(yè)房屋鑒定單位對房屋外觀、結構形式、基礎類型、樓房公共區(qū)現(xiàn)狀及建筑物傾斜度進行實地統(tǒng)計，并形成房屋現(xiàn)狀調查報告，為后續(xù)建筑物變化情況提供對比依據(jù)。

（6）下穿前設置100 m長試驗段，總結盾構施工參數(shù)、土壓變化的規(guī)律、沉降影響的實際范圍，控制好盾構軸線、注漿壓力對地面變形的影響，同時磨合好盾構機的各項性能。

3 關鍵施工技術

3.1 小半徑曲線掘進

（1）利用主動交接，預先設定弧線態(tài)勢。在盾構將進入緩和曲線段處，調節(jié)鉸接角度，使其水平張角逐漸調節(jié)到設計鉸接角度，以符合隧道軸線要求的曲率半徑[3]。隨后在圓曲線隧道掘進過程中將基本保持這個水平張角，直至走完整個曲線段。

（2）采用超挖刀在曲線內側位置進行超挖，有利于糾偏。該區(qū)間盾構機刀盤上配備2把超挖刀，以用于曲線段掘進時對曲線內側位置進行超挖，以有利于糾偏。

（3）盾構沿曲線內側（割線方向）掘進，使得軸線留有預偏量。由于受水平分力影響，隧道易向曲線外側平移，因此盾構機在進入曲線段之前，應將盾構水平姿態(tài)調整至曲線內側20～30 mm，使盾構沿曲線內側（割線方向）掘進，便于盾構水平姿態(tài)糾偏。

（4）勤測勤糾，精確控制盾構方向。小半徑曲線段掘進過程中，加大對盾構姿態(tài)及管片姿態(tài)的復測頻率，確保當前的姿態(tài)準確無誤，同時對比左右側千斤頂?shù)男谐滩钍欠襁_設計要求，以便及時調整左右側的壓力差。

3.2 下穿房屋主要施工參數(shù)的設定

（1）土倉壓力。盾構掘進施工土壓控制尤為重要，土壓過大地表則會直接隆起，反之沉降明顯。根據(jù)大量類似經(jīng)驗計算，淺埋隧道盾構機土倉壓力的計算主要考慮土層壓力、地下水壓和附加荷載（預備壓力），其中土層壓力取靜止側向土壓力。以本區(qū)間下穿6層磚混房屋為例，其覆土厚度為18.7 m，本段地下水靜止水位埋深0.90～2.20 m，此處盾構機理論土倉壓力P的計算公式如下：

P（土倉壓力）=p1（靜止側向土壓力）+p2（地下水壓力）+p3（房屋附加荷載）=1.78+0.172+0.5=2.452 bar

p1（靜止側向土壓力）=K0h1r1= 0.5×18.7×1 900×10-4=1.78（kg/cm2）=1.78 bar

K0：靜止土壓力系數(shù)，砂一般取值0.35～0.45，粘土一般取值0.5～0.7，這里取0.5；

h1：區(qū)間覆土厚度，此處為18.7 m；

r1：土的天然容重(密度），一般為1.60～2.20 g/cm3，這里取1.9 g/cm3；

p2（地下水壓力）=qh2r2= 0.1×（18.7-1.5）×1000×10-4=0.172（kg/cm2）=0.172 bar

q：土層滲透系數(shù)，此處粘土滲透系數(shù)一般取值0.1；

h2：地下水位距刀盤頂部距離，此處隧道頂部埋深18.7 m，靜水位埋深取1.5 m，則此處地下水距刀盤距離為18.7-1.5=17.2 m；

r2：水的天然容重(密度）為1 g/cm3；

p3（房屋附加荷載）:依據(jù)經(jīng)驗，一般多層樓房每層荷載為0.15～0.2 bar，共計6層，總荷載按1 bar考慮，根據(jù)上面靜止側向土壓力計算公式，則此處房屋附加的側向靜止土壓力為0.5×1=0.5 bar。

由以上公式可知，計算參數(shù)多為半經(jīng)驗數(shù)值，且多為范圍值，計算結果存在差異，因此具體土倉壓力的設定還需根據(jù)試驗結合沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)綜合確定，該文這里只供參考。

（2）渣土改良。渣土改良在盾構掘進施工中一直扮演著很重要的角色，如若效果不好，則會直接出現(xiàn)掘進速度減緩、推力增大、扭矩變小等不良現(xiàn)象。盾構施工常用渣土改良方法有向刀盤、土倉及螺旋輸送機添加水、泡沫溶液或膨潤土泥漿以及聚合物等。該區(qū)間主要使用泡沫劑改良，經(jīng)統(tǒng)計平均每環(huán)管片（環(huán)寬1.5 m）泡沫劑用量25 L。具體用量可參考下列配比：

泡沫劑溶液：一般泡沫原液1.5%～7.5%，水92.5%～98.5%。

FER發(fā)泡率：一般壓縮空氣86%～94%，泡沫溶液6%～14%。

FIR注入率（泡沫劑溶液注入量與出渣量的比值）：地質不同注入率則不同，根據(jù)目前經(jīng)驗，砂性土30%～50%，砂、礫石性土25%～35%，砂、黏土混合25%～30%，硬黏土20%～35%，軟黏土50%～70%。

以上皆為經(jīng)驗配比，實際用量還應根據(jù)渣土成分、出土狀況、施工成本等綜合因素考慮。天津地區(qū)盾構穿越地層多以黏性土、砂性土為主，中低壓縮性，工程性質較好，對渣土改良效果依附不高，如換成成都、廣州砂卵石、粉砂巖地層則對渣土改良要求較高。

（3）出土量控制。出土量控制是盾構掘進的根本，是控制地層缺失率的最直接、最有效手段。出土量控制必須以渣土體積控制為主，重量復核為輔。

環(huán)寬1.5 m管片根據(jù)計算每環(huán)出土量控制在57.7～58.8 m3，上下偏差最大不應超過1 m3。該區(qū)間以58.8 m3為標準，每車出土量（18 m3）須與相應的推進距離及時對比復核。如每環(huán)渣土量超過基準值的2%以上，則立刻上報值班領導，由項目部組織專題分析，采取有效措施后方可連續(xù)掘進。

（4）同步注漿。同步注漿是對剛拖出盾尾管片背后進行最直接、最有效的密實填充，填充的質量很快會在地表監(jiān)測變化中得到驗證。填充材料采用水泥砂漿，為縮短同步漿液初凝時間、調整漿液泌水率，進而將膠凝時間控制在6 h以內。該區(qū)間經(jīng)反復試配、試驗，并結合地表監(jiān)測數(shù)據(jù)，最終確定下穿房屋同步漿液配合比如表2所示。

表2 同步漿液配比表

經(jīng)計算理論注漿量為：1.5×π(R2-r2)=3.87 m3（刀盤開挖直徑6.46 m，半徑R為3.23 m；管片外徑6.2 m，半徑r為3.1 m），注漿壓力保持在0.3～0.5 MPa，本區(qū)間根據(jù)注漿壓力、注漿量雙重指標控制，實際注漿量多為6.5～7.8 m3，為理論值的170%～200%，根據(jù)現(xiàn)場實際監(jiān)測結果，下穿房屋期間同步注漿7 m3/環(huán)對地表沉降控制較為有利。

（5）二次注漿。在下穿房屋過程中，二次注漿對限制地表工后沉降非常重要，因此將二次注漿作為盾構下穿房屋推進過程中的常態(tài)化工序非常有必要，二次注漿漿液多采用單液漿和雙液漿。

該區(qū)間下穿房屋過程中，為將地表沉降反應時間控制在最短、沉降變化控制在最小，自制緊跟盾尾二次注漿操作平臺（詳見圖2），拖出盾尾3～4環(huán)的管片就能及早進行二次注漿填充，注漿壓力按0.3～0.45 MPa控制，平均每環(huán)二次漿液注入量為0.8～1 m3（雙液漿），使得盾構穿越后的地表工后沉降得到了很好的控制。具體雙液漿配比如下：

圖2 緊跟盾尾二次注漿操作平臺（掘進與二次注漿可同步進行）

水玻璃漿液=水∶水玻璃（體積比3∶1）。

水泥漿液水灰比為1∶1。

雙液漿=水泥漿液∶水玻璃漿液（體積比1∶1）。

（6）其他掘進參數(shù)。綜合100 m試驗總結的掘進參數(shù)，并結合實際地質條件、盾構覆土埋深及設備狀況，下穿房屋時盾構機推力設定為10 000～13 000 kN，盾構機刀盤扭矩1 800～ 2 200 kN·m，推進速度為30～35 mm/min。

4 主要控制措施

4.1 監(jiān)控測量與全天不間斷現(xiàn)場巡視相結合

由于下穿房屋過于重要，每2 h對盾構刀盤前后50 m范圍內所有監(jiān)測點位測量一遍，現(xiàn)場出具快捷監(jiān)測數(shù)據(jù)結果，同時安排固定人員全天24小時不間斷對盾構機掘進前后范圍地表及建筑物進行巡視、觀察，有效地將盾構施工對環(huán)境所產(chǎn)生的影響第一時間進行反饋，為施工掘進參數(shù)的優(yōu)化調整提供了高效的指導。

4.2 信息化監(jiān)控盾構姿態(tài)

利用信息化監(jiān)控手段，搭建盾構機動態(tài)實時監(jiān)控平臺，對盾構機的掘進姿態(tài)及參數(shù)進行動態(tài)監(jiān)控，盾構掘進姿態(tài)超過設定限值后，監(jiān)控系統(tǒng)第一時間發(fā)布姿態(tài)預警信息，促進做好勤糾、緩糾和動態(tài)糾偏。

4.3 重視渣樣分析

盾構下穿房屋期間，每隔3～5環(huán)就對渣土進行采樣分析，核定渣土含砂率及土質占比，并與地勘資料相比對，如若偏差較大，據(jù)此及時調整各項掘進參數(shù)。

4.4 做好盾構機維保

平穩(wěn)、勻速、不間斷的盾構掘進，對施工工效、施工成本及施工安全都非常重要。因此要確保推進系統(tǒng)完好、注漿系統(tǒng)暢通、盾尾密封良好、各類顯示系統(tǒng)正常，就要不間斷地做好盾構機維保，降低機械故障率。

5 結束語

通過以上技術和措施的綜合應用，加上全體施工人員嚴謹、認真的工作態(tài)度和不畏艱辛的付出，單線1 324 m的區(qū)間掘進任務歷時130余天順利完成。沿線地表、建筑物的各項監(jiān)測數(shù)據(jù)累計變化皆在允許范圍內，小半徑曲線盾構下穿老舊房屋群的難題也得以解決。