周雷

(中鐵十六局集團(tuán)地鐵工程有限公司，北京市 100124)

盾構(gòu)法穿越建筑物掘進(jìn)技術(shù)

周雷

(中鐵十六局集團(tuán)地鐵工程有限公司，北京市 100124)

以長沙地鐵1號線一期工程下穿建筑物施工為實(shí)例，介紹盾構(gòu)隧道下穿建筑物時(shí)控制地層沉降的主要措施及掘進(jìn)參數(shù)的控制。

盾構(gòu)法;建筑物;參數(shù)控制;地層沉降

0 引言

長沙地鐵1號線一期工程南門口站至侯家塘站區(qū)間為盾構(gòu)區(qū)間，下穿勞動(dòng)路南側(cè)中意電器家屬樓和南區(qū)政府家屬樓。該建筑物修建于20世紀(jì)80年代，結(jié)構(gòu)多處開裂。下面介紹盾構(gòu)機(jī)穿越該建筑物過程中的參數(shù)控制要點(diǎn)。

1 工程概況

1.1 盾構(gòu)機(jī)概況

從環(huán)境條件、施工條件、施工設(shè)備費(fèi)用等多方面進(jìn)行比較，選用土壓平衡鉸接式盾構(gòu)機(jī)，刀盤直接6.28 m，盾構(gòu)管片1.5 m一環(huán)。針對不同切削要求(包括不同地質(zhì)要求)設(shè)置了8把17′單刃中心滾刀，31把17′單刃滾刀，40把切刀，32把邊緣刮刀，14把貝殼刀和1把超挖刀，其中滾刀和齒刀的刀座形式相同，根據(jù)不同的地質(zhì)類型兩種刀具可以切換。刀盤開口形式為對稱的8個(gè)長條孔，刀盤的開口率為37%。

1.2 區(qū)間及建筑物概況

南門口站-侯家塘站區(qū)間右線，盾構(gòu)平行下穿5層中意電器家屬樓。該建筑物建于20世紀(jì)80年代初，結(jié)構(gòu)形式為5層磚混結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)類型為人工磚砌樁基礎(chǔ)，深度為入巖0.5 m，區(qū)間右線隧道進(jìn)入建筑物，距離樁底垂直距離4.64 m，盾構(gòu)覆土14.7 m。房屋與隧道平面及縱剖面關(guān)系見圖1、圖2。

現(xiàn)場踏勘發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)多處出現(xiàn)裂縫，原有混凝土碳化嚴(yán)重，部分有露筋現(xiàn)象，經(jīng)過長沙城科檢測有限公司對房屋評估，房屋安全性能鑒定為Bu級。

由于隧道下穿結(jié)構(gòu)物，地面加固空間狹小，加固難度較大，無法實(shí)施地面加固，只能通過盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)及監(jiān)控量測的反饋意見來控制建筑物的變形及地面沉降。

圖1 中意電器家屬樓與區(qū)間隧道平面示意圖

圖2 中意電器家屬樓與盾構(gòu)隧道剖面示意圖

1.3 工程地質(zhì)

根據(jù)地質(zhì)資料，本區(qū)域自上而下地質(zhì)情況描述如下:

通過危房區(qū)間盾構(gòu)機(jī)主要穿越＜7-2-2＞泥質(zhì)粉砂巖(Ks)和＜7-3-3＞ 礫巖(Ks)，上部為＜1-2-1＞雜填土、＜3-1＞粉質(zhì)黏土、＜3-9＞卵石、＜5-1＞粉質(zhì)黏土。＜7-2-2＞泥質(zhì)粉砂巖(Ks):成巖風(fēng)化嚴(yán)重，巖石結(jié)構(gòu)大部分遭到破壞，巖石結(jié)構(gòu)清晰，但遇水易軟化，屬極軟巖，巖體基本質(zhì)量等級為Ⅴ類，頂面埋藏深度5.60～16.40 m。＜7-3-3＞ 礫巖(Ks):礫狀、角礫狀結(jié)構(gòu)，泥質(zhì)、鈣質(zhì)膠結(jié)，巖屑成分主要為砂質(zhì)、硅質(zhì)或灰質(zhì)，礫石呈棱角狀，粒徑2.0～4.0 cm，節(jié)理裂隙發(fā)育，屬軟巖，但巖芯完整呈柱狀，遇水易軟化，巖體基本質(zhì)量等級為Ⅳ類，頂面埋藏深度8.40～37.40 m。地質(zhì)條件相對較好。

1.4 水文地質(zhì)

(1)地表水

區(qū)間線路位于城市中心地段，距湘江最近約0.44 km，地貌單元屬湘江Ⅱ～Ⅲ級階地，地表水對隧道施工影響較小。

(2)地下水

區(qū)間地下水類型主要為第四系孔隙潛水及基巖裂隙水。第四系孔隙潛水含水層頂面埋深介于地表下10.20～14.50 m，地下水具有弱承壓性，水量較豐富，常年水位變化幅度8～12 m，根據(jù)現(xiàn)場抽水試驗(yàn)結(jié)果，砂卵層的抽水試驗(yàn)滲透系數(shù)7.47～19.46 m/d，屬中等～強(qiáng)透水性地層。

2 施工監(jiān)測點(diǎn)的布置

根據(jù)調(diào)查的實(shí)際情況，優(yōu)化設(shè)計(jì)要求的參數(shù)指標(biāo)，提高保護(hù)等級，設(shè)定地表沉降控制指標(biāo)為-20 mm，沉降變形預(yù)警值為-10 mm。適當(dāng)減小出渣量，防止土層損失和對地面沉降造成的影響。

2.1 地表沉降監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)

沿隧道方向每5 m布設(shè)一個(gè)斷面，每個(gè)斷面埋設(shè)10個(gè)地表沉降點(diǎn)。

2.2 建筑物沉降點(diǎn)布設(shè)

在建筑物四角的基礎(chǔ)上布設(shè)沉降監(jiān)測點(diǎn)，在結(jié)構(gòu)柱上布設(shè)沉降監(jiān)測點(diǎn)。監(jiān)測點(diǎn)布置見圖3。

圖3 建筑物沉降監(jiān)測點(diǎn)布置圖(單位:m)

2.3 水位監(jiān)測孔布設(shè)

由于地下水豐富，地下水位變化對建筑物影響也相當(dāng)大，因此在建筑物旁左右線之間打設(shè)4個(gè)水位監(jiān)測孔S2～S5，每個(gè)孔間距14.5 m監(jiān)測水位變化。

2.4 巡視安排

(1)使用鉛垂安裝在建筑物四角的結(jié)構(gòu)柱上，對建筑物的豎直度進(jìn)行監(jiān)測。

(2)安排專人對建筑物及附近地面進(jìn)行巡視。

(3)提前50 m對建筑物及地表情況進(jìn)行巡視，巡視小組24 h輪流巡視，并做好巡視記錄，每日對沉降情況進(jìn)行通報(bào)，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)匯報(bào)。

2.5 監(jiān)測頻率

在刀盤到達(dá)建筑物前20 m每天監(jiān)測1～2次，下穿建筑物時(shí)實(shí)行24 h監(jiān)控，盾構(gòu)通過后50 m每周監(jiān)測一次。

3 控制地層沉降的主要措施

盾構(gòu)隧道下穿建筑物施工過程中，主要根據(jù)“勻速通過、嚴(yán)注漿、勤測量、二次注漿跟進(jìn)”來控制建筑物的變形。

隧道內(nèi)的盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)過程中需控制好姿態(tài)，盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)變化應(yīng)在允許范圍內(nèi)，糾偏幅度不宜過大，保證管片能夠順利脫出盾尾，保持盾構(gòu)機(jī)平穩(wěn)推進(jìn)，避免掘進(jìn)過程中對周圍土體擾動(dòng)過大從而引起超挖，控制地面沉降。

3.1 勻速通過

作業(yè)人員要做好出渣情況記錄，控制好出渣量，根據(jù)地層情況正確選擇掘進(jìn)參數(shù)，力求“平穩(wěn)、勻速推進(jìn)、低扭矩、頂住正面、調(diào)整壓力、封住盾尾”，盾構(gòu)司機(jī)要控制好刀盤扭矩、推進(jìn)速度、泡沫參數(shù)、渣土情況等在合理范圍內(nèi)。做好各單位間的協(xié)調(diào)配合，減少故障，從而避免發(fā)生意外造成停機(jī)，縮短圍巖的暴露時(shí)間和變形。圓形土壓平衡盾構(gòu)機(jī)理論排土體積V為:V=π/4·r2·L(式中:r為開挖直徑，L為推進(jìn)長度)。我部采用盾構(gòu)機(jī)為6.28 m開挖直徑，理論出土量為46.5 m3。取松散系數(shù)為1.3，虛方量為60.5 m3，盾構(gòu)掘進(jìn)速度控制在20～30 mm/min，最快不大于40 mm/min。土艙上部壓力控制在0.08～0.12 MPa，以保證前方土體穩(wěn)定，達(dá)到土壓平衡的狀態(tài)。

3.2 嚴(yán)注漿

同步注漿是對盾尾形成的施工空隙進(jìn)行填充注漿，是控制地層沉降的一個(gè)重要環(huán)節(jié)之一。嚴(yán)格控制同步注漿量和漿液質(zhì)量，主要做到以下幾點(diǎn):

(1)保證每環(huán)注漿總量。

(2)保證盾構(gòu)推進(jìn)每箱土的過程中均勻合理地壓注。

(3)漿液的配合比必須符合標(biāo)準(zhǔn)，可以根據(jù)實(shí)際情況合理修改漿液配合比。

直徑為6.28 m的盾構(gòu)，理論建筑空隙為: 1.5π(6.282-6.02)/4=4.05(m3)。實(shí)際的壓注量為每環(huán)管片理論建筑空隙的150%～200%，即每推進(jìn)一環(huán)同步注漿量為5.4～8.1 m3，所以注漿量每環(huán)大于6 m3，控制在8 m3左右，注漿壓力約為0.2～0.24 MPa。同步注漿漿液1 m3用量為:水泥200 kg;水460 kg;砂779 kg;粉煤灰410 kg;膨潤土50 kg。漿液配比根據(jù)實(shí)際情況及時(shí)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

3.3 二次注漿

盾構(gòu)機(jī)經(jīng)過后，隨著同步注漿漿液逐步擴(kuò)散穩(wěn)定，管片壁后壓力逐漸釋放，在壓力釋放的過程中地層隨之沉降，所以會(huì)在一段時(shí)間內(nèi)形成一個(gè)持續(xù)的沉降過程，一般在3 d之后達(dá)到穩(wěn)定。盾構(gòu)施工中為減小這種延續(xù)沉降，就需要對管片壁后進(jìn)行二次注漿，繼續(xù)填充管片壁后與地層間的空隙。二次注漿漿液采用水泥漿，水灰比為1∶1，二次注漿的壓力、壓注量應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況而定，終孔壓力為0.4 MPa。二次注漿位置選擇在3、10、12點(diǎn)鐘的管片吊裝孔注入，將吊裝孔打穿，注漿頭擰緊后進(jìn)行注漿，嚴(yán)禁從K塊小塊管片吊裝孔注入，管片脫出盾尾5環(huán)進(jìn)行二次注漿。

注漿人員對注漿壓力、注漿量、注漿點(diǎn)位、注漿時(shí)間進(jìn)行記錄?？蓪ο嗤恢眠M(jìn)行重復(fù)注漿，已確保空隙填充密實(shí)。

4 掘進(jìn)參數(shù)的控制

盾構(gòu)開挖面的地層以中、強(qiáng)風(fēng)化礫巖及中、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖為主，節(jié)理裂隙發(fā)育、泥質(zhì)物填充，粘結(jié)性好，抗變形性及穩(wěn)定性較好。施工中出渣情況顯示，地層含水量少、泥質(zhì)成分含量高，在掘進(jìn)過程中選用以下掘進(jìn)參數(shù):

(1)盾構(gòu)千斤頂油壓小于13 MPa，總推力小于1 100 t。

(2)刀盤扭矩小于2 600 kN·m，推進(jìn)速度不大于40 mm/min，刀盤轉(zhuǎn)速約為1.5 r/min。

(3)上部土艙壓力控制在0.08～0.12 MPa，平均土壓為0.09 MPa以上，推進(jìn)將要結(jié)束前將土壓設(shè)為0.09～0.13 MPa，以防在停機(jī)拼裝管片時(shí)土艙壓力下降過低。

(4)泡沫劑百分比為3.0%～6.0%，溶液與空氣的流量混合比為1∶12～1∶16，每4根泡沫劑流量為85%。

(5)使用質(zhì)量較好的盾尾油脂，預(yù)防盾尾漏漿以保證注漿效果。

(6)掘進(jìn)中嚴(yán)格控制出渣量，控制每環(huán)出渣總量的同時(shí)還要控制好每斗出土量。每斗渣土虛方約18 m3，出一斗渣土盾構(gòu)機(jī)千斤頂行程不應(yīng)小于35 mm。

(7)盾構(gòu)機(jī)穿越地層含水量小，土艙內(nèi)渣土較干，土體與刀盤摩擦產(chǎn)生的溫度較高，需向土艙內(nèi)加水，防止刀盤結(jié)泥餅。

5 結(jié)語

嚴(yán)格按照以上措施組織施工，盾構(gòu)順利穿越中意電器家屬樓，平均每天掘進(jìn)6環(huán)(9 m)，從刀盤進(jìn)入家屬樓基礎(chǔ)范圍至盾尾順利脫出基礎(chǔ)范圍用時(shí)8 d。地面沉降變化無異常，在DKY20+020位置沉降量最大，為2.65 mm，建筑物F4號監(jiān)測點(diǎn)沉降最大，最大沉降量為-3.59 mm，地下水位S5號監(jiān)測孔變化最大，最大變化量為-570 mm，盾構(gòu)掘進(jìn)過程中對家屬樓內(nèi)居民沒有造成任何不良影響，取得良好的社會(huì)效益。

U455.4

B

1009-7716(2015)04-0189-03

2014-12-10

周雷(1982-)，男，北京人，工程師，從事市政工程施工安全管理工作。