劉承宏，陳宇博

（中鐵三局集團(tuán)第二工程有限公司，河北 石家莊 050000）

隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，城市土地資源日益緊張。地下空間的開發(fā)與利用逐步成為我國大中城市實(shí)現(xiàn)科學(xué)、有序和可持續(xù)發(fā)展的一項(xiàng)重要戰(zhàn)略選擇。在此背景下，城市軌道交通——地鐵（輕軌）的建設(shè)在一定程度上緩解了城市交通緊張的現(xiàn)象,并成為一個(gè)城市現(xiàn)代化水平和經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的重要標(biāo)志。目前，盾構(gòu)法是修建城市地鐵采用最多的一種施工方法。雖然盾構(gòu)法施工技術(shù)具有安全性、機(jī)械化程度高等優(yōu)勢，但是，由于施工環(huán)境和巖土介質(zhì)的復(fù)雜性，盾構(gòu)開挖會(huì)不可避免地引發(fā)不同程度的地表沉降變形，特別是當(dāng)盾構(gòu)下穿建筑物等既有設(shè)施時(shí)，若施工操作不當(dāng)，會(huì)引起建筑物的傾斜、開裂，直接威脅到建筑物的安全與正常使用。因此在盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí),分析地表沉降規(guī)律，合理選取掘進(jìn)參數(shù)，提升施工技術(shù)水平,有效地控制地表沉降，具有十分重要的意義。

本文以石家莊地鐵2 號(hào)線一期工程?hào)|崗頭站～東三教站區(qū)間隧道工程為背景，在分析盾構(gòu)施工對地面沉降影響規(guī)律的基礎(chǔ)上，探索復(fù)雜地質(zhì)條件下穿老舊建筑物盾構(gòu)法地鐵施工技術(shù)。

1 工程概況

石家莊市城市軌道交通2 號(hào)線一期工程04 標(biāo)共2 站2區(qū)間，其中東崗頭站～東三教站區(qū)間為盾構(gòu)區(qū)間，左線起點(diǎn)里程ZK28+213.192，終點(diǎn)里程ZK29+086.797，長858.183m（短鏈15.422m）；右線起點(diǎn)里程YK28+213.191，終點(diǎn)里程YK29+086.797，長873.606m。

該區(qū)間自東三教站下穿平安大街以及鐵38 宿舍、紅樓商場、市裝潢廠宿舍多棟老舊建筑物（共8 幢住宅樓308 戶，見圖1），屬于I 級(jí)風(fēng)險(xiǎn)源，其中鐵38 宿舍1#、2#樓（均為3 層房屋，共54 戶），建于20 世紀(jì)50 ～60 年代，均為條形基礎(chǔ)，無圈梁、結(jié)構(gòu)柱等抗變形結(jié)構(gòu)，下穿安全風(fēng)險(xiǎn)最大。穿越地層主要為粉細(xì)砂及粉質(zhì)黏土，下穿建筑物段為R=360m曲線+穿越地層由粉質(zhì)黏土向粉細(xì)砂過渡。

地鐵隧道結(jié)構(gòu)主要在粉細(xì)砂層和粉質(zhì)黏土層，巖土施工工程分級(jí)為I ～I(xiàn)I 類，隧道圍巖分級(jí)為VI 類，如圖2 所示?？辈炱诘叵滤裆罴s38m，地下水類型為潛水（二），區(qū)間施工范圍內(nèi)無地下水。

圖1 東崗頭站～東三教站區(qū)間I 級(jí)風(fēng)險(xiǎn)建筑平面位置關(guān)系圖

圖2 東三教站～東崗頭站區(qū)間地質(zhì)剖面圖

2 地表變形數(shù)值模擬分析

盾構(gòu)機(jī)在K28+413.349 ～K28+658.416 段下穿平安小區(qū)，長度約245m，區(qū)間隧道頂距建筑物基礎(chǔ)約15.5 ～16.5m，埋深17 ～18m，拱部地層為粉細(xì)砂。盾構(gòu)施工過程中容易導(dǎo)致地面沉降，在盾構(gòu)下穿期間，該段范圍內(nèi)房屋未完成征收，且未達(dá)到人員清空條件。本文利用midas GTS 軟件主要針對下穿老舊建筑物范圍進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

為減小邊界約束對計(jì)算結(jié)果的影響，使模擬結(jié)果更接近實(shí)際情況，建模X/Y 軸范圍均取隧道洞徑的2.5 ～3.0 倍，Z 軸上取至自由地表，下取至隧道洞徑的3.0 倍，地應(yīng)力場按自重應(yīng)力場考慮。模型的前后及左右邊界施加水平約束，即邊界水平位移為零；模型的底部邊界固定，即底部邊界水平、垂直位移為零；模型的頂部為自由邊界。對土層賦參數(shù)、施加重力，讓土體達(dá)到自平衡，且對其位移初始化為零后再進(jìn)行計(jì)算，建立的數(shù)值模型見圖3。模擬結(jié)果表明，左線盾構(gòu)掘進(jìn)后，建筑物豎向沉降最大8.4mm，不均勻沉降3.2mm；右線盾構(gòu)掘進(jìn)后，建筑物豎向沉降最大8.0mm，不均勻沉降3.0mm，見圖4。在施工過程中，必須采取有效的措施，確保下穿安全順利完成。

圖3 midas 仿真計(jì)算模型

圖4 豎向位移云圖

3 盾構(gòu)施工主要控制措施

3.1 土倉壓力控制

為盡量減小地面沉降，擬采用靜止土壓力計(jì)算土壓力。在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，根據(jù)理論計(jì)算、前期掘進(jìn)數(shù)據(jù)和監(jiān)測數(shù)據(jù)及時(shí)調(diào)整壓力值，從而科學(xué)合理地設(shè)置土壓力值和相宜的推力、推進(jìn)速度等參數(shù)，防止超挖，減少對土體的擾動(dòng)。

根據(jù)計(jì)算，理論土壓為149kPa ～156kPa，在下穿建筑物期間擬采用全土壓滿倉推進(jìn)，保持土體穩(wěn)定，減小超排現(xiàn)象。通過刀盤前的沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對土壓進(jìn)行調(diào)整，以達(dá)到土壓動(dòng)態(tài)平衡。

3.2 推進(jìn)速度控制

盾構(gòu)推進(jìn)速度對地面的沉降變形有明顯的影響，過快的推進(jìn)速度將增加對土體的擾動(dòng)，產(chǎn)生較大的地表沉降。盾構(gòu)下穿建筑物時(shí)，應(yīng)降低推進(jìn)速度，保證勻速推進(jìn)，有序安排掘進(jìn)各道工序，既要保持穩(wěn)定，且要有一定速度。現(xiàn)場安排專職技術(shù)人員進(jìn)行24h 盯班作業(yè)，操作人員嚴(yán)格按照技術(shù)交底進(jìn)行操作，盾構(gòu)班組各個(gè)工序配合緊密，保證盾構(gòu)施工持續(xù)進(jìn)行。

3.3 刀盤轉(zhuǎn)速、推力、扭矩控制

盾構(gòu)下穿建筑物時(shí)，為了減少對土體的擾動(dòng)，確定刀盤轉(zhuǎn)速控制范圍及推力控制范圍，刀盤轉(zhuǎn)速要控制在1.2～1.8r/min，刀盤扭矩保持在2000 ～3000kN·m，推力在20000 ～28000kN 之間。

3.4 出土量控制

盾構(gòu)下穿建筑物過程中應(yīng)嚴(yán)格控制出土量，避免出土量過大造成地層損失，引起地面變形，從而導(dǎo)致軌道沉降過大。盾構(gòu)機(jī)每環(huán)的出土量按當(dāng)環(huán)的掘進(jìn)進(jìn)尺嚴(yán)格控制，技術(shù)值班人員每環(huán)均對出土量進(jìn)行實(shí)量實(shí)測（利用土車容積與土的重量進(jìn)行雙控），當(dāng)發(fā)現(xiàn)某一環(huán)出土超量時(shí)，立即停機(jī)分析原因，在查明原因并合理處置后方可進(jìn)行下一環(huán)掘進(jìn)。

3.5 土體改良措施

石家莊軌道交通1 號(hào)線一期工程白留區(qū)間與武漢市城市軌道交通6 號(hào)線一期工程江大區(qū)間兩個(gè)工程穿越的地層與本標(biāo)段相似，根據(jù)以上兩個(gè)工程盾構(gòu)施工的渣土改良經(jīng)驗(yàn)，對現(xiàn)場取樣進(jìn)行試驗(yàn)室試拌。通過試拌，現(xiàn)場取得的渣樣改良效果良好，滿足施工要求。

最終確定渣土改良配合比選取膨潤土漿（質(zhì)量比1:6）+2.5% 泡沫溶劑（水：泡沫原液=97.5:2.5，溶液：空氣=1:10）混合液的方式進(jìn)行渣土改良，膨潤土漿液與原狀土按照體積比1:6，泡沫溶劑與原狀土按體積比1:8 進(jìn)行渣土改良，掘進(jìn)過程中項(xiàng)目部試驗(yàn)人員、技術(shù)人員、操作人員根據(jù)實(shí)際的出渣狀況進(jìn)行配合比微調(diào)。

3.6 注漿量控制

充分利用盾構(gòu)機(jī)自身設(shè)備，對掘進(jìn)中在管片外形成的空洞進(jìn)行注漿，可以有效地控制盾構(gòu)施工造成的地表沉降。注漿材料應(yīng)選擇和易性好、泌水性小，且具有一定強(qiáng)度的漿液，并應(yīng)及時(shí)、均勻、足量的壓注，確保盾尾空隙得到及時(shí)和足量的充填。控制漿液稠度在11 ～13mm 左右，凝結(jié)時(shí)間8 ～10 小時(shí)。經(jīng)計(jì)算，每環(huán)注漿量6.25 ～7.6m3。同時(shí)，注意在實(shí)際掘進(jìn)中不斷調(diào)整注漿壓力。

盾構(gòu)通過建筑物期間，要進(jìn)行24 小時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測和數(shù)據(jù)反饋，及時(shí)調(diào)整注漿量。同步注漿盡可能保證均勻、連續(xù)壓注，防止推進(jìn)尚未結(jié)束而注漿停止的情況發(fā)生。

3.7 克泥效工法

克泥效工法可以有效地解決盾構(gòu)施工過程中第三階段的沉降（盾殼與開挖土體之間的空隙產(chǎn)生的沉降），在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，同步進(jìn)行克泥效漿液的注入，使盾殼與土體填充密實(shí)，且減小盾殼與土體的摩擦，減少對土體的擾動(dòng)。配合比為克泥效：水玻璃=20:1，克泥效用量為400kg/m3，水玻璃波美比Be40，比重為1.38 ～1.39。主要技術(shù)措施為：（1）施工時(shí)同步由盾構(gòu)機(jī)的徑向孔向盾構(gòu)機(jī)的盾體外注入克泥效，及時(shí)填充開挖土體和盾體之間的空隙，注入率為120%～130%，同時(shí)注意控制注入壓力和注入量，地面同步監(jiān)測地面的沉降，及時(shí)調(diào)整；（2）注入點(diǎn)為11 點(diǎn)鐘和1 點(diǎn)鐘位置的徑向孔輪流注入；（3）地面沉降同步監(jiān)測頻率為1 ～2h/次，并做好沉降記錄。

3.8 實(shí)時(shí)監(jiān)測

為了更好地了解盾構(gòu)施工對土體產(chǎn)生的沉降影響，在盾構(gòu)下穿建筑物過程中采用地表監(jiān)測+土體分層沉降+建筑物沉降監(jiān)測的監(jiān)測手段，并配置專職測量監(jiān)測人員，根據(jù)盾構(gòu)機(jī)所處位置，在其前后50m 范圍內(nèi)以3 次/天的監(jiān)測頻率，對地面沉降情況進(jìn)行監(jiān)測，實(shí)時(shí)掌握地表建筑物和周邊環(huán)境的動(dòng)態(tài)，及時(shí)優(yōu)化、調(diào)整掘進(jìn)施工參數(shù)，做到動(dòng)態(tài)信息化施工管理。

4 施工技術(shù)參數(shù)選取

結(jié)合相似工程施工經(jīng)驗(yàn)，針對本工程地層特點(diǎn)，同時(shí)考慮相關(guān)安全風(fēng)險(xiǎn)，通過分析施工數(shù)據(jù)，本工程施工中選用如下施工參數(shù)：

表1 所列為穿越不同土層施工時(shí)盾構(gòu)機(jī)主要參數(shù)。此外，穿越①粉質(zhì)黏土，局部粉細(xì)砂層（341 ～470 環(huán)）時(shí)，二次注漿在脫出盾尾后5 環(huán)，每3 環(huán)在拱頂選取1 或15 點(diǎn)位進(jìn)行注漿，每環(huán)注0.5m3，注漿壓力0.3 ～0.4MPa；克泥效按配合比20:1，每環(huán)注入200kg，注入壓力0.3 ～0.4mpa，注入量0.5m3，理論空隙0.36m3,注入率為1.39。穿越②半粉質(zhì)黏土半粉細(xì)砂層（471 ～525 環(huán)）時(shí)，二次注漿在脫出盾尾后5 環(huán)，每3 環(huán)在拱頂選取1 或15 點(diǎn)位進(jìn)行注漿，每環(huán)注0.75m3，注漿壓力0.3 ～0.4MPa；克泥效按配合比20:1，每環(huán)注入225kg，注入壓力0.3 ～0.4MPa，注入量0.56m3，理論空隙0.36m3,注入率為1.56。穿越③全斷面粉細(xì)砂層（526 ～546 環(huán)）時(shí)，二次注漿在脫出盾尾后5 環(huán)，每3 環(huán)在拱頂選取1 或15 點(diǎn)位進(jìn)行注漿，每環(huán)注0.75m3，注漿壓力0.3 ～0.4MPa；克泥效按配合比20:1，每環(huán)注入250kg，注入壓力0.3 ～0.4MPa，注入量0.6m3，理論空隙0.36m3,注入率為1.67。

表1 穿越不同土層施工時(shí)盾構(gòu)機(jī)參數(shù)表

5 結(jié)語

地鐵隧道盾構(gòu)施工過程中必然引起地層變形進(jìn)而對上部既有建筑產(chǎn)生一定程度上的損壞，尤其下穿老舊建筑區(qū)時(shí)，由于老舊建筑基礎(chǔ)抗變形能力較差，施工風(fēng)險(xiǎn)極大。本文結(jié)合石家莊地鐵2 號(hào)線一期工程，以東崗頭站～東三教站區(qū)間施工為例，運(yùn)用數(shù)值模擬方法，分析了盾構(gòu)施工造成的上部豎向位移。提出了盾構(gòu)施工主要控制措施，并確定了主要施工參數(shù)。具體結(jié)論如下：

（1）數(shù)值模擬分析結(jié)果表明，盾構(gòu)掘進(jìn)后，左線和右線建筑物豎向沉降最大值分別為8.4mm 和8.0mm，不均勻沉降分別為3.2mm 和3.0mm。

（2）針對本工程的地層條件和控制上部建筑物沉降的要求，提出盾構(gòu)施工中的控制措施，包括嚴(yán)格控制土倉壓力、推進(jìn)速度、刀盤轉(zhuǎn)速、刀盤推力、刀盤扭矩、出土量、渣土改良漿液配比、注漿量，并輔以克泥效工法和實(shí)時(shí)監(jiān)測，可有效地控制地表沉降。

（3）確定了穿越不同土層施工時(shí)盾構(gòu)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)，包括土倉壓力、刀盤扭矩、總推力、掘進(jìn)速度、出土量、注漿量、注漿壓力，同時(shí)選取了二次注漿和克泥效的主要參數(shù)。

根據(jù)現(xiàn)場施工情況，建筑物沉降可控制在1 ～7mm，建筑物未造成任何損壞，保證了建筑物的基礎(chǔ)及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。