砂卵石地層盾構(gòu)下穿淺基民房片區(qū)變形控制技術(shù)*

龔學(xué)權(quán) 唐 聰 陶炳權(quán)

(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(shè)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(guān)學(xué)者和工程技術(shù)人員針對砂卵石地層盾構(gòu)施工引發(fā)地表沉降及其控制技術(shù)已有不少針對性研究，并取得了一定的研究成果。文獻(xiàn)[1-2]對富水砂卵石地層盾構(gòu)施工引起的地表沉降原因進(jìn)行了分析,并提出了針對性的控制技術(shù);文獻(xiàn)[3]對砂卵石地層盾構(gòu)施工引起的地表滯后沉降進(jìn)行了細(xì)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(xiàn)[4]研究了淺覆土大粒徑無水砂卵石地層盾構(gòu)施工技術(shù)。但是，關(guān)于砂卵石地層中盾構(gòu)多次下穿淺基民房區(qū)的變形控制技術(shù)還少有研究報道。本文針對成都地鐵7號線2標(biāo)盾構(gòu)隧道施工過程中，因盾構(gòu)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(jìn)行了針對性研究并提出了相關(guān)控制措施。

1 工程概況

成都地鐵7號線2標(biāo)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(xué)站區(qū)間隧道。根據(jù)鉆探結(jié)果顯示，施工地層主要為：雜填土(Q4ml)、素填土、黏土(Q3al+pl)、細(xì)砂、粉土、泥巖(K2g)等。工程標(biāo)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(jié)構(gòu)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(qiáng)，水流交替循環(huán)強(qiáng)烈。

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

表1 區(qū)間隧道沿線主要建(構(gòu))筑物情況

2 工程特點及難點

盾構(gòu)施工具有廣泛的地層適應(yīng)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(fù)雜多變，盾構(gòu)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(gòu)(筑)物產(chǎn)生影響[5-7]。本工程區(qū)間隧道盾構(gòu)需多次正穿、側(cè)穿眾多重要建(構(gòu))筑物，復(fù)雜的周邊環(huán)境對盾構(gòu)推進(jìn)安全提出了更為嚴(yán)格的要求。在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中,如何有效地控制地表沉降，防止地面、建(構(gòu))筑物坍塌，并對技術(shù)措施和管理措施進(jìn)行總結(jié)和調(diào)整，已成為盾構(gòu)施工中需要解決的難點之一。

成都地鐵7號線2標(biāo)段隧道工程沿線穿越砂卵石特殊地層(夾雜有粉細(xì)砂層)，地下水豐富、水位高、補(bǔ)給迅速，盾構(gòu)施工難度大，目前尚無較好的經(jīng)驗可以借鑒，也無相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

鑒于成都地鐵7號線2標(biāo)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(gòu)施工過程中的土倉壓力、刀盤扭矩與轉(zhuǎn)速、地表沉降等關(guān)鍵參數(shù)的分析，研究并提出適合成都砂卵石地層盾構(gòu)安全穿越建(構(gòu))筑物的掘進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)，以降低盾構(gòu)穿越建(構(gòu))筑物所產(chǎn)生的安全風(fēng)險,以及對刀盤刀具和螺旋輸送機(jī)的磨損，防止螺旋輸送機(jī)出現(xiàn)涌水等問題。

3 盾構(gòu)下穿建筑物關(guān)鍵技術(shù)

3.1 盾構(gòu)下穿建筑物加固技術(shù)

3.1.1 難點分析

由于成都砂卵石地層卵石含量大、強(qiáng)度高，且地下水滲透系數(shù)大、流動性強(qiáng)，不適用攪拌樁和旋噴樁進(jìn)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(gòu)下穿二仙橋西路5號淺基礎(chǔ)舊居民房為對象進(jìn)行分析。舊民房與盾構(gòu)隧道平面和立面關(guān)系如圖1所示。

a)平面關(guān)系示意圖

b)立面關(guān)系示意圖圖1 舊民房與盾構(gòu)隧道的相對位置關(guān)系

圖1中的7層磚混結(jié)構(gòu)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(chǔ)結(jié)構(gòu)形式為獨立柱基。成都地鐵7號線盾構(gòu)隧道下穿該建筑物。現(xiàn)場檢查過程中發(fā)現(xiàn)，該房屋上部主體結(jié)構(gòu)存在一定缺陷，詳細(xì)情況如表2所示。

3.1.2 加固措施

盾構(gòu)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(shù)措施。

表2 現(xiàn)場建筑結(jié)構(gòu)缺陷情況

3.1.2.1 洞外注漿

在盾構(gòu)通過建筑物前，應(yīng)與相關(guān)產(chǎn)權(quán)單位做好充分溝通。進(jìn)場后，先進(jìn)行現(xiàn)場管線調(diào)查，再進(jìn)行注漿孔位測量放線，進(jìn)而確定基礎(chǔ)位置及打孔角度和深度。從房屋基礎(chǔ)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(chǔ)。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(chǔ)底部4 m范圍均進(jìn)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(chǔ)底部4 m范圍均進(jìn)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(qiáng)型管片加強(qiáng)注漿等方式進(jìn)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(chǔ)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(dāng)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(chǔ)與隧道間關(guān)系靈活布設(shè)，向建筑物斜下方打設(shè)。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(fù)注漿，采用少量多次的注漿方式進(jìn)行注漿加固。注漿結(jié)束后清洗管路，保留注漿口，留待盾構(gòu)通過時再次注漿。本次盾構(gòu)穿越二仙橋石油社區(qū)共成功打設(shè)148個孔，基礎(chǔ)加固注漿共506 t，給盾構(gòu)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(gòu)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(gòu)掘進(jìn)時的同步注漿及盾構(gòu)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(gòu)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(gòu)隧道砂卵石地層特點，對同步注漿漿液性能進(jìn)行改良優(yōu)化，在現(xiàn)場實際施工中達(dá)到了很好的應(yīng)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(gòu)推進(jìn)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(jìn)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(shè)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(shè)備連接，采用雙液漿進(jìn)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(jìn)行壓密注漿加固。

3.2 盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)控制

3.2.1 掘進(jìn)參數(shù)取值

3.2.1.1 土壓力參數(shù)

通過前期100 m試掘進(jìn)，在確保地面建筑物安全的條件下，適當(dāng)調(diào)高土倉壓力，最后確定下穿建(構(gòu))筑物過程中的土倉壓力參考值為： ①盾構(gòu)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(jìn)速度及推力

保持盾構(gòu)土倉壓力相對平衡情況下進(jìn)行盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)的選取與動態(tài)調(diào)整。為減小盾構(gòu)下穿期間的房屋變形，建立了試掘進(jìn)參數(shù)數(shù)據(jù)庫，并對參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計分析和優(yōu)化。盾構(gòu)下穿二仙橋石油社區(qū)時采用的試掘進(jìn)參數(shù)設(shè)置如下：盾構(gòu)掘進(jìn)速度40 mm/min左右，盾構(gòu)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(jìn)而引起地表沉降的關(guān)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(jìn)行盾構(gòu)掘進(jìn)設(shè)計時，對盾構(gòu)同步注漿系統(tǒng)在原成都地鐵盾構(gòu)注漿管路的基礎(chǔ)上進(jìn)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(gòu)穿越二仙橋石油社區(qū)建筑物基礎(chǔ)時實際注漿量均大于6 m3，對于注漿壓力未達(dá)到設(shè)定值的區(qū)段，進(jìn)行二次補(bǔ)充注漿。

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

3.2.2 實際掘進(jìn)參數(shù)控制

以八里莊站—二仙橋站區(qū)間隧道右線掘進(jìn)100 m為研究對象，對盾構(gòu)施工的各項主要技術(shù)參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計與分析，為富水砂卵石層盾構(gòu)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(gòu)同步注漿管布置圖

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

(2)推進(jìn)速度、推力及刀盤等參數(shù)控制：盾構(gòu)下穿淺基礎(chǔ)舊民房區(qū)時,保持均速通過，掘進(jìn)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(gòu)下穿淺基礎(chǔ)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(qiáng)：根據(jù)設(shè)計要求，盾構(gòu)下穿淺基礎(chǔ)舊民房區(qū)時，采用增設(shè)注漿孔的加強(qiáng)型管片。在提高隧道襯砌承載力的同時，便于隧道內(nèi)進(jìn)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(jìn)行加密注漿，雙液漿凝結(jié)時間控制在60 s左右，對管片外圍進(jìn)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(gòu)穿越后易形成拱效應(yīng)，因此在盾構(gòu)穿越后需及時進(jìn)行二次補(bǔ)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(jié)。除二次注漿外，還需在隧道內(nèi)通過管片吊裝孔及增設(shè)注漿孔進(jìn)行二次深孔注漿。注漿區(qū)域位于隧道穿越建(構(gòu))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(shè)注漿孔的加強(qiáng)型管片進(jìn)行加密注漿，尤其是盾尾后4環(huán)處應(yīng)及時進(jìn)行二次注漿，漿液配比為：水∶水泥∶水玻璃=1∶1∶0.3，試驗?zāi)Y(jié)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(shù)

盾構(gòu)推進(jìn)至淺基民房時，在加大同步注漿的同時需對盾尾進(jìn)行分階段二次注漿封閉。

(1)盾構(gòu)穿越前的掘進(jìn)通道封閉。在盾構(gòu)刀盤即將下穿老舊居民區(qū)時，扣除盾構(gòu)身長度(9 m)，在盾尾后20環(huán)采用單液漿先進(jìn)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(gòu)掘進(jìn)段后漿液損失的補(bǔ)充。

(2)盾構(gòu)穿越期間保持土層穩(wěn)定。對加強(qiáng)型管片進(jìn)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(jié)快的特點，可及時穩(wěn)定盾尾管片，確保地層穩(wěn)定。

(3)補(bǔ)充注漿。在盾尾通過后15環(huán)及居民樓基礎(chǔ)范圍內(nèi)，在臺車上用單液漿再進(jìn)行二次補(bǔ)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(chǔ)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(gòu))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(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)設(shè)計及規(guī)范要求，二仙橋石油社區(qū)建筑物獨立柱基礎(chǔ)的沉降控制值要求在15 mm范圍內(nèi)。

(2) 現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果分析。盾構(gòu)隧道右線在下穿二仙橋石油社區(qū)建筑物基礎(chǔ)前，在建筑物上布設(shè)相應(yīng)的監(jiān)測點位，其對應(yīng)盾構(gòu)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(gòu)穿越前后的沉降數(shù)據(jù)進(jìn)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(yīng)控制措施后，盾構(gòu)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(gòu)穿越后基本穩(wěn)定在2 mm左右，均在控制目標(biāo)范圍內(nèi)。

4 結(jié)語

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

(1)對掘進(jìn)后期可能存在的地下空洞應(yīng)及時開展探索、預(yù)防和補(bǔ)償注漿措施研究。施工中應(yīng)加強(qiáng)掘進(jìn)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(jié)果采取適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償措施。

(2)同一平面上，沉降監(jiān)測點設(shè)置在建筑物上比設(shè)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(jìn)一步的分析。

(3)對建筑物的變形量數(shù)據(jù)應(yīng)進(jìn)行匯總和統(tǒng)計分析，以便準(zhǔn)確掌握盾構(gòu)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)。