軟土地層地鐵盾構(gòu)下穿既有建筑物施工技術(shù)研究

摘要：盾構(gòu)機(jī)下穿既有建筑物施工不當(dāng)，可能會(huì)引發(fā)地面沉降以及建筑傾倒等現(xiàn)象。以廣州市某地鐵盾構(gòu)下穿既有建筑物施工為例，介紹該項(xiàng)目軟土地層的地質(zhì)背景，對(duì)盾構(gòu)下穿施工的難點(diǎn)進(jìn)行分析，再對(duì)變形控制的施工技術(shù)措施進(jìn)行探討，通過(guò)下穿建筑物前準(zhǔn)備、房屋注漿加固、盾構(gòu)掘進(jìn)精細(xì)控制、防刀盤結(jié)泥餅、地表建筑物監(jiān)測(cè)等多種技術(shù)措施，保障該區(qū)間隧道上方建筑物的安全穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：軟土地層；下穿建筑物；注漿加固；結(jié)泥餅

0" "引言

盾構(gòu)機(jī)下穿既有建筑物施工不當(dāng)，可能會(huì)引發(fā)地面沉降以及建筑傾倒等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響居民生活及地鐵隧道質(zhì)量[1-2]。目前，眾多學(xué)者對(duì)盾構(gòu)施工中下穿建筑物的安全問(wèn)題及控制方法進(jìn)行研究，并取得一定的成果。

陳攀[3]研究了小半徑曲線盾構(gòu)下穿施工對(duì)既有建筑物的擾動(dòng)影響，通過(guò)有限元建模及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，分析了既有建筑物的應(yīng)力應(yīng)變特征。李佳朋[4]研究了盾構(gòu)下穿建筑群的相關(guān)力學(xué)行為，通過(guò)數(shù)值模擬方法及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，分析了地表及地表建筑物的縱、橫向變形規(guī)律。

本文以某地鐵盾構(gòu)下穿既有建筑物施工為例，介紹該項(xiàng)目的工程地質(zhì)條件，對(duì)施工中的難點(diǎn)問(wèn)題進(jìn)行分析，盾構(gòu)下穿施工中采取相關(guān)技術(shù)措施，保障了該區(qū)域既有建筑物的安全穩(wěn)定，同時(shí)保證了地鐵盾構(gòu)施工的質(zhì)量與進(jìn)度。

1" "工程概況

某地鐵盾構(gòu)區(qū)間隧道全線長(zhǎng)688m，從出入場(chǎng)始發(fā)井始發(fā)后，下穿多個(gè)民房建筑物集中區(qū)進(jìn)入接收井。區(qū)間隧道上方的建筑物密集，主要為民房，巷道狹窄，房屋注漿加固實(shí)施困難。

建筑基礎(chǔ)包括天然淺基礎(chǔ)和樁基礎(chǔ)，天然基礎(chǔ)埋深不大，樁基礎(chǔ)房屋基礎(chǔ)深度10～13m。下穿的既有建筑物中有15棟建筑物的樁基侵入隧道，隧道埋深6.9～20.2m，侵入隧道的樁長(zhǎng)1.5～5.4m。

隧道圍巖主要為軟弱淤泥質(zhì)地層，地層強(qiáng)度低、土質(zhì)不均勻、地基穩(wěn)定性差、水文地質(zhì)條件復(fù)雜，施工區(qū)的地建筑物分布情況復(fù)雜，發(fā)育的潛在不良地質(zhì)作用和地質(zhì)災(zāi)害主要為地面沉降、地面塌陷等。

綜合各方面因素最終決定采用泥水盾構(gòu)施工。針對(duì)隧道上方建筑物進(jìn)行安全性評(píng)價(jià)后制定了臨遷方案，施工時(shí)采取有效措施來(lái)控制地面及建筑物沉降，同時(shí)做好應(yīng)急處理辦法。

2" "工程地質(zhì)條件

2.1" "地層巖性

盾構(gòu)隧道穿越地層變化較大，自上而下分別為第四系全新統(tǒng)人工填土、淤泥質(zhì)土、粉質(zhì)黏土、強(qiáng)風(fēng)化-中風(fēng)化粗砂巖、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖等。人工填土包括雜填土和素填土，厚度為0.4～6.0m，素填土主要為黏性土與砂土回填組成，雜填土成分復(fù)雜。穿越的人工填土、淤泥、粉質(zhì)黏土等軟土地層占比較高，尤其在淺部廣泛發(fā)育，具有孔隙率大、透水性強(qiáng)、地基承載力低等特征。隧道基本圍巖分級(jí)為Ⅳ級(jí)、Ⅴ級(jí)、Ⅵ級(jí)，圍巖強(qiáng)度低、穩(wěn)定性差，因此建議對(duì)盾構(gòu)施工影響范圍內(nèi)的民房采取有效保護(hù)措施。

2.2" "水文地質(zhì)

施工場(chǎng)地為海陸交互沖積平原地貌，地下水賦存形式主要為第四系土層孔隙水與基巖裂隙水，其中基巖裂隙水受基巖風(fēng)化及裂隙發(fā)育產(chǎn)狀的影響較大，呈現(xiàn)出不均勻的分布特征。

區(qū)間隧道沿線大部分地段的地下水埋深較淺，穩(wěn)定水位埋深在0.4～4.2m之間，水位與補(bǔ)、徑、排條件密切相關(guān)，在雨季時(shí)水位明顯上升，雨量減少時(shí)水位隨之下降，年變化幅度為1.0～1.5m。土的易溶鹽分析及水質(zhì)分析結(jié)果顯示，區(qū)域地下水對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)及鋼筋具有微腐蝕性。

3" "施工難點(diǎn)分析

3.1" "盾構(gòu)施工易引發(fā)地層不均勻沉降

區(qū)間隧道圍巖以軟土為主，部分區(qū)段隧道埋深僅為3.5～6.0m，不足1倍洞涇。隧道埋深較淺，失水后沉降變化大，盾構(gòu)施工極易引發(fā)地層不均勻沉降甚至房屋傾倒的危險(xiǎn)。

具體施工風(fēng)險(xiǎn)包含：①地基承載力弱，磨樁過(guò)程中樁背面反支撐力弱，易出現(xiàn)斷樁現(xiàn)象，受樁基阻擋的影響刀盤在掌子面無(wú)規(guī)律運(yùn)動(dòng)，不能準(zhǔn)確控制出土量，從而導(dǎo)致地面出現(xiàn)不均勻沉降及房屋變形的風(fēng)險(xiǎn)。②部分樁基強(qiáng)度高，樁內(nèi)鋼筋會(huì)對(duì)刀盤產(chǎn)生纏繞，因此切樁過(guò)程對(duì)刀具有較大損傷，刀圈易失效。③磨樁時(shí)部分長(zhǎng)鋼筋不能被排出，一旦纏繞在刀盤或卡在排漿口格柵，需要人工帶壓進(jìn)倉(cāng)處理。

開挖面以上地層巖性主要為海陸交互淤泥質(zhì)土及粉質(zhì)黏土，含水率高，自穩(wěn)性差且沉降難以控制，詳勘后可知有機(jī)質(zhì)含量約為4.35%，PH為7.10，塑性指數(shù)10.2～16.5。高有機(jī)質(zhì)及高塑性指數(shù)會(huì)對(duì)攪拌樁等地基處理方法產(chǎn)生不利影響。軟土自穩(wěn)性差且敏感性強(qiáng)，為此盾構(gòu)施工時(shí)，要控制好機(jī)倉(cāng)內(nèi)壓力及注漿壓力，防止因壓力變化引發(fā)圍巖位移，從而導(dǎo)致地表沉降或隆起。

3.2" "下穿建筑物易引發(fā)房屋開裂、倒塌

該地鐵盾構(gòu)隧道下穿多處房屋密集區(qū)，房屋基礎(chǔ)形式多為條形基礎(chǔ)或樁基礎(chǔ)。15棟房屋共計(jì)有82根樁基侵入隧道，樁長(zhǎng)為10～12m，侵入隧道3～7m，樁基形式為灌注樁與預(yù)制管樁，多處于軟土地層中，拱頂埋深4.6～7.5m，磨樁風(fēng)險(xiǎn)高。

現(xiàn)場(chǎng)踏勘后發(fā)現(xiàn)，房屋均不具備拆遷或拔樁條件，在盾構(gòu)下穿房屋時(shí)所造成的地層擾動(dòng)，極易引發(fā)地面房屋發(fā)生傾斜、開裂、倒塌等事故，危及周邊居民的生命及財(cái)產(chǎn)安全，因此全部做臨遷處理。

村道狹窄存在較大安全隱患，施工中發(fā)生險(xiǎn)情時(shí)救援物資不能及時(shí)到達(dá)。對(duì)隧道沿線的建筑物應(yīng)采取以施工監(jiān)測(cè)為依據(jù)、施工控制為主、地層加固為輔助的處理措施，并根據(jù)建筑物實(shí)際情況及沉降監(jiān)測(cè)的信息，及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)償跟蹤注漿。

3.3" "黏土地層易結(jié)泥餅

區(qū)間隧道主要穿越淤泥、粉質(zhì)黏土、強(qiáng)-中風(fēng)化粗砂巖等巖性，其中粉質(zhì)黏土約占地層50%。在該地層進(jìn)行盾構(gòu)施工時(shí)，刀盤前及倉(cāng)內(nèi)中心區(qū)域易結(jié)泥餅，導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)刀盤扭矩增大、刀具偏磨失效等問(wèn)題，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)堵管及地面不均勻沉降問(wèn)題。

4" "關(guān)鍵施工技術(shù)應(yīng)用

盾構(gòu)區(qū)間共下穿117棟房屋，有15棟的樁基侵入隧道內(nèi)，施工風(fēng)險(xiǎn)大，優(yōu)先考慮拆遷后盾構(gòu)通過(guò)，經(jīng)過(guò)實(shí)地踏勘發(fā)現(xiàn)難以進(jìn)行拆遷，因此施工中遵循以下原則：

樁基侵入隧道的15棟房屋均采用臨遷+加固注漿的方法，施工前在房屋周邊預(yù)埋袖閥或鉆注一體機(jī)注雙液漿進(jìn)行預(yù)加固，對(duì)于房屋內(nèi)部盡量采用鉆注一體機(jī)進(jìn)行雙液漿預(yù)加固。盾構(gòu)施工中及施工后根據(jù)實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，如果出現(xiàn)地面沉降或房屋變形情況，則采用鉆注一體機(jī)進(jìn)行填充注漿。

盾構(gòu)施工時(shí)，對(duì)影響范圍內(nèi)的房屋進(jìn)行封閉管理，房屋內(nèi)部采取盤扣臨時(shí)支頂體系，支架四周布置豎向斜拉桿，底層和頂層設(shè)置橫向斜拉桿或鋼管剪刀撐。

4.1" "下穿建筑物前準(zhǔn)備

施工中遵循“房屋全部做臨遷處理，盾構(gòu)機(jī)先穿越后處理”的原則。具體措施包含：

①施工前對(duì)隧道影響范圍內(nèi)淺基礎(chǔ)房屋采取臨遷措施，盾構(gòu)施工中加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，提前對(duì)房屋進(jìn)行注漿加固保護(hù)。②施工前對(duì)隧道影響范圍進(jìn)行補(bǔ)充勘察，勘探范圍應(yīng)到達(dá)結(jié)構(gòu)底板以下不小于2m，充分探明施工場(chǎng)地的工程地質(zhì)條件。③根據(jù)地質(zhì)條件，結(jié)合以往施工經(jīng)驗(yàn)制定盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)，施工時(shí)嚴(yán)禁超挖、減少糾偏，以降低對(duì)圍巖的擾動(dòng)。④臨遷期間組織專門人員24h巡視，避免房屋附近有人員逗留，下穿前對(duì)房屋周邊30m范圍進(jìn)行封閉管理。

4.2" "對(duì)房屋進(jìn)行注漿加固

盾構(gòu)施工之前，房屋周邊應(yīng)預(yù)埋袖閥管或采取鉆注一體機(jī)雙液漿進(jìn)行預(yù)加固，房屋內(nèi)部用鉆注一體機(jī)雙液漿預(yù)加固。樁基侵入隧道的房屋周圍預(yù)埋袖閥管袖閥管，沿房屋靠近隧道側(cè)2.0m處布置一排，間距1.2m，與地面成一定角度斜打。

袖閥管注漿時(shí)，水泥漿采用42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，水灰比取0.6～1.0，根據(jù)實(shí)際需要可加入適量的外加劑。劈裂注漿壓力取2MPa左右，自下而上分段進(jìn)行注漿，壓力自下而上逐漸降低。注漿量應(yīng)該根據(jù)具體地質(zhì)、地表檢測(cè)、注漿壓力等實(shí)際情況確定，當(dāng)注漿壓力超過(guò)0.5MPa或地面冒漿時(shí)即可向上拔管50cm進(jìn)行下一段區(qū)域注漿。

4.3" "對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)進(jìn)行精細(xì)控制

本項(xiàng)目采用間接控制式泥水平衡盾構(gòu)機(jī)。該盾構(gòu)機(jī)采用典型的復(fù)合式刀盤，通過(guò)在刀盤上換裝盤型滾刀或齒刀，使其能在軟土隧道、軟巖隧道及硬巖隧道中均能保持工作。盾構(gòu)下穿時(shí)應(yīng)連續(xù)勻速通過(guò)，避免在房屋下方停機(jī)。

磨樁時(shí)應(yīng)優(yōu)化掘進(jìn)參數(shù)降低貫入度，避免出現(xiàn)斷樁現(xiàn)象。樁基侵入隧道的地段施工時(shí)應(yīng)降低貫入度、控制掘進(jìn)速度。磨樁時(shí)刀盤轉(zhuǎn)速為1.6～1.8r/min，貫入度為3～5mm/r，掘進(jìn)速度為5～10mm/min，泥漿比重為1.0～1.2，泥倉(cāng)壓力為0.08～0.1MPa，保持勻速磨樁，嚴(yán)防斷樁現(xiàn)象。

軟弱地層對(duì)脫出盾尾3～5環(huán)管片位置進(jìn)行二次注漿，每次注漿量為0.5～1m3，每間隔10～15環(huán)做一次止?jié){環(huán)。根據(jù)地面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及隧道漏水情況進(jìn)行二次注漿，注漿位置為盾尾后5～7環(huán)，每次注漿量為0.5～1m3，每間隔10～15環(huán)做一次止?jié){環(huán)。

部分區(qū)段隧道埋深較淺，且為軟弱淤泥質(zhì)地層，盾構(gòu)施工時(shí)應(yīng)適當(dāng)調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)。具體如下：減小切口水壓，防止擊穿覆土。降低注漿壓力，并保證同步注漿量，及時(shí)進(jìn)行二次注漿穩(wěn)定上覆土。通過(guò)控制液壓缸行程、壓力機(jī)推進(jìn)速度，嚴(yán)格控制盾構(gòu)姿態(tài)，再根據(jù)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行調(diào)整糾偏，保證盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)穩(wěn)定。

4.4" "防止刀盤結(jié)泥餅

該盾構(gòu)隧道穿越的粉質(zhì)黏土地層約占總體的一半，施工中在刀盤前及倉(cāng)內(nèi)中心區(qū)域容易板結(jié)成泥餅，嚴(yán)重影響施工效率和安全。為防止該問(wèn)題出現(xiàn)采取以下措施：對(duì)盾構(gòu)機(jī)單盤刀具配置進(jìn)行調(diào)整，根據(jù)區(qū)間巖層分布及巖層物理性能情況，對(duì)刀具制定兩種配置方案。一是始發(fā)段淤泥質(zhì)軟弱地層的刀盤刀具以齒刀為主配置刀具，增大刀盤開口率，降低結(jié)泥餅風(fēng)險(xiǎn)。二是進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化粗砂巖地層后，在預(yù)先加固好的擬定換刀位置換下齒刀，以滾刀為主配置刀具，以利于破巖。

此外，在施工技術(shù)方面可采取以下措施：①控制泥漿比重和黏度等指標(biāo)，記錄每環(huán)掘進(jìn)參數(shù)，通過(guò)試驗(yàn)段統(tǒng)計(jì)出最佳泥漿參數(shù)范圍。②及時(shí)對(duì)泥漿的指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，泥漿指標(biāo)超高時(shí)通過(guò)排漿設(shè)備抽走超標(biāo)漿液或添加清水，稀釋高濃度泥漿。③加強(qiáng)對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)監(jiān)控，實(shí)時(shí)觀察刀盤推力、扭矩和掘進(jìn)速度的變化。④避免采用逆循環(huán)推進(jìn)模式，確保刀盤切削下的渣土能夠及時(shí)抽排；盡量避免刀盤倉(cāng)底部和吸漿口處渣土的堆積，造成刀盤黏結(jié)泥餅。⑤開啟沖刷系統(tǒng)對(duì)刀盤不間斷沖洗。在每環(huán)掘進(jìn)完成后，應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行泥漿循環(huán)，盡量排空刀盤倉(cāng)內(nèi)堆積的渣土，防止其大量的附著在刀盤上。

4.5" "對(duì)地表建筑物進(jìn)行監(jiān)測(cè)

盾構(gòu)施工的前、中、后階段均要進(jìn)行全面系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)工作，對(duì)于重點(diǎn)建筑及沉降敏感位置可適當(dāng)增加監(jiān)測(cè)點(diǎn)。盾構(gòu)施工監(jiān)測(cè)工作應(yīng)不間斷進(jìn)行，監(jiān)測(cè)方式為人工監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包括地面沉降、建筑物沉降及建筑物傾斜，監(jiān)測(cè)設(shè)備選擇水準(zhǔn)儀和全站儀，如表1所示。

應(yīng)制定施工前、中、后和運(yùn)營(yíng)期間的監(jiān)測(cè)計(jì)劃，對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變與位移、巖土應(yīng)力應(yīng)變與位移、地下水位、周邊環(huán)境敏感建筑物位移等信息要準(zhǔn)確掌握。施工監(jiān)測(cè)頻率為2次/d，并根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)調(diào)整技術(shù)參數(shù)。同時(shí)還應(yīng)該加強(qiáng)地表巡視，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)向上級(jí)及現(xiàn)場(chǎng)反映。

5" "結(jié)束語(yǔ)

本文以廣州市某地鐵盾構(gòu)施工項(xiàng)目為例，總結(jié)了下穿建筑物前準(zhǔn)備、房屋注漿加固、盾構(gòu)掘進(jìn)精細(xì)控制、防刀盤結(jié)泥餅、地表建筑物監(jiān)測(cè)等施工技術(shù)措施，使得地鐵線路順利通過(guò)建筑物密集區(qū)，既保證了地鐵盾構(gòu)施工的質(zhì)量與進(jìn)度，又確保了既有居民房屋的安全。該項(xiàng)目的研究方法及施工技術(shù)措施可為類似項(xiàng)目提供一定的參考與借鑒。

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