特殊地段盾構(gòu)掘進的沉降控制技術(shù)［摘 要］特殊地段的沉降控制一直是盾構(gòu)施工中的難點、風(fēng)險點，本文介紹了廣州地鐵某盾構(gòu)區(qū)間在經(jīng)過“三區(qū)”（隧頂覆砂區(qū)、樁基礎(chǔ)群區(qū)和地面密集建筑物區(qū)）地段時所采取的技術(shù)措施，以期對類似地層有借鑒和指導(dǎo)作用。［關(guān)鍵詞］地下施工；特殊地段；盾構(gòu)掘進；沉降控制技術(shù) 廣州地鐵某盾構(gòu)區(qū)間為雙線圓型隧道，內(nèi)徑5.4m，外徑6m，采用刀盤直徑6.28m的土壓平衡盾構(gòu)機施工。在臨近吊出井時要經(jīng)過一“三區(qū)”特殊地段，即：隧頂覆砂區(qū)、樁基礎(chǔ)群區(qū)和地面密集建筑物區(qū)。為安全通過該特殊段，項目部編制了一套詳細、針對性強的施工方案，并在施工中逐一落實，最終盾構(gòu)機安全到達吊出井。1 特殊地段的工程情況1.1地質(zhì)水文情況： 該地段長約300m，隧道覆土14～23m，洞身經(jīng)過地層主要為7、8、9泥質(zhì)砂巖，夾部分6全風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖；洞頂主要為32細砂層，夾少量42、52地層，32砂層厚3.5～9m，平均厚5m以上；通過現(xiàn)場試驗，9微風(fēng)化地層平均單軸極限抗壓強度16.0MPa左右。本區(qū)段地下水有第四系孔隙水及基巖裂隙水，第四系孔隙水埋深0～3m，水量豐富，由大氣降水及江、河水補給。基巖裂隙水主要賦存于基巖強、中等風(fēng)化帶的裂隙中，埋深隨基巖面而起伏，一般為15～20m，32中細砂層富水性中等及滲透系數(shù)較大。1.2地面建筑物及樁基礎(chǔ)情況 該段隧道頂部及其影響范圍內(nèi)主要有45棟建筑物，絕大部分是民房，層高3～7層，為框架結(jié)構(gòu)；有8棟是一層高的制衣廠廠房，為磚混結(jié)構(gòu)。房屋基礎(chǔ)除12棟房屋是天然基礎(chǔ)外，其余為r500～r600鉆孔樁砼基礎(chǔ)及r120的木樁基礎(chǔ)。有16棟房屋的樁基礎(chǔ)侵入隧道或接近隧頂，另有兩棟房屋被鑒定為危房。2 控制沉降的技術(shù)措施2.1 到達特殊段前的準備工作 1）在該特殊地段增設(shè)3個補勘點以掌握更準確、全面的地質(zhì)情況。 2）對中軸線兩邊各30m內(nèi)發(fā)生較大傾斜和結(jié)構(gòu)老舊房屋進行鑒定，為危房的拆除或臨遷。 3）對隧道上方建筑物進行詳細的入室調(diào)查。對樁基侵入隧道或接近隧頂?shù)慕ㄖ锊扇⊥袚Q加固措施，結(jié)構(gòu)面發(fā)現(xiàn)裂縫的則作詳細記錄。 4）準備支頂加固材料、注漿加固材料、搶險機具設(shè)備、車輛、警戒標識物等以備用。 5）在到達特殊段前選擇一開挖面自穩(wěn)性較好的地段對盾構(gòu)機進行全面檢修，減少在特殊地段停機檢修的風(fēng)險：①對破損較大的盾尾刷進行更換；②全面檢測刀具，對磨損超標的刀具進行更換；③對堵塞的注漿管進行疏通處理；④對分別通往開挖面、土倉、螺旋輸送器的主從泡沫管進行疏通，并在刀盤面中心附近增設(shè)1根泡沫管。2.2 通過時的掘進控制2.2.1 掘進模式、盾構(gòu)機配置及掘進參數(shù) 針對特殊段的情況，選用的掘進模式，盾構(gòu)機械配置及掘進參數(shù)詳見表1。
2.2.2刀具配置 本段洞身地層主要為7、8、9泥質(zhì)砂巖、粉砂巖，易結(jié)泥餅，根據(jù)以往類似地層施工經(jīng)驗，采用全軟土刀具將會出現(xiàn)盾構(gòu)機推力增大、扭矩增大、掘進困難的現(xiàn)象，嚴重時由于盾構(gòu)機長時間在一小范圍擾動，隧道頂部的砂土層會塌落，進而導(dǎo)致地面塌陷的事故；若采用全硬巖刀具，則刀盤面開口率減少，結(jié)泥餅的機會就會增加。故過本段時采用了混合式刀具配置：64把刮刀，16把鏟刀，5把邊緣雙刃滾刀，8把正面雙刃滾刀，6把中心雙頭齒刀。正面滾刀都高出刀盤盤面175mm，為開挖面破除下來的砟土留出了足夠的出砟空間，刮刀超出刀盤盤面140mm，受到滾刀的保護，刀盤開口率約為29%。2.2.3掘進過程的施工技術(shù) 要求盾構(gòu)在通過該特殊段時有序、平衡、平穩(wěn)。 有序 1）施工組織有序 人、機、料的配置合理，工序的安排、銜接有序。 2）機械保養(yǎng)有序 機械保養(yǎng)定人、定期、專業(yè)、規(guī)范，做到無遺漏、標準化。 3） 信息管理有序 技術(shù)交底、作業(yè)交底按部就班，自經(jīng)理部至作業(yè)面指令暢通、反饋迅速。平衡 1）土倉壓力與開挖面水土壓力平衡 嚴格控制土倉壓力，盡量保持土壓平衡，不要出現(xiàn)過大的波動；考慮本段地下水水壓較高，土倉壓力設(shè)置為上部1.3bar左右，下部1.8bar左右。 2）出土量與掘進進尺平衡 嚴格控制出土量，做到進尺量與出土量均衡。本隧道開挖直徑6.28m，考慮盾構(gòu)姿態(tài)變化或其他原因引起的巖土損失和巖土的松散系數(shù)，每環(huán)出土量約66～69m3,即4.5節(jié)砟車。除量的控制外，還要堅持對每環(huán)砟樣進行地質(zhì)水文分析，發(fā)現(xiàn)與開挖斷面地質(zhì)情況不符（尤其是出現(xiàn)32砂層）時，則馬上采取措施。 3）注漿壓力與水土壓力平衡 除考慮注漿處的水土壓力，還要考慮后方來水、開挖面來水的水壓，故注漿壓力是在注漿處水土壓力基礎(chǔ)上提高1～2kg/cm2，且應(yīng)使?jié){液不進入土倉和壓壞管片和不因注漿壓力過大造成地表隆起。特殊段注漿壓力設(shè)置：1＃、4＃注漿孔控制在1.5bar左右，2＃、3＃注漿孔控制在2.0bar左右。 4）注漿量與進尺平衡 考慮漿液失水固結(jié)、盾構(gòu)推進時殼體帶土使開挖斷面大于盾構(gòu)外徑、部分漿液劈裂到周圍地層,采用理論值的150％～200％進行注漿，即為6～8m3。要保證漿液配置與地質(zhì)水文條件、掘進速度相適應(yīng)，過本段時漿液配比設(shè)置為：水泥∶粉煤灰∶砂∶膨潤土∶水=180∶371∶780∶35∶400（kg）,漿液稠度控制在110～115mm，凝膠時間控制在5h以內(nèi)。 平穩(wěn) 1）盾構(gòu)姿態(tài)平穩(wěn) 推進過程應(yīng)保持盾構(gòu)機有良好的姿態(tài)，避免蛇行，每環(huán)姿態(tài)變化控制在±5mm內(nèi)。千斤頂A區(qū)、C區(qū)油缸油壓值差宜保持統(tǒng)一、恒定性，不宜出現(xiàn)過大的波動。 2） 管片姿態(tài)平穩(wěn) 做好管片選型，現(xiàn)場對盾尾間隙實測實量，控制下部盾尾間隙在70mm以內(nèi)，注意管片拼裝的橢圓度，防止尾刷與管片碰撞導(dǎo)致盾尾密封、鉸接密封損壞及管片變形。 3）推進速度平穩(wěn) 掘進過程中向土倉內(nèi)及刀盤面注入泡沫等添加材料，改善砟土性能，提高砟土的流動性和止水性，防止涌水流砂、結(jié)泥餅和噴涌現(xiàn)象，有利于保持速度的穩(wěn)定。推進速度保持在25～40mm/min，日均進尺7～9m。2.3 通過后的補強措施 1） 二次注漿 盾構(gòu)同步注漿后，由于漿液的脫水，漿液體積收縮會加劇地表的后期沉降量，又由于盾構(gòu)推力，襯砌和土層間會相互分離，二次注漿能有效地進一步充實背襯和提高止水能力。特殊地段每推進4環(huán)后補注雙液漿一次，在破除樁基位置兩環(huán)管片的范圍內(nèi)增注一次。 2）三次復(fù)緊 為防止因管片的變形引起地層的過度擾動，對管片螺栓擰緊要求三次復(fù)緊。 即拼裝管片時一次擰緊，推出盾尾后二次擰緊，后續(xù)盾構(gòu)掘進至每環(huán)管片拼裝前，對相鄰已成環(huán)的3環(huán)范圍內(nèi)管片螺栓進行全面檢查并復(fù)緊。 3）地表注漿 作為應(yīng)急預(yù)案，在盾構(gòu)通過本段前，對有托換的建筑物預(yù)埋袖閥管，如盾構(gòu)通過發(fā)生險情能在地面緊急進行地層注漿加固。3 施工監(jiān)測3.1 監(jiān)測點的布設(shè) 區(qū)段范圍布設(shè)監(jiān)測主斷面2個，次斷面36個，分別設(shè)置11個和7個監(jiān)測項目進行全面監(jiān)測。3.2 監(jiān)測在施工中的應(yīng)用 1）監(jiān)測-施工流程圖 為使監(jiān)測結(jié)果能順暢、快速到達作業(yè)面，作業(yè)面情況能迅速反饋到監(jiān)測組和技術(shù)部，承包商制定了監(jiān)測-施工流程圖，以最大限度實現(xiàn)信息化施工的目標，見圖1。 2）沉降排列圖 通過對右線盾構(gòu)經(jīng)過特殊地段的監(jiān)測報表數(shù)據(jù)統(tǒng)計歸納，采用排列圖對盾構(gòu)施工各階段的沉降進行分析。由圖2可見盾構(gòu)到達、盾構(gòu)通過、盾尾通過三個階段的沉降和占最終沉降量的81.82%，是沉降變化的高峰期，必須采取有效和針對性的措施，如盾構(gòu)機平穩(wěn)、快速通過；確保同步注漿壓力、注漿量、尤其是注漿質(zhì)量，堅持二次補注漿，及時填補襯背間隙和減少地下水流失。監(jiān)測報表還顯示，盾構(gòu)機切割樁基時建筑物沉降最大，最大一次達12mm/d，要降低風(fēng)險，搞好房屋樁基托換是前提，切割時則應(yīng)貫徹小推力，慢速度，立足于磨的原則。 3）不均衡沉降 通過對監(jiān)測報表數(shù)據(jù)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，距線路中心越近，沉降越大，反之則越小，這對上方建筑物會產(chǎn)生不均衡沉降。實際施工時，當監(jiān)測結(jié)果顯示同一建筑物橫向沉降差超過2mm/d時，應(yīng)嚴加關(guān)注和采取措施，嚴格控制沉降速率：嚴防盾構(gòu)機姿態(tài)出現(xiàn)大的波動，土倉壓力要適當加大和穩(wěn)壓，注漿切忌不夠量；快速通過，減少沉降高峰期時間，如有必要應(yīng)根據(jù)實際情況對建筑物本身及地基進行加固。4 結(jié)束語 由于準備充分、措施到位，盾構(gòu)機順利通過該特殊地段，盡管監(jiān)測結(jié)果統(tǒng)計仍有3.8%的監(jiān)測點沉降超標（允許沉降：-30～+10mm），有兩棟房屋傾斜率超過允許傾斜值的12%（允許傾斜率4‰），但經(jīng)鑒定超標的房屋均可安全使用，所以說對該段的沉降控制基本取得成功。
2.2.2刀具配置 本段洞身地層主要為7、8、9泥質(zhì)砂巖、粉砂巖，易結(jié)泥餅，根據(jù)以往類似地層施工經(jīng)驗，采用全軟土刀具將會出現(xiàn)盾構(gòu)機推力增大、扭矩增大、掘進困難的現(xiàn)象，嚴重時由于盾構(gòu)機長時間在一小范圍擾動，隧道頂部的砂土層會塌落，進而導(dǎo)致地面塌陷的事故；若采用全硬巖刀具，則刀盤面開口率減少，結(jié)泥餅的機會就會增加。故過本段時采用了混合式刀具配置：64把刮刀，16把鏟刀，5把邊緣雙刃滾刀，8把正面雙刃滾刀，6把中心雙頭齒刀。正面滾刀都高出刀盤盤面175mm，為開挖面破除下來的砟土留出了足夠的出砟空間，刮刀超出刀盤盤面140mm，受到滾刀的保護，刀盤開口率約為29%。2.2.3掘進過程的施工技術(shù) 要求盾構(gòu)在通過該特殊段時有序、平衡、平穩(wěn)。 有序 1）施工組織有序 人、機、料的配置合理，工序的安排、銜接有序。 2）機械保養(yǎng)有序 機械保養(yǎng)定人、定期、專業(yè)、規(guī)范，做到無遺漏、標準化。 3） 信息管理有序 技術(shù)交底、作業(yè)交底按部就班，自經(jīng)理部至作業(yè)面指令暢通、反饋迅速。平衡 1）土倉壓力與開挖面水土壓力平衡 嚴格控制土倉壓力，盡量保持土壓平衡，不要出現(xiàn)過大的波動；考慮本段地下水水壓較高，土倉壓力設(shè)置為上部1.3bar左右，下部1.8bar左右。 2）出土量與掘進進尺平衡 嚴格控制出土量，做到進尺量與出土量均衡。本隧道開挖直徑6.28m，考慮盾構(gòu)姿態(tài)變化或其他原因引起的巖土損失和巖土的松散系數(shù)，每環(huán)出土量約66～69m3,即4.5節(jié)砟車。除量的控制外，還要堅持對每環(huán)砟樣進行地質(zhì)水文分析，發(fā)現(xiàn)與開挖斷面地質(zhì)情況不符（尤其是出現(xiàn)32砂層）時，則馬上采取措施。 3）注漿壓力與水土壓力平衡 除考慮注漿處的水土壓力，還要考慮后方來水、開挖面來水的水壓，故注漿壓力是在注漿處水土壓力基礎(chǔ)上提高1～2kg/cm2，且應(yīng)使?jié){液不進入土倉和壓壞管片和不因注漿壓力過大造成地表隆起。特殊段注漿壓力設(shè)置：1＃、4＃注漿孔控制在1.5bar左右，2＃、3＃注漿孔控制在2.0bar左右。 4）注漿量與進尺平衡 考慮漿液失水固結(jié)、盾構(gòu)推進時殼體帶土使開挖斷面大于盾構(gòu)外徑、部分漿液劈裂到周圍地層,采用理論值的150％～200％進行注漿，即為6～8m3。要保證漿液配置與地質(zhì)水文條件、掘進速度相適應(yīng)，過本段時漿液配比設(shè)置為：水泥∶粉煤灰∶砂∶膨潤土∶水=180∶371∶780∶35∶400（kg）,漿液稠度控制在110～115mm，凝膠時間控制在5h以內(nèi)。 平穩(wěn) 1）盾構(gòu)姿態(tài)平穩(wěn) 推進過程應(yīng)保持盾構(gòu)機有良好的姿態(tài)，避免蛇行，每環(huán)姿態(tài)變化控制在±5mm內(nèi)。千斤頂A區(qū)、C區(qū)油缸油壓值差宜保持統(tǒng)一、恒定性，不宜出現(xiàn)過大的波動。 2） 管片姿態(tài)平穩(wěn) 做好管片選型，現(xiàn)場對盾尾間隙實測實量，控制下部盾尾間隙在70mm以內(nèi)，注意管片拼裝的橢圓度，防止尾刷與管片碰撞導(dǎo)致盾尾密封、鉸接密封損壞及管片變形。 3）推進速度平穩(wěn) 掘進過程中向土倉內(nèi)及刀盤面注入泡沫等添加材料，改善砟土性能，提高砟土的流動性和止水性，防止涌水流砂、結(jié)泥餅和噴涌現(xiàn)象，有利于保持速度的穩(wěn)定。推進速度保持在25～40mm/min，日均進尺7～9m。2.3 通過后的補強措施 1） 二次注漿 盾構(gòu)同步注漿后，由于漿液的脫水，漿液體積收縮會加劇地表的后期沉降量，又由于盾構(gòu)推力，襯砌和土層間會相互分離，二次注漿能有效地進一步充實背襯和提高止水能力。特殊地段每推進4環(huán)后補注雙液漿一次，在破除樁基位置兩環(huán)管片的范圍內(nèi)增注一次。 2）三次復(fù)緊 為防止因管片的變形引起地層的過度擾動，對管片螺栓擰緊要求三次復(fù)緊。 即拼裝管片時一次擰緊，推出盾尾后二次擰緊，后續(xù)盾構(gòu)掘進至每環(huán)管片拼裝前，對相鄰已成環(huán)的3環(huán)范圍內(nèi)管片螺栓進行全面檢查并復(fù)緊。 3）地表注漿 作為應(yīng)急預(yù)案，在盾構(gòu)通過本段前，對有托換的建筑物預(yù)埋袖閥管，如盾構(gòu)通過發(fā)生險情能在地面緊急進行地層注漿加固。3 施工監(jiān)測3.1 監(jiān)測點的布設(shè) 區(qū)段范圍布設(shè)監(jiān)測主斷面2個，次斷面36個，分別設(shè)置11個和7個監(jiān)測項目進行全面監(jiān)測。3.2 監(jiān)測在施工中的應(yīng)用 1）監(jiān)測-施工流程圖 為使監(jiān)測結(jié)果能順暢、快速到達作業(yè)面，作業(yè)面情況能迅速反饋到監(jiān)測組和技術(shù)部，承包商制定了監(jiān)測-施工流程圖，以最大限度實現(xiàn)信息化施工的目標，見圖1。 2）沉降排列圖 通過對右線盾構(gòu)經(jīng)過特殊地段的監(jiān)測報表數(shù)據(jù)統(tǒng)計歸納，采用排列圖對盾構(gòu)施工各階段的沉降進行分析。由圖2可見盾構(gòu)到達、盾構(gòu)通過、盾尾通過三個階段的沉降和占最終沉降量的81.82%，是沉降變化的高峰期，必須采取有效和針對性的措施，如盾構(gòu)機平穩(wěn)、快速通過；確保同步注漿壓力、注漿量、尤其是注漿質(zhì)量，堅持二次補注漿，及時填補襯背間隙和減少地下水流失。監(jiān)測報表還顯示，盾構(gòu)機切割樁基時建筑物沉降最大，最大一次達12mm/d，要降低風(fēng)險，搞好房屋樁基托換是前提，切割時則應(yīng)貫徹小推力，慢速度，立足于磨的原則。 3）不均衡沉降 通過對監(jiān)測報表數(shù)據(jù)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，距線路中心越近，沉降越大，反之則越小，這對上方建筑物會產(chǎn)生不均衡沉降。實際施工時，當監(jiān)測結(jié)果顯示同一建筑物橫向沉降差超過2mm/d時，應(yīng)嚴加關(guān)注和采取措施，嚴格控制沉降速率：嚴防盾構(gòu)機姿態(tài)出現(xiàn)大的波動，土倉壓力要適當加大和穩(wěn)壓，注漿切忌不夠量；快速通過，減少沉降高峰期時間，如有必要應(yīng)根據(jù)實際情況對建筑物本身及地基進行加固。4 結(jié)束語 由于準備充分、措施到位，盾構(gòu)機順利通過該特殊地段，盡管監(jiān)測結(jié)果統(tǒng)計仍有3.8%的監(jiān)測點沉降超標（允許沉降：-30～+10mm），有兩棟房屋傾斜率超過允許傾斜值的12%（允許傾斜率4‰），但經(jīng)鑒定超標的房屋均可安全使用，所以說對該段的沉降控制基本取得成功。