长距离小半径盾构下穿密集建筑物群施工技术

刘涛

广州轨道交通建设监理有限公司 广东广州 510000

摘要：长距离小半径盾构下穿密集建筑物群重叠隧道管线风险较大，掘进过程中对周边建（构）筑物、管线、重叠相邻隧道间相互影响较大，施工过程中若控制不当，容易发生较大安全事故及重大经济损失，结合本工程实例，从盾构掘进下穿密集建筑物群保护措施、盾构掘进出土量、渣土改良、盾构姿态、同步及二次注浆、盾尾密封、沉降监测等方面控制进行介绍，以供同类工程参考。

关键词：长距离；小半径；建筑物群

1、工程概况

1.1区间线路情况

地铁出入段线盾构区间，地势起伏较大，沿线为密集建筑群，从出入段线西端在R=300m圆曲线段上割线始发，出段线在CDK1+359.155~CDK1+26.272，入段线在RDK1+370.546~ RDK1+91.474分别以250m、260m的转弯半径下穿大批厂房及民宅，然后入段线在107国道下方下穿其它盾构区间正线，出入段线在站前明挖段近400m小间距施工（最小线间距8m），在距接收端200m处正上方下穿直径2.4m给水管，下穿长度约150m，净距约6.27m，最后到达站前明挖段西端吊出。

由于出入段线盾构下穿建筑物密集、数量大且较为破旧，盾构共计下穿57栋房屋，大部分房屋建筑年代均较早，且房屋基础均为浅基础。根据详勘资料及补勘资料分析，本区间范围内存在破碎断裂带、上软下硬地层，且隧顶多为比较薄的残积土层或局部为砂层，对盾构下穿成片的建筑物掘进施工的安全带来了很大风险，小曲线半径施工不当，易导致管片碎裂、渗漏、地面、建筑物沉降，甚至地面塌陷、建筑物损坏。

图1.1出入段线穿越建筑物平面图

1.2下穿建筑物工程、水文地质

出入段线下穿房屋群段，隧道范围内土质主要为<5z-1>、<5Z-2>可、硬塑残积土、<6>、<7>、全、强风化砂砾岩层、<6z>、<7z>混合花岗岩全、强风化层，隧道上部主要为<2-1b>淤泥质土、<2-2>淤泥质粉细砂、<2-3>中粗砂质土层，<2-2>淤泥质粉细砂、<2-3>中粗砂质土层受扰动易液化。

地下水主要有两种基本类型，分别为松散岩类孔隙水和基岩裂隙水。地下水初见水位埋深为0.3~1.4m(标高6.90~13.43m),稳定水位埋深为0.7~2.5m(标高5.8~13.33)。

2、盾构下穿建筑物掘进参数分析

在盾构顺利下穿建筑物前后期间，房屋监测累计沉降最大值为-17mm，监测数据正常，地面建筑物无异常。

2.1<6>、<7>全、强风化砂砾岩层掘进参数分析

出段线盾构掘进至172环(全断面<7>地层)时出现了推力大（1900~2200t）、扭矩大、掘进速度慢（10~20mm/min），进行了常压开仓刀具检查及更换，刀具磨损严重（均匀磨损），更换刀盘边刀9把、面板刀具8把。

入段线盾构掘进205环时出现与出段线盾构相同状况，进行了开仓检查，刀具磨损严重（均匀磨损超限），更换刀盘边刀9把、面板刀具11把。

刀具磨损、结泥饼原因：

在掘进全断面<7>时，刀盘转速控制在1.2rpm,速度控制在30~50mm/min，推力偏高、刀具贯入度偏大导致刀具磨损严重。在掘进过程中1#/2#/3#土压力为1.3/1.5/1.6bar，可判断土仓内3/4为土，其余为气。实土压力过高，渣土改良效果不佳,仓内温度持续升高，最终导致刀盘面板及中心开口位置结有泥饼。

刀具更换后掘进参数：

刀具更换后将刀盘转速提升至1.5~1.8rpm，推力降至900~1100t，扭矩120~160t﹒m，掘进速度提升至30~40mm/min,大大减小刀具贯入度，减小刀具磨损。渣土改良通过增加泡沫发泡倍率，保证仓内1/2为土（1#、2#、3#土压力均为1.3bar），同时增加注水量，增加渣土流动性（螺旋机出土扭矩控制在5~13），降低土仓温度。泡沫使用添加分散剂的原液，并通过膨润土泵经泡沫注入孔向刀盘、土仓注入分散剂，防止泥饼形成。

2.2<2-3>中粗砂层、<7z>、<8z>混合花岗岩强、中风化层参数分析

盾构在该上软下硬地层中下穿房屋，为防止超挖，掘进时将土压力提高了0.2Bar(气压)，刀盘转速降低0.2rpm，在掘进过程发现推力明显增加，高达2000t，速度未增加20~25mm/min，出土量正常，扭矩2.5~3.2MN﹒m，掘进两环后考虑按此参数继续掘进刀具磨损严重及泥饼形成，将刀盘转速调至1.8rpm，土压力降低至1.5bar（气压为主），推力明显下降至1600t,速度控制在30mm/min，扭矩降低至1.7~2.4 MN﹒m，按此参数掘进了40环（420~460环 ）,出土量正常，监测数据稳定，且大大减小了刀具磨损及泥饼形成几率。

总结：在此类上软下硬地段掘进应高转速，速度控制在30~40mm/min，扭矩控制在2.5 MN﹒m以下，土压力应以气压为主。在掘进上部为高透水性砂层地质，为防止仓内停机积水、上方砂层塌陷，尽量保证连续施工，缩短施工间隙，停机时将土压力保至掘进时的1.2倍。

3、盾构下穿建筑物控制措施

3.1土压力控制

①在<6>全风化层<7>强风化层掘进土压力控制（仓内3/4为气、1/4为土）；

②<5z-1>可塑残积土<5z-2>硬塑残积土<6z>混合花岗岩全风化层掘进土压力控制（1/2为气、1/2为气）；

③<2-3>中粗砂层<7z>、<8z>混合花岗岩强风化层掘进土压力控制（1/4为气、3/4为土）；

通过泡沫的发泡倍率调整仓内气体所占百分比；通过五个土压计所显示数值判定气体所占百分比。

3.2推进速度、刀盘转速控制

刀盘转速的快慢直接关系到盾构掘进对地层的扰动程度，也直接影响到掘进的速度。根据以往的施工经验，在软土（淤泥质土、含砂粘性土）掘进过程中，刀盘转速在1.4 r/min以上时，掘进速度较快，但其对地层产生的扰动也较大；刀盘转速在1.0~1.4r/min时，掘进速度平稳，且对地层产生的扰动相对较小；刀盘转速在1.0 r/min以下时，掘进速度较慢，渣土改良达不到效果，其对地层产生的扰动相对也较大。因此下半径下穿建（构）筑物段施工时，刀盘转速应适当，宜控制在1.0～1.4rpm之间，在保证一定的掘进速度的情况下尽量减少刀盘对上部建（构）筑物的扰动。

3.3出土量控制

盾构在掘进过程中不断对周围土体进行扰动，在曲线掘进过程中很容易超挖，超挖就会有地层损失，所以出土量的多少对地层损失有直接关系，因此在掘进出土时，出土量控制在理论值的98％，使得切口环处地面微微隆起（＜2mm）,以便抵消后期部分土体的沉降。

在盾构下穿房屋段，跟踪记录土方量与掘进行程。将每节土箱（18立方米）分为三格小箱（6立方米），根据试掘进段的经验总结，在该土层掘进，每掘进1.2米，出土量为48~50立方米，针对每一小格的掘进行程进行核对，防止超挖、欠挖。龙门吊称重控制，在根据地质及每环土的重量综合考虑是否超欠挖。

3.4渣土改良

①改善渣土的流塑性，使切削下来的碴土顺利快速进入土仓，并利于螺旋输机顺利排土，降低土压的波动；同时渣土流动性好可以充分及时填充刀盘旋转后刀盘与土体的空隙，减少超挖量。流动性的控制标准螺旋机出土扭矩在10~15KN。

②改善渣土的流动性和减少其内摩擦角，有效降低刀盘扭矩、降低对刀具和螺旋输送机的磨损、降低掘进切削时的摩擦发热，避免刀盘结有泥饼，减小对土体扰动。

③分散剂的使用：泡沫使用添加分散剂的原液；在膨润土箱内拌制分散剂（水：分散剂=8:1）混合液，并通过膨润土泵经泡沫注入孔向刀盘、土仓注入分散剂，防止泥饼形成。

3.5小半径盾构机铰接控制

（1）铰接形式为主动铰接

出入段线在下穿房屋群、正线右线施工段，平面均在R=250的圆曲线上，为保证上部建（构）筑物安全、控制盾构姿态，合理调整铰接行程是一项重要措施，通过调节铰接行程差让铰接角达到目标值，使得盾构机在小半径施工时减少超挖及盾体对周边土体的作用力，大大降低了盾构掘进对土体的扰动。

在出段线掘进过程中铰接调节：

左右铰接行程差控制在80mm，左侧铰接行程130mm、右侧铰接行程50mm,在姿态略有不佳时，可以微动铰接调整姿态，使得盾构机在小半径施工时减少超挖及盾体对周边土体的作用力，大大降低了盾构掘进对土体的扰动。

铰接的其他应用：

①在开仓换刀前，通过伸缩铰接，使得刀尖距离掌子面80~10mm,避免换刀过程中“打刀槽”的工作。②在停机时间较长、盾壳被浆液“裹住”的情况下，可以利用铰接掘进，方便盾构脱困。

（2）铰接形式为被动铰接

被动交接使用注意事项：

①在小半径掘进过程，姿态纠偏不可过大，纠偏过大盾尾铰接油缸拖拉力增加，行程差增加，可能会导致铰接油缸脱缸；②不可以随意伸缩铰接油缸，导致铰接密封失效；③在掘进过程铰接行程不宜过大，当行程过大后适当调整姿态；

建议：在小半径中掘进，如果由于纠偏过大、边刀磨损严重（开挖直径变小），导致铰接油缸拖拉力过大，建议停止掘进，拆除铰接油缸使用厚钢板焊接连接中盾与盾尾。

采取措施：本区间将边缘刀38A#、38B#、37#、36#、35#开挖半径依次加高5mm、4mm、3mm、2mm、1mm,提高被动铰接的转弯能力，减小铰接行程差及铰接拖拉力（刀具加高的同时注浆量也增加）。

3.6盾构姿态

（1）下穿建（构）筑物过程中，在小半径曲线隧道掘进过程中设置预偏量20～40mm，曲线半径越小，设置的预偏量越大。

（2）下穿建（构）筑物过程中，不要纠偏过大，盾构轴线与设计轴线偏差越大，对周围土体的扰动越大；由于盾构姿态改变导致盾体对周围土体的挤压加大，也会导致地面隆起、周边建（构）筑物受力增加。

（3）下穿建（构）筑物过程中，在小半径、大坡度线路上掘进时，如地下水过多，土仓内水压力过大则难以对盾构机进行纠偏。对于掌子面所产生的水，可采取向掘进面和土仓内注入添加剂的方法控制水量。对于盾尾后面的可能向土仓内流入的水，可对盾尾后的管片进行双液浆注浆，可形成一个比较彻底的封闭环（止水环），则可达到较好的止水效果。

3.7同步注浆及二次注浆

(1)同步注浆

同步注浆配合比:在施工过程中根据地层、监测数据变化进行调整，浆液的凝结时间控制在6~8h。盾构下穿建构筑物时，不仅保证注浆质量，而且要保证注浆量不小于理论注浆量的160％，在小半径段注浆量相应增加0.5m3,所以小半径下穿房屋段的注浆量控制在5~5.5m3。

（2）二次注浆

对于地面出现沉降较大地段，利用盾构机上安置的二次注浆机进行双液补浆，注浆压力控制在0.3~0.4Mpa,补浆后注意地面沉降，如果继续沉降且沉降大，则继续补浆，如果沉降小，则停止注浆，继续监测。二次注浆要根据监测数据进行调整，要遵循“少量多次”的原则，避免补浆时对建筑物产生扰动。

3.8盾尾密封

盾构穿越建筑物时如果盾尾密封密封效果不好、密封损坏，会导致盾尾泄露，引起地面沉降建筑物及管线损坏。所以盾尾密封的保护、使用比较重要。

（1）首先盾尾密封选用优质的盾尾刷，盾尾油脂选用优质品牌，在掘进过程中合理注入油脂，保证油脂注入量每环不少于30Kg。

（2）管片拼装点位选择合理、掘进姿态控制良好，防止由于盾尾间隙过大，出现盾尾泄露的现象。拼装点位的选择优选考虑盾尾间隙；盾构机姿态的调控优先考虑管片姿态。

（3）盾尾注浆压力控制适当，保证同步注浆，如果压力过大，击穿盾尾刷，导致水土流失，地面沉降，进而对地面建筑物造成损坏。

3.9袖阀管注浆加固

盾构下穿建筑物前对具有注浆加固条件的房屋预埋袖阀管，盾构穿越时对沿线建筑物进行监测，当沉降达到10mm时，在地面采用袖阀管对建筑物基础进行注浆，袖阀管提前预埋。

3.10应急临迁措施

位于盾构隧道上方的房屋在盾构通过前，出现险情时须临迁住用人员，确保不出现房屋坍塌造成人员伤亡事故发生。

⑴成立应急临迁小组，将有效的开展临迁的组织工作，并及时处理工作中出现的各种问题，做好应急临迁安置协调工作。

⑵加强现场巡查，安排人员24小时值班，如有异常，及时进行应急临迁工作。

3.11掘进过程中地面及房屋巡查、监测

在盾构下穿房屋过程中将严格执行24小时值班制度，建立应急联动机制，确保井上、井下、地面及房屋巡视人员信息畅通，同时值班领导、地面及房屋巡视人员充分利用盾构远程监控系统进行实时监控盾构机的掘进状态。

房屋沉降监测频率每天三次，对于盾构施工中即将穿越，以及沉降变化量大的点，根据实际情况加密监测频率，必要时进行跟踪监测，监测结果及时反馈给施工人员。在盾构穿越期间，有专职人员对需控制的建筑物进行沉降监测，及时观察结构的变形情况。

4、总结

本盾构区间长距离小半径大坡度小净距盾构下穿密集建筑物群风险较大，通过从盾构掘进下穿密集建筑物群保护措施、盾构掘进参数、同步及二次注浆、盾尾密封、沉降监测等方面措施控制，减小了盾构施工对地面房屋的扰动，很好地控制了建筑物沉降，保证了盾构安全顺利穿越建筑物群，对后续类似工程施工具有指导意义。

（1）土压模式转换、土压力控制

①在<6>全风化层<7>强风化层掘进土压力控制（仓内3/4为气、1/4为土）；

②<5z-1>可塑残积土<5z-2>硬塑残积土<6z>混合花岗岩全风化层掘进土压力控制（1/2为气、1/2为气）；

③<2-3>中粗砂层<7z>、<8z>混合花岗岩强风化层掘进土压力控制（1/4为气、3/4为土）；

（2）渣土改良

泡沫使用添加分散剂的原液；在膨润土箱内拌制分散剂（水：分散剂=8:1）混合液，增加泡沫发泡倍率、注水量，增加渣土流动性（螺旋机出土扭矩控制在5~13KN），降低土仓温度，防止泥饼。

（3）掘进参数（小半径、大坡度）

刀盘转速控制在1.0～1.4rpm之间，在保证一定的掘进速度的情况下尽量减少刀盘对上部建（构）筑物的扰动；通过掘进行程、每格土斗精细化控制出土量在理论值的98％，使得切口环处地面微微隆起（＜2mm）,以便抵消后期部分土体的沉降；

250m小半径采用主动铰接、1.2m管片，在小半径曲线隧道掘进过程中设置预偏量20～40mm控制盾构姿态,左右铰接行程差控制在80mm，减少超挖及盾体对周边土体的作用力，大大降低了盾构掘进对土体的扰动；

优化同步注浆配合比，浆液凝结时间控制在6~8小时，同步注浆量饱满，盾构机上安置的二次注浆机进行双液补浆，二次注浆形成止水环，盾尾密封油脂注入量每环不少于30Kg，确保盾尾密封效果；对房屋预埋袖阀管根据沉降采取跟踪注浆；

成立应急临迁小组，盾构穿越前临迁人员，24小时值班巡查，每天三次沉降监测。

参考文献:

[1] 竺维彬，鞠世健等著. 复合地层中的盾构施工技术[M ].第一版. 北京：中国科学技术出版社，2006

[2] 张凤祥等著.盾构隧道施工手册[M ]. 第一版.北京：人民交通出版社，2005