地铁盾构下穿建筑物群地层沉降控制技术研究

地铁盾构下穿建筑物群地层沉降控制技术研究

张力龙

中铁一局集团城市轨道交通工程有限公司 广东 佛山 214000

摘要：盾构隧道由于其众多的优点，已逐渐成为城市地下隧道施工的首选。但盾构施工不可避免地会对周边土层造成扰动，改变原有地层的状态，造成一定的地层位移和地表沉降，危及邻近构筑物的安全，对周边环境造成破坏。因此，在地铁隧道盾构施工中，盾构施工会产生多大的沉降或隆起，是否会影响相邻建筑物(构筑物)的安全是最关键的问题。为了在施工前预估地铁工程可能引起的地面沉降，首先需要了解盾构穿越建筑物(结构)的主要施工安全风险，以及施工引起的地面沉降的一般规律和机理。进而提出相应的控制措施，达到提前防控的目的。

关键词：地铁盾构；下穿建筑物群；地层沉降；控制技术

1施工安全风险分析

1.1工程地质风险

区间右线隧道下穿小区段洞身范围内地层主要为（7－3）粉质黏土、（3－4）淤泥质粉质黏土，拱顶覆土厚度14.1～15.9m，拱顶地层自下而上主要为（3－4）淤泥质黏土、（3－1）黏土、（1－2a）淤泥混素填土、（1－1）杂填土层，地层自稳性差、抗扰动性差，极易受到掘进的扰动，掘进过程土压的波动、出土量的波动、注浆参数的波动均会造成地表发生沉降或者隆起，从而造成地表、房屋出现裂纹和倾斜。

隧道穿过房组的水平方向位于400米圆曲线右侧，垂直方向位于0.91%下坡段。在盾构隧道偏差修正过程中，容易发生单侧超挖和单侧挤压，导致土体蠕变引起的地面沉降或隆起。

1.2与房屋特殊相对下穿位置风险

盾构隧道是从房屋的角落里传下来的，而且每栋房屋跨度大，整体基础和墙体长度都较长，且地面沉降控制不当容易造成墙体开裂。区间隧道与建筑基础平面关系如图1所示。

图1　区间隧道与房屋基础平面关系示意图

1.3刀盘开挖范围侵入房屋基础加固体风险

房屋桩基础与隧道结构净距0.08m，刀盘开挖外径6460mm，管片外径6　200mm，刀盘开挖轮廓与管片背部间距为0.13m，刀盘开挖范围侵入到房屋复合地基0.05m，其相对位置示意见图2、图3。

图2　区间隧道与房屋基础剖面关系示意图（单位：m）

图3　刀盘开挖范围侵入房屋基础加固体示意图（单位：m）

盾构掘进过程中刀盘切削加固体造成震动，可能会引起房屋开裂，或压力控制不当会造成加固体沉降和隆起，从而带来地面、房屋墙体的开裂和房屋的倾斜。加固体周边土体与加固体之间存在断层，掘进时极易造成此部分薄弱土体整体剥落，造成超方，从而使加固体整体下沉，引起地面沉降、房屋墙体开裂、房屋倾斜等风险。

2盾构下穿房屋群安全控制措施

2.1掘进参数控制

土压主要取决于刀盘前的土体压力，一般以刀盘中心处的土体压力为准，可按式（1）计算。P1＝k0×γ×h（1）式中：P1为土仓内土压力；k0为侧压力系数，取0.46；γ为土的容重，取18.4kN／m3；h为刀盘中心的埋深，过房屋段隧道中心埋深从17.2m线性过渡到19m。根据盾构机的掘进位置及相应的情况，选取相应的参数代入式（1），始发段土仓压力P1＝1.456～1.608bar。掘进过程随着隧道的前进土压逐步从1.46bar变化到1.61bar。土压力控制根据理论计算及地质情况，在盾构穿越过程中，根据地面监测反馈的信息及时进行调整。土仓压力以土压传感器为控制标准，波动幅度应尽量控制在±0.2bar以内，盾构掘进参数见表1。

表1盾构掘进参数表

为保持土压的稳定，尽量减小土压波动，掘进过程须保持各项参数的平稳，同时降低泡沫系统气体的流量，如无法控制可停用泡沫气体，采用纯液体改良渣土。

2.2姿态控制

水平方向处于400m半径右转圆曲线段，水平姿态前点宜保持在＋40～＋60mm之间，水平中点已保持在＋10～＋20mm之间，水平后点宜保持在－10～＋10mm之间，确保能够满足纠偏需求的同时，保证成型隧道的拟合。垂直方向盾构机处于0.91％的下坡段，应尽量减小刀盘切削房屋地基加固体深度，降低刀盘切削过程对房屋造成的影响，垂直方向前点宜保持在－60～－40mm之间，垂直方向中点宜保持在－30～－20mm之间，垂直方向后点宜保持在0～－10mm之间。隧道轴线偏差见表2。

表2隧道轴线偏差表mm

2.3　地面沉降控制

鉴于房屋段具有重大安全风险，针对上述安全风险分析，结合盾构施工引起地面沉降规律，见图4，地面沉降的控制主要体现在地面沉降规律的5个阶段（累计沉降控制在－10～＋6mm之间，变化速率控制在3mm／d）。

图4　盾构施工引起地面沉降规律示意图

2.3.1前期沉降

前期沉降主要来自于盾构掘进过程土压或者推力的不当，造成前方土体形成挤压或者失压引起沉降，因此主要控制掘进过程的推力和土压，采用超前监测，随时根据监测变化情况反馈指导参数的调整。

2.3.2掘进过程中的沉降

掘进过程中的沉降主要来自土压的控制和是否超挖土体，过程中严格控制土压、出土速度、刀盘转速等，保证各项参数的平稳，控制掘进速度在30～50mm／min，及时进行监测反馈指导土压的调整，掘进过程严格控制螺旋机转速的平稳，防止超挖，严格按照要求量测、计算、控制出渣量。

2.3.3掘进过程中盾体上方的沉降

进行设备改造，将同步注浆其中3根注浆管路做三通改装，将每根管路一分为二，在保证4根管路同步注浆的基础上，增加在1和11点位径向孔匀速注入惰性浆液、和盾尾后方1～11点位注入惰性浆液，在保证盾体不被裹住的情况下及时填充了盾体上方的间隙。浆液配比见表3。

表3　惰性浆液（厚浆）配合比

径向孔位于前盾（直径6　440mm）上方，每掘进一环需要的惰性浆液用量V1＝0.3m3，注浆压力与土压相同（保持地面沉降稳定的同时，确保浆液不会被打入刀盘前方，造成浆液浪费和土压波动），径向注浆见图5。

图5　径向注浆示意图

2.3.4　脱出盾尾衬砌环管片上方沉降

1）同步注浆。管片背部理论建筑空隙（即理论注浆量），V0＝3.9m3，取1.3～1.5的扩散系数，则每环同步注浆量V2＝（1.3～1.5）V0＝5.1～5.9m3，注浆压力取1.2倍的静止土压力1.6～2.0bar，实际操作过程中根据地面监测情况及时进行调整。

2）二次注浆。掘进过程中盾尾后方倒数第四～五环管片上部注入惰性浆液，注入量和注浆压力根据地面沉降反馈情况进行选择，注浆压力应不大于同步注浆压力，二次注浆施工工艺示意见图6。

图6　二次注浆施工工艺示意图

3）三次注浆。为了稳定盾尾后方沉降，在盾尾倒数6～10环管片顶部开孔注入双液浆及时填充管片顶部间隙，及时控制沉降。双液浆采取纯水泥浆∶水玻璃溶液（体积比）＝（1～2）∶1的比例进行混合注入，水泥浆∶水灰比（体积比）＝1∶1，水玻璃溶液中水玻璃∶水（体积比）＝1∶1。采用少量多点的方式进行施工，具体注浆量和注浆压力根据地表沉降参数和管片变形情况进行调整。

结束语

盾构施工不可避免地会产生地面沉降和隆起，在穿越建筑物(结构)时会存在较大的安全风险。因此，有必要充分了解盾构施工引起的地面沉降规律，详细分析盾构施工中存在的安全风险，并采取有针对性的措施来控制风险。通过阐述盾构施工参数，合理设置调整和控制盾构姿态，合理配置注浆，采用同步注浆，加强监测、信息化施工等综合技术措施，对乡村老建筑的地面防护及安全区内建筑物的沉降变形进行控制。

参考文献

［1］徐福旺.地铁盾构穿越密集建筑物群施工技术研究［J］.工程技术研究，2018（8）：26－27.

［2］刘俊生，卢金芳，徐栋栋.双线盾构隧道开挖地表沉降变形规律研究［J］.城市勘测，2019（5）：180－185.