盾构下穿大量老龄浅基民居沉降控制技术.pdf

・隧道／地下工程・盾构下穿大量老龄浅基民居沉降控制技术魏龙刚（中铁二十局集团有限公司西安７１００１６）摘要莞惠城际ＧｚＨ一６标盾构隧道穿越地质多变的复合地层，掘进过程中遇到富水软弱地层、上软下硬、全坚硬岩、孤石、漂石、砂层等不良地层，施工难度大。隧道下穿大朗镇繁华老城区，线路上方建筑物覆盖率达９０％以上，多为老龄浅基民居，安全风险高。掘进过程中通过采取建筑物及地层主动注浆及跟踪注浆、沉降监测、掘进参数优化、渣土改良、同步注浆及二次注浆控制、地质探测等多种技术实现盾构掘进过程中建筑物安全。关键词盾构下穿老龄浅基沉降控制中图分类号Ｕ４５５．４３；ＴＵｌ９６．２文献标识码Ｂ—文章编号１００９４５３９（２叭４）增ｌ一０１９７一０４１引言随着盾构法施工的日渐成熟，盾构线路的选择从最初的适合软土地层，逐步发展为适合各类地层的施工，从常规的沿空旷地带以及城市道路下前行，发展为沿地面环境复杂、地面建筑较多的地下敷设。随之而来，各种盾构施工问题也随之显现，施工难度逐渐加大，对地面、房屋沉降的要求也随之提高。为此，如何抑制沉降，确保盾构施工中上方建筑物的安全，是盾构施工技术中重点解决的问题。２工程概况中铁二十局集团承建的莞惠城际ＧｚＨ一６标盾构隧道全长５８４０ｍ，位于东莞市大朗镇，采用２台鄙．８３ｍ土压平衡式盾构机。其中一台盾构机施工ｌ｝｝始发井至吊出井的左右两线（共计２９１５ｍ），另一台盾构机施工２＃始发井至吊出井的左线（２９２５ｍ）。盾构隧道拱顶覆土厚度１３～４３ｍ，穿越地质多变的复合地层，地层自上至下依次为素填土、淤泥质粉质黏土、粉质黏土、全风化、强风化及弱风化？昆合片麻岩，隧道下穿大朗镇黎贝岭村、巷尾、巷头以及大井头村，上覆建筑物密集，覆盖率达９０％以上，多为上世纪七八十年代老龄浅基民居。施工难度大，安全风险高。３老龄浅基民居沉降控制重难点及对策３．１沉降控制重难点（１）老龄浅基民居，由于房屋年代久远，自身结—收稿日期：２０１４０２一１３铁道建筑技术ＲＡｆＬＷ４ｙＣＯＮＳ丁开ＵＣ丁ｆ０～丁ＥＣＨ～０ＬＯＧｙ构较差，对地层沉降反应敏感。（２）在软土地层中，隧道洞身位于粉质黏土及全强风化混合片麻岩，由于东莞水位线较高，地下水丰富，掘进过程中极易造成混合片麻岩遇水软化，导致地层沉降。（３）在上软下硬地层中，由于上部地层松软，切削下来的土体较容易进入土仓，而下部为硬岩，盾构机较难破碎，这样极易造成上部地层产生过量切削，出土量增大，土仓内产生土压不平衡，引发地层沉降。（４）在软土地层及上软下硬地层中，由于开挖面富水量大、水压较高，透水性大，容易发生喷涌现象，从而增加出土量，产成超挖，引发地层沉降。（５）在软土地层中由于粉质黏土及全强风化混合片麻岩软化后呈黏土状态，掘进过程中易在刀盘中形成泥饼，而上软下硬地层中由于岩石强度上下差异大，易于发生刀具偏磨现象。由于盾构隧道上方无地面加固条件，处理结泥饼及偏磨需采用带压开仓的方式。带压开仓效率低，开仓时间长，易于产生刀盘前后地层不稳定，引发地层沉降。３．２沉降控制重难点对策（１）对基础形式薄弱，地层复杂地段的房屋提前主动注浆加固，盾构通过时确保房屋的安全稳定；在掘进过程中，对线路边线外４５０范围内房屋及地表情况进行实时监控量测，根据监测结果及时采取房屋的跟踪注浆加固。（２）尽量避免长时间停机，掘进过程中根据地层特点及监控量测结果及时优化掘进参数，确保出土量在正常范围之内。２０１４ｌ增１｛１９７万方数据・隧道／地下工程・（３）注重渣土改良，及时进行泥饼的清理、检查及更换，采用专业型队伍进行开仓工作，确保快速有效的完成处理任务。（４）掘进过程中及时进行隧道的同步注浆及二次注浆，确保管片背后地层密实。（５）管片拼装完成后，采取地质探测的方法，从地面及拱顶分别对地层采取地质雷达探测或钻芯取样，发现不密实及空洞及时采取注浆进行补强。（６）在软土及上软下硬地层中掘进时，对刀盘前后３０ｍ及中线外侧１５ｍ范围内人员采取临时搬迁措施，确保掘进过程中居民的安全。４沉降控制施工技术４．１房屋主动注浆及跟踪注浆加固４．１．１房屋主动注浆加固在软土及上软下硬地层中，由于地层多为全强风化混合片麻岩，岩层遇水易软化，因此掘进过程中易产生地层失水沉降，引发房屋沉降的安全风险。为此在盾构通过前，对软土及上软下硬地层线路中线外侧２５ｍ内的房屋采取预加固措施，对建筑物天然基础下的松散土体及管桩周边地层进行主动注浆加固，以改善天然基础地层并加强管桩与土体摩阻力，从而增加盾构通过时房屋的安全稳定性。由于沿线房屋密集，房屋之间空间有限，建议采用机动灵活轻便的钻注一体机进行注浆加固。对于一般软土及上软下硬地层注浆深度从原地面至房屋基础以下２ｍ，沿房屋周边交错布置２排斜向下注浆孔，同排注浆孑Ｌ间距１ｍ（见图１）。对于地层变化段，如从软土进入上软下硬地层，或从上软下硬进入软土段，由于围岩变化较大，掘进控制难度加大，因此对变化段上方的房屋，室内外采取满堂地层加固，从而避免由于参数控制不当引发的地层沉降，也方便在变化前及时进行开仓换刀，确保快速通过下一地层：满堂地层加固，周边注浆孔布设２排，同排间距１ｍ，深度从原地面至基础以下２ｍ，室内注浆孔间距１ｍ，交错布置，沿隧道边线外３ｍ范围进行布置，深度从隧道拱顶至拱顶以上５ｍ，竖向下布置（见图２）。浆液类型及注浆参考参数：浆液为水泥浆；浆液扩散半径，Ｒ＝０．８ｍ；注浆孔间距１．０ｍ，梅花形布置；注浆压力，设计终压值一般按０．５～０．８ＭＰａ控制，３次，每次持续１０～２０ｍｉｎ，注浆施工过程中需对地表及建筑物抬升情况进行监测，及时调整注浆压力，防止注浆压力过大对建筑物造成损害。同排孔间距箧］厂］ｌｌ０００ｍｍ梅花彤布剐＼硝＼斜向注浆孔ｊ【．１ｏｏＩ皂图１房屋周边主动注浆加固示意图２房屋满堂主动注浆加固平面示意（单位：ｍ）注浆顺序，按跳孔间隔注浆方式进行，宜采用先外围后内部的注浆施工方法，当地下水流速度大时，从高水头的一端开始注浆。浆液材料，４２．５级普通硅酸盐水泥，水灰比：—１：０．８１：１，浆液浓度根据地层情况进行调整。４．１．２房屋跟踪注浆在盾构通过时，根据监测结果以及房屋周边巡查情况，当房屋发生报警或者出现异常情况时，及时采取跟踪注浆措施。跟踪注浆亦采用钻注一体机注浆，对于房屋出现沉降的一侧及时布设注浆孑Ｌ，单排斜向下布设，注浆孔间距１ｍ，注浆深度从原地面至基础以下２ｍ（具体根据现场实地情况进１９８铣道建篱技术ＲＡ『ＬＭｙＣｏＮＳ丁开ＵＣ丁ｆ０～丁Ｅ－ｃ＿Ｈ～ＯＬＯＧｙ２Ｄ７４ｆ增７Ｊ万方数据・隧道／地下工程・行调整），浆液参数同主动注浆参数。注浆过程中实时进行监测，发现有隆起趋势时及时停止注浆，回落后及时补充注浆，房屋其余侧根据注浆监测情况进行布设，直至房屋沉降稳定。４．２监控量测在信息化时代，在依靠科学技术、数字化的年代，通过先进的技术水平指导施工，越来越显得重要。在盾构施工过程中，通过科学的监控量测工作，通过对洞内外地层、建筑物沉降变化的数字性分析，及时调整掘进参数、优化掘进参数，对地层、建筑物及时采取跟踪及补充注浆，是安全施工的一个重要手段。盾构掘进前后对周边地表及建筑物、洞内隆沉情况进行监测（见表１）。表１盾构监测频次序号监测项目位置或监测对象监测频率施工影响范围内建筑物沉ｌ掘进面前后＜２０ｍ各种建筑物降监测点时，测ｌ～２次／ｄ；掘进２地表隆沉地表监测点面前后＜５０ｍ时，测１次／２ｄ；掘进面前后＞３隧道隆沉隧道管片５０ｍ时，测１次／周（１）地表监测：测点每３０ｍ布设一个断面，在建筑物密集区域每ｌｏｍ一个断面，测点沿隧道边线外４５。范围布设，相邻点问距４ｍ，采用不小于１６ｍｍ钢筋插入地表土体内，为确保反应地层真实变化情况，需插入原状土内，且深度不小于ｌｍ。（２）建筑物监测：建筑物每个角部设置观测点，当边长较长时，不超过１５ｍ布设一个测点，采用膨胀螺栓打入建筑物墙体内，深度约１０ｃｍ。（３）隧道隆沉：在隧道内每隔５ｍ在底部设置一个隧道隆沉监测点，采用膨胀螺栓打人管片内，深度约１０ｃｍ。４．３掘进参数控制４．３．１掘进参数的设置及调整软土地层中（洞身位于全强风化混合片麻岩中）采用土压平衡模式掘进。土仓渣土至少保持在２／３以上，加气保压。根据埋深和水头压力计算确定平衡压力值，压力控制在比平衡值大０．１～０．２ｂａｒ，推力控制在３５０００ｋＮ以下，刀盘转速控制在１．８～２．０ｒ／ｍｉｎ，刀盘扭矩控制在４５００ｋＮ・ｍ以下。在重要建筑物下方时，采用满仓推进。满仓铁道建筑技术ＲＡｌＬＷＡＹｃＯＮｓＴＲＵＣＴＩｏＮＴＥｃＨＮＯＬＯＧＹ推进，安全可控性高，然而由于渣土满仓，土体流动性减弱，刀盘内容易结泥饼，刀具发生偏磨，为此不建议长时间满仓掘进。参数控制与渣土加气压推进模式基本相同。当出现刀盘扭矩长时间超过控℃制值，渣土温度超过４５，推进速度小于５ｍｍ／ｍｉｎ时，及时进仓进行刀具的检查更换及泥饼的清理。上软下硬地层中（洞身上部位于全强风化混合片麻岩，下部位于弱风化地层）掘进施工的要点是控制洞身上部松软土体的超挖。所以应降低刀盘转速，控制好左下、右下分区推进油缸的推力。同时，因为Ｗ３地层透水性强，易造成喷涌，建议最好采用满仓推进，减少地下水的渗入，掘进模式根据地层情况适时调整，当结泥饼频繁时，可采用土压加气压的模式。主要施工参数为推力：左下、右下分区油缸压力控制在１５０ｂａｒ左右，左、右分区油缸压力控制在７０ｂａｒ，顶区油缸压力控制在５０ｂａｒ左右，总推力不超过３５０００ｋＮ；刀盘转速小于１．８ｒ／ｍｉｎ；刀盘扭≤矩４０００ｋＮ・ｍ；土仓顶区压力约水土压＋（０．１～０．２）ｂａｒ。当出现刀盘扭矩长时间超过控制值，渣土℃温度超过４５，推进速度小于５ｍｍ／ｍｉｎ时，及时进仓进行刀具的检查更换及泥饼的清理。硬岩掘进施工中（洞身位于弱风化地层），由于土体比较稳定，安全系数高。可采用欠压掘进或空仓掘进。控制的重点是及时进行同步及二次注浆。主要施工参数为推力不大于２００００ｋＮ；刀盘转速２．ｏ～２．４ｒ／≤１１１ｉｎ；刀盘扭矩３０００ｋＮ・ｍ。当出现推进速度小于５Ⅱ∥ＨｌＩｎｉｎ；刀盘扭矩大于４５００ｋＮ・ｍ时，立即常压开仓检查刀具或泥饼固结情况，并进行相应处理。４．３．２出土量的控制与管理地表出现沉降或塌陷基本上都是因为出土量超标，即实际出土量超出设计理论值，所以严格控制出土量非常重要。控制好盾构机姿态、匀速推进，尽可能确保刀盘切削土体和螺旋输送出土量平衡。本项目根据刀盘尺寸大小和管片尺寸确定每环理论出土量为：Ｇ＝［（盯・说）／４］×￡＝［（１Ｔ×８．８３×８．８３）／４］×１．６＝９７．９３ｍ３／环。实际单环出渣量Ｇ应乘以松散系数，根据试验数据该类软土地层中渣土松散系数约１．３～１．４、硬岩地层中渣土松散系数１．５一１．６。即软土地层中出渣量在１２７．３ｌ一１３７．１ｍ３／环、硬岩１４６．９～１５６．６９ｍ３／环。另外出土量的控制，还应结合泡沫加入量和推力油缸行２０１４《增１）万方数据・隧道／地下工程・程进行精确计算。出土量控制取决于盾构机司机操作水平，在该岗位上安排责任心强、专业知识水平高、操作经验丰富的操作手，并全程安排多人把关进行出土量记录与控制。对于风险较大的地层，细致考核每一渣斗的出土量，发现不符，立即通知司机和施工调度，提醒注意。当偏差较大时，停止掘进，查找原因，同时调整施工参数，做好地面处理的施工准备，及时进行地表注浆，消除多出土风险。４．４渣土改良渣土改良，它对于改善土质条件、减少刀盘结泥饼及刀具偏磨、预防喷涌、增加掘进速度、降低刀盘扭矩等方面发挥着不可估计的作用。因此如何确保渣土改良效果是一项重点研究的事项。渣土改良通过加注泡沫或膨润土来实现。泡沫剂质量标准一般控制如下：（１）泡沫稳定性，所生成的泡沫在３ｍｉｎ内不消散或消泡率不超过１０％，≥同时半衰期６≥ｍｉｎ；（２）膨胀率，泡沫膨胀率１０倍。施工中，为取得良好的渣土改良效果，应结合地质条件调节泡沫注入率、发泡率、泡沫剂浓度。软土地层中一般取：泡沫剂浓度１．４％，发泡率５％，泡沫注入率５０％；其它地层根据该指标实际调整。４．５同步注浆以及二次注浆的控制同步、二次注浆是盾构施工一项非常重要的施工环节，施工目的主要有３点：一是因掘进时管片和地层之间存在空隙，防止隧道周围土体压缩引起地面下沉；二是提高隧道的止水性能；三是使管片与周围地基一体化，使作用外力均匀，让盾构隧道在结构上获得早期稳定性。盾构隧道管片拼装后同步注浆及时进行，注浆压力控制在３ｂａｒ左右，确保及时填充壁后空隙，减少地面沉降，注浆量根据注浆压力进行调整：注浆压力较小时加大注浆量；注浆压力一直保持较大时，适当减少注浆量。注浆过程中应控制压力不要过大，以免击穿盾尾钢刷。注浆量还应结合隧道的出土量进行控制。管片脱出盾尾后及时进行二次注浆，补充同步—注浆的空洞，注浆压力控制在０．３０．５ＭＰａ。注浆过程中时刻关注管片变化情况，避免出现因为注浆导致的管片错台。这里特别强调二次注浆的及时性，建议管片脱出盾尾３环后（盾尾内含２．５环管铁道建篱技术片）便进行二次注浆（也不建议离盾尾过近，以免注浆包裹盾尾刷），以确保及时充填壁后空洞。４．６地质探测由于项目地质复杂，掘进过程中可能产生超挖、隧道同步注浆及二次注浆不饱满、上方地层产生一定的沉降导致部分空洞的现象，包括在换刀部位长时间停机产生地层软化、顶部形成空洞。为此及时掌握地层情况并进行快速处理显得极其重要。通常采取的手段有地质钻孔及雷达探测：地质钻孔判断直观，然而探测部位局限性大，费用较高，且受地表空间环境限制，操作不便；雷达探测灵活方便，费用较低，但探测深度有限，一般最多只能探测到５ｍ以内。管片二次注浆后，及时对拱顶进行雷达扫描，发现有松散、空洞情况时，及时通过管片注浆孔进行进一步补强注浆，直至背后密实为止。另外对于掘进过程中产生异常的段落，包括换刀点、多出土点、长时间停机点，进行地表雷达探｛：贝０或地质钻孔的方式，当发现有地层空洞时，及时采取地层深孔注浆的方式，补充地层空洞，确保地层密实。５结论与讨论（１）盾构在复合地层下，通过对建筑物的主动注浆及跟踪注浆、监控量测、掘进参数的控制优化、渣土改良、同步注浆及二次注浆的及时与充足、地质探测后的补充注浆等多种手段的综合应用，上方老龄浅基民居的沉降能够控制在范围之内，安全风险基本可控。（２）盾构施工更加讲求施工管理，只有精细化的管理、通过对各种信息的及时收集、分析与整理、发现问题后的快速机动处理，才能确保盾构施工的安全及质量。（３）注浆施工在盾构施工中尤为重要，建筑物安全问题的发生，９０％以上都是由注浆管理不善所引起，注浆效果及注浆的及时性不容忽视。（４）进一步提高渣土改良以及注浆效果，是今后进一步研究的方向。参考文献［１］王立军，许俊伟．地铁盾构隧道下穿既有桥梁异性板区沉—降控制综合技术［Ｊ］．隧道建设，２０１１，３１（２）：２２０２２６．［２］朱伟，秦建设，魏康林．土压平衡盾构喷涌发生机理研—究［Ｊ］．岩土工程学报，２００４，２６（５）：５８９５９３．ＲＡｌＵ～ＡＹｃＯＮＳＴＲＵｃＴｌｏＮＴＥｃＨＮｏＬＯＧＹ２０１４ｌ增１ｌ万方数据