浅谈盾构在复杂填海区穿越建筑物的控制技术措施及应用_苏州地铁盾构隧道下穿建筑物
时间：2019-05-27 03:32:30 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
摘要：介绍了在深圳地铁2号线施工过程中，盾构在复杂填海区穿越浅基建筑群的控制技术。通过在盾构机施工前后采取的控制技术措施，克服了填海区复杂的地质及地下水受潮汐影响大等工程难题，成功地穿越了浅基砖混结构建筑群。
关键词：地铁，盾构，穿越，建筑群，控制技术
Abstract: this paper introduces in shenzhen metro line 2 construction process, the shield in the complex of buildings across the shallow and reclamation control technology. Through the shield construction in before and after the technical measures to control, overcome the reclamation complex geological and groundwater is big tides engineering problem, successfully through the shallow base brickconcrete building complex.
Key words: the subway, shield, through, buildings, control technology
中图分类号：U455.43文献标识码：A 文章编号：
1、 概述
地铁主要在城市市区穿行，地铁施工就不可避免会影响到地面的建构筑物，尤其区间隧道经常需下穿建筑物。一旦施工过程中，对建筑物的沉降控制不好，往往造成建筑物的倾斜、开裂甚至倒塌的事故。现在盾构机在隧道施工中的应用越来越广泛，采用盾构技术，对地表的沉降影响较小，安全性较高。但在复杂的填海区，地质复杂、地下水受潮汐的影响大，且地表为浅基砖混结构的建筑物，对沉降尤其敏感，下穿时需采取针对性的控制技术措施，才能确保安全穿越。
2、工程概况
深圳地铁某标段盾构区间东～水区间土建工程范围包括区间隧道以及区间隧道范围的联络通道、泵房土建工程。区间左线长1061.718m，右线长1057.35m，区间单线隧道总长2119.068m，设置区间联络通道及泵房一座。
本区间左右线为分修的两条单线隧道，位于南水路和蛇口步行街下方。线路从水湾站出发，沿南水路向东穿行，经过蛇口步行街向南偏东方向穿行，直至东角头站。左、右线线间距为12.0～13.2m。
东～区间主要穿越砾（砂）质粘土层，基底为砾（砂）质粘土，地下水丰富，顶板砂层地段易涌水，局部钻孔和砾（砂）质粘土见强～中等风化岩碎块，上部建筑物以天然地基为主。盾构区间右线无正穿的建筑物，盾构区间左线正穿约10栋建筑物，主要为砖混结构，层数4～5层，基础主要为条形基础，埋深约2~3m。
3. 盾构穿越建筑物技术措施及实施效果
3.1 工程重难点
该区间隧道主要穿越砾砂、砾质粘土层，部分隧道围岩中存在球状风化体，球状风化体的体积相对较小，在事前的地质钻探过程中难以精确地全部勘察清楚，因此在盾构施工过程中，往往在较松软的介质，如残积的砂质粘性土中，会突然碰到小体积的非常坚硬的球状体；将会造成隧道管片破损、隧道中心线偏移盾构机损坏、盾构机停机等许多难以预料的问题，同时地下水较丰富，区间隧道从多根管线和多栋浅基础民用建筑下方穿越，现场踏勘发现，区间上方浅基建筑及管线建成时间长，已有老化、破损情况，对地面沉降非常敏感。在掘进过程中不慎，土体塌方导致地面沉降，引起隧道上方管线、建筑物不均匀沉降和开裂，或上方土体隆起，危及管线及建筑安全。
3.2.1到达建筑物前的准备工作
(1)收集盾构掘进参数
为了使盾构安全、顺利的旁穿或下穿本标段建筑物，盾构在掘进时收集掘进技术参数 (如土压、推进速度、同步注浆量、注浆压力、浆液配比、二次补浆的位置、频率、注入量、浆液材料选择和注入压力等)，提前为左线盾构下穿和侧穿建筑物做准备。
通过对盾构推进参数的试验和分析，为盾构安全、顺利的旁穿或下穿建筑物提供切实可行的包括土压、推进速度、同步注浆量、注浆压力、浆液配比以及二次补浆的位置、频率、注入量、浆液材料选择和注入压力等技术参数和措施。
(2)刀具配置
刀盘是利用了土压平衡盾构机在混合含水地层开挖隧道的经验和技术的成果进行设计的。刀盘辐条上安装了标准刮刀和先行撕裂刀。刀具的形状和位置便于开挖和排渣。
3.2.2 盾构通过建筑物过程中掘进控制技术措施
根据其他标段在深圳盾构穿越建筑物的施工经验，结合相对应的初始试验段地表沉降情况，从以下几方面采取措施，降低隧道上方土层的沉降量。
1、合理设置土压力，防止超挖
在盾构推进的过程中，根据监测数据及时调整土压力值，从而科学合理的设置土压力值及相宜的推进速度等参数，防止超挖，以减少对土体的扰动。
盾构即将穿越的海马楼、南水步行街商铺、华达大厦等建筑物，盾构覆土厚度为10.11m～13.29m ，沉降控制标准要求高,所以在这种情况下要适当提高正面土压力的设定值,一般正面土压力设定值为刀盘中心地层的静止土压力值的1.4倍,并根据沉降监测结果进行适量的微调。
2、土的改良
使得盾构机能顺利通过砂质粘土、全强花岗岩复杂地段，为了有效地改良渣土性能，盾构机上配备分别独立的泡沫注入系统，膨润土添加系统，用以在不同地层中掘进时改良渣土的性能。
3、穿越时降低推进速度，保证推进速度的恒定、稳定，严格控制盾构推进方向，减少纠偏，特别是大量值纠偏。
① 盾构推进速度对地面的隆沉变形有明显的影响。
盾构推进速度与正面土仓压力、千斤顶推力、土体性质等因素有关，一般应综合考虑。
穿越时的推进速度控制在10～30mm/min，日掘进量为6-8环。过快的推进速度，将增加对土体的扰动。
② 严格控制出土量,做到进尺量与出土量的均衡,考虑到本区间开挖断面基本为全断面砂质粘土和全强风化岩,每次出土时将出土量保持与车斗上沿持平，并通过试验计算出土的松散系数，使每环出土量符合计算值。除量的控制外,还要对坚持对每环土样进行地质水文分析,发现与开挖断面地质情况不符时,则马上采取措施。
③ 在推进至建筑物之前将盾构的姿态调整到最佳状态，在盾构机穿越建筑物前，对控制网及井下、隧道内的测量控制点进行复测。在确认无误的情况下，盾构机根据测得的姿态，将轴线误差调整到小于10mm，以准确的姿态进行推进。
由于施工机械的精度、人工控制的误差、土层的不均匀性以及盾构本身设计轴线的曲率变化等原因，盾构推进过程中其轴线不可能始终与隧道轴线平行，即盾构姿态会随盾构的推进而变化。盾构姿态的变化包括水平姿态变化以及竖直姿态变化，其变化将在盾构四周产生空洞区和扰动挤压区，对周围环境产生影响。
在穿越建筑物的推进过程中，间隔一定距离测量一次盾构机的姿态偏差，盾构操作手根据偏差及时调整盾构机的推进方向，尽可能减少纠偏，特别是要杜绝大量值纠偏，适当降低推进速度，从而保证盾构机平稳地穿越建筑物。
4、采取合理的注浆措施
（1）由于同步注浆为流动的单液浆液，注入时是完全没有自立性的物体，容易流失到尾隙处的其他部位，因而注入的区域，特别是管片背面的上顶部位很难充填到，如图2-1，加上同步注浆浆液固结时间较长，容易受到地下水的稀释，致使早期强度下降，使得隧道上方的土体向未充填到的空隙滑动、坍塌，从而导致地表产生较大的沉降。
图2-1 同步注浆模式图
如前所述，同步注浆后，在管片背后将留下未充填到的部位4(见图2-1)，在采取同步注浆后，采用二次补浆的方法及时充填该部位，达到充填完全的目的，如图2-2。
图2-2 二次补浆模式图
（2）同步注浆配比(单位Kg)
水泥（kg） 粉煤灰（kg） 膨润土（kg） 砂（kg） 水（kg） 外加剂
80～140 380～240 60～50 710～930 460～470 按需要根据试验加入
根据刀盘开挖直径和管片外径，可以按下式计算出一环管片空腔的注浆量。
V=π/4×L×（D12- D22）
式中：V —— 一环注浆量（m3）
L —— 一环距离（m） D1—— 刀盘外径（m）D2—— 管片外径（m）
代入相关数据，可得：
V=π/4×1.5×（6.282-62）=4.04m3/环
（3）每环的压浆量一般为空隙的120％～200％，根据以往盾构推进的相关经验及深圳地铁前期盾构推进经验，一般每环的注浆量为建筑空隙的120%，即4.8m3即可满足地面沉降的要求。但考虑到沿线建筑物地面沉降控制标准高，盾构穿越楼群期间盾构推进同步注浆量控制在5.0～5.5m3，注浆损耗率以10%计。另外考虑到隧道开挖断面土层富含水,水压较高,故注浆压力是在注浆处水土压力的基础上提高1～2kg/cm2,并应使浆液不进入土仓和压坏管片或不因注浆压力过大造成地面隆起。
综合各项因素,注浆压力控制在0.2Mpa～0.4Mpa。胶凝时间控制在5h以内。
（4）二次注浆时间原则上在管片退出台车前进行，正常10环补浆一次，可根据实际情况调整。
二次注浆单独配备注浆泵，注浆前凿穿管片吊装孔外侧保护层，安装专用注浆接头。二次注浆采用水泥—水玻璃双液浆，注浆压力一般为0.2～0.4MPa。
5、控制好盾构姿态，确保盾尾间隙均匀
盾构推进过程中的同步注浆及二次补浆是控制地面沉降的主要因素，以往的经验显示，盾构推进过程中的盾构姿态不好易造成盾尾处漏浆，地面沉降，因此在盾构穿越建筑物地区期间，确保盾构推进轴线与设计轴线相吻合，盾尾四周间隙均匀。另外通过加大盾尾油脂压注量来防止浆液通过盾尾流失。同时油脂全部采用北京合东双和上海斯科琦油脂，预计每掘进4环，将用一桶油脂。
6、加强施工过程管理，确保盾构连续穿越
盾构推进过程中长时间的停机易造成地面大量的沉降，为了确保24小时连续推进，在穿越前对盾构机及其它辅助设备进行一次全面的彻底的检修。对盾构机上现存的机械故障和缺陷，会同设备供应商和专家共同检测修理，并对可能产生的故障预先做好修理准备，对主要设备零件备件，减少在过建筑物段停机检修的风险。
① 同步注浆注浆管全部疏通，确保过建筑物期间正常注浆。
② 盾尾油脂汽阀检查，能正常开启关闭。
③ 集中润滑检查。
④ 冷却水管检查。
⑤ 对分别通往开挖仓面、土仓、螺旋输送机的各路泡沫管进行疏通,保证膨润土、泡沫能及时输送。
⑥ 所有油、水管检查，排除渗漏。
⑦ 辅助设备，包括行车、电瓶车、拌浆机、运浆车全面检查加油。
7、在盾构机试验段阶段，对盾构的各个工艺流程尤其是注浆工艺进行24小时监控，及时记录实际发生的各项数据。
3.2.3建筑物地表沉降控制指标
监控量测管理基准值是根据有关规范、规程、计算资料及类似工程经验制定的，对于不同的监测对象和不同的监测控制标准，分别采用如下标准：
地面沉降极限值控制在+10mm和-30mm以内；地表沉降、隆起位移平均速率控制在1mm/d,位移最大速率控制在3mm/d以内；报警值定为+8mm，-24mm以内。
3.2.4实施效果
在盾构区间施工整个过程中，地表、建筑沉降监测值均小于报警值，地面建筑未发现明显裂缝，沿线管线安全无破损。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
