地铁建设中盾构连续下穿建（构）筑物施工探讨

地铁建设中盾构连续下穿建（构）筑物施工探讨

王龙飞

王龙飞

中铁十五局集团城市轨道交通工程有限公司河南洛阳471000

摘要：盾构法隧道因其地层适应性强，施工工效高，对周边建构筑物影响小等特点，在城市地铁建设中，地铁区间隧道一般采用盾构法施工。盾构机在不同地质条件下下穿建（构）筑物，一般作为施工重大风险源重点对待，本文以昆明某地铁项目盾构施工为例，盾构机在软弱地层中，连续下穿不同类型建（构）筑物，并最终顺利接收。文中详细介绍了本次盾构下穿施工过程及关键技术，为以后类似工程提供参考。

关键词：盾构隧道；施工调查；连续下穿；跟踪注浆；变形监测；二次注浆

一、工程概况

1.1工程背景

昆明地铁三号线工程东标段三工区，施工范围内包含三个盾构区间，区间盾构均采用Φ6480mm土压平衡盾构机完成隧道掘进施工。工程地处昆明主城区，周边建筑物及地下管线较多，环境复杂。本文以三工区大树营站～盾构井区间盾构连续下穿建（构）筑物为背景进行阐述。

1.2大树营站～盾构井区间工程概况

⑴设计概况

大树营站～盾构井区间线路右线长542.23m。左线长537.52m。最小曲线半径R=400m，最大坡度18‰，隧道埋深6.5～11m。本区间投入两台盾构机从大树营站始发，沿东风东路掘进至盾构井吊出。

图1大树营站～盾构井区间工筹示意图

⑵地质水文概况

区间范围内隧道穿过的土层主要为：＜2-3＞淤泥质粘土、＜9-1＞有机质土、＜9-3＞粉质黏土、＜9-4＞泥炭质土、＜9-5＞粉土，＜9-7＞圆砾土。沿线地下水主要为上层滞水、孔隙水，区间总体含水量较高，隧道地层渗透系数等参数如下表所示：

表1区间水文概况表

⑶周边环境情况

本区间线路沿东风东路延长线由西向东下穿金马立交桥进入金马街道办大树营附近盾构井。东风东路为昆明市主干道，地面交通流量大，四周建有中高层商用及办公建筑。其中盾构机到达盾构井前110m线路正上方为金马立交桥、金汁河排污管、羊大娃饭店，盾构需在此段下穿施工，其平面关系如图2所示。

图2盾构穿越段平面示意图

二、工程重难点

2.1地质不良

本区间隧道穿越的地层主要是粘土、粉土、粉质粘土、泥炭质土以及少量有机质土、圆砾土，其地层稳定性差；区间地层富含地下水，盾构掘进时很可能产生突泥、突水现象，对地层沉降控制不利。

2.2周边环境复杂、连续下穿建（构）筑物

⑴区间线路沿东风东路主干道，地面交通流量大，盾构隧道掘进时受到地面动荷载大，且无规律性。

⑵盾构机沿东风东路在里程Z（Y）CK18+730.0～Z（Y）CK18+840.0段需连续下穿二环金马立交，金汁河排污管、羊大娃饭店，建（构）筑物特点各异，盾构下穿风险大，对盾构掘进施工各项参数控制要求高。

综上所述，盾构需在软弱土层中连续穿越不同特点建构筑物，且周边环境复杂，各项不利因素叠加，导致本段下穿施工成为本工程最大的难点、风险点。

三、区间隧道与下穿建（构）筑物详细关系情况

根据前期现场踏勘，资料核查，需下穿建构筑物情况及与区间隧道位置关系如下：

3.1金马立交桥

金马立交桥为昆明东二环主要组成部分，基础为桩径1.5m钢筋混凝土钻孔桩，桩长37m。盾构机从桥下正穿，其中左线开挖面距桥桩1m，右线开挖面距桥桩1.5m。盾构隧道在此处埋深为6.8m，所穿越的地层主要为＜9-1＞淤泥质粘土、＜9-5＞粉土、＜9-4＞泥炭质土，地层自稳性较差。

3.2金汁河排污管

金汁河排污管埋深4.4m，为直径1.2m混凝土管，管底及两侧有30cm混凝土基座。金汁河排污管与盾构隧道斜交跨过，根据现场调查，盾构隧道在此处埋深为6.7m，排污管道距离盾构开挖面最小值为0.78米，所穿越的地层主要为＜2-3＞淤泥质粘土、＜9-5＞粉土、＜9-4＞泥炭质土，地层自稳性较差。

四、施工准备

4.1技术准备

⑴地质补勘

盾构下穿施工前，分别对需下穿的金马立交桥、金汁河排污管、羊大娃饭店各补勘两个孔，以验证盾构下穿地层与图纸的符合性。

图7地质补勘芯样图

⑵建（构）筑物鉴定、调查

委托有资质的房屋鉴定公司对金马立交桥墩、承台、桥面和羊大娃饭店周边砖砌房屋进行了结构检测，并出具检测鉴定报告。为下穿实施方案提供依据。联系昆明排水产权单位，收集排污管相关资料。

⑶监测点埋设

地面沉降监测点（含金汁河排污管范围）沿线路方向按1.5m（每环）1个监测点加密埋设，横向按图8所示布置，所穿越金马立交桥墩、羊大娃饭店按规范埋设沉降及垂直度监测点。

4.2设备准备

在盾构机进入金马立交前50m左右在地质相对稳定地段停止盾构掘进施工，对盾构机及后配套设备进行维修保养。检修前制定详细的设备检修计划，重点对盾构机的注浆系统、盾尾密封、控制电路及液压系统、电瓶车刹车及电路、龙门吊刹车系统、行走系统等进行检修维保。确保盾构穿越建（构）筑物前所有设备均处在最佳工作状态。

4.3物资准备

盾构施工主要物资为钢筋混凝土衬砌管片及防水材料、浆液拌合原材料（包括水泥、沙子、粉煤灰、膨润土）以及应急抢险物资（地面注浆泵、水玻璃、临时围挡、聚氨酯、钢板等）。在盾构进入金马立交之前对各种原材料库存数量进行统计，保证数量充足，在盾构下穿建（构）筑物期间每天统计库存量，数量低于仓库容量1/2时立即补充，并严格控制原材料质量。

五、盾构下穿施工

5.1施工控制重点

盾构下穿掘进施工，需合理控制盾构掘进参数，尽量减少盾构掘进施工对地层扰动，以达到控制沉降的目的。根据专家咨询、昆明类似工程经验总结，本次盾构穿越施工以地面变形控制+5mm～-10mm（最大隆起5mm，最大沉降10mm）为目标，以确保安全、顺利穿越施工。

5.2盾构掘进参数确定

⑴掘进参数确定

地面沉降的控制主要从盾构掘进参数的合理设定来保证，根据前期地面沉降规律的摸索和总结，拟定盾构穿越建（构）筑物的掘进参数见下表：

表3盾构穿越建（构）筑物拟定施工参数表

⑵注浆参数确定

盾构和周围土体的建筑间隙是否填充饱满直接关系到地面沉降量，因此必须保证同步注浆量充足，由于施工或地层原因导致浆液损失，必须立即进行二次补浆以控制地面沉降。

表4同步注浆浆液配合比（单位：Kg/m3）

二次注浆采用水泥浆及水玻璃双液浆，水泥浆水灰比1：1，水泥浆和水玻璃体积比9：1，双液浆试验初凝时间15～18秒。

5.3盾构掘进施工

（1）纠偏控制

控制好盾构推进轴线及盾构姿态，盾构机前后端和设计轴线偏差控制在30mm以内，避免盾构机频繁或大幅度调整姿态导致土方超挖及加剧地层扰动。

（2）推进速度控制

从前期盾构掘进和地面沉降规律来看，推进速度的稳定对地面沉降的影响非常大。速度的变化主要加大了对土体的扰动，本次施工将速度严格控制在40mm/min～50mm/min之间。

（3）土仓压力的控制

盾构掘进过程中，以土仓内的泥土压力来平衡刀盘前端水土压力，从而保证掌子面稳定，通过严格控制掘进过程中土压力，避免波动过大引起开挖面的不稳定，根据不同地质情况将本段掘进土压力控制在0.1～0.13MPa。

（4）土体改良

为确保盾构机在软弱地层中顺利穿越建构筑物，需充分利用盾构机的渣土改良功能对土仓环境进行改良，以达到避免刀盘结泥饼、螺旋机出入口喷涌、控制出土量、提高掘进效率的目的。对于本工程粘土、泥炭质土、粉土之类粘粒含量较高的地层，主要采用加注泡沫剂、辅助加注膨润土泥浆或高分子聚合物的渣土改良工艺。

（5）同步注浆

同步注浆直接影响地面沉降控制效果，是地面沉降控制的根本。盾构在本段穿越施工时壁后注浆填充率控制在150%～250%，按照该注入率每环注浆量为5m3到6m3，但注浆压力不宜过大，以不超过0.3MPa为宜。

根据需要可利用同步注浆系统进行补压浆。在完成本环管片拼装后且未开始下一环管片掘进前，采用盾构机的同步注浆系统进行补压浆，补压浆以压力控制为主，压力控制在0.4MPa以内。补压浆可影响到盾尾6～8环范围。若盾尾或后续6米处地面日累计沉降量超过日沉降量控制目标后即采取补压浆措施。

（6）二次注浆

二次注浆是控制地面后期沉降的主要技术措施，二次注浆通过二次注浆泵将水泥浆和水玻璃通过管片吊装孔注入管片与周围土体之间，二次注浆采用压力控制，压力控制在0.4MPa以内。二次注浆泵安装在移动平台上，可对脱出盾尾4环后的管片进行二次注浆。

二次注浆期间需观察隧道结构变化，避免注浆压力过大导致管片错台、开裂而影响隧道结构安全，或浆液突窜至地表。注浆施工的各项参数（注浆量、注浆压力、注浆的点位、配合比、持续时间等参数）将根据地面沉降监测情况及时进行调整并严格执行。

六、施工监测

本次盾构穿越施工，监测项目主要为地面隆起或沉降、金马立交墩柱变形、金汁河排污管沉降变形、羊大娃饭店变形监测，经现场调查及与产权单位对接，确定监测控制值如下表：

表5不同建构筑物监测控制值表

变形监测数据需根据现场情况、盾构掘进情况，并将地面沉降情况及建构筑物变形情况结合一起综合分析，以确定监测结果指导下一步施工。

七、地面变形产生原因分析及应对措施

区间隧道盾构从建（构）筑物下方穿越，其主要风险为地面变形引起桥墩不均匀沉降、管道变形漏水、房屋基础受损导致开裂等情况。

7.1产生原因及应对措施

产生的原因主要为盾构掘进对地层扰动过大、超挖，或土仓压力过大、注浆压力大等引起地面出现地表隆起或沉降，其原因及应对措施如下：

表6地面变形原因及应对措施表

地面

隆起产生原因应对措施

①土压力设定过高；

②推进速度快，出土不及时；

③土体粘性大，很难切入刀盘土仓；

④注浆量过大。①降低土压力，修正至合理参数；

②降低推进速度；降低注浆量；

③加泡沫改良土体。

④增加监测次数，掌握确切数据。

地面

沉降①土压力设定过低；

②土仓闸门开启过大，土体流失多；

③设备故障导致盾构停滞时间过长；

保压不力。

④频繁纠偏，曲线段超挖严重；

⑤土体扰动大，注浆量不足。①加强监测次数；

②合理设定土仓闸门开度；

③加强盾构日常保养维修，减少故障；

④保证盾构连续施工。

⑤控制纠偏量，采用少量多次的方法纠偏。加大同步注浆量。

7.2地面跟踪注浆

盾构穿越建筑物后，原状地层受到扰动，地层变化及相应建筑物变化持续时间较长，一般在盾构通过前于建筑物周边相应位置预埋袖阀管，盾构机掘进通过后根据变形监测结果，在洞内进行二次注浆的同时，从地面持续注浆，直至地层及建筑物变形稳定后停止。

八、结束语

经过周密准备，本次盾构下穿施工，其地面沉降控制在-2mm～-10mm之间，金马立交桥桥墩及金汁河排污管未出现沉降变形，羊大娃饭店在盾构通过后因洞内二次注浆地面跟踪注浆及时，变形未达到报警值，安全可控，盾构机在盾构接收井顺利吊出。

本次盾构连续穿越建筑物施工，除盾构掘进本身以外，盾构下穿施工前对所穿越建筑（构）物的结构特点、地质状况、掘进参数的试验总结等前期准备工作尤其重要，成为盾构能否安全、顺利进行穿越施工的首要因素。

参考文献：

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

［2］陈馈，洪开荣，焦胜军.盾构施工技术［J］.北京：人民交通出版社。2016.