特殊地段盾構掘進的沉降控制技術［摘 要］特殊地段的沉降控制一直是盾構施工中的難點、風險點，本文介紹了廣州地鐵某盾構區間在經過“三區”（隧頂覆砂區、樁基礎群區和地面密集建筑物區）地段時所采取的技術措施，以期對類似地層有借鑒和指導作用。［關鍵詞］地下施工；特殊地段；盾構掘進；沉降控制技術 廣州地鐵某盾構區間為雙線圓型隧道，內徑5.4m，外徑6m，采用刀盤直徑6.28m的土壓平衡盾構機施工。在臨近吊出井時要經過一“三區”特殊地段，即：隧頂覆砂區、樁基礎群區和地面密集建筑物區。為安全通過該特殊段，項目部編制了一套詳細、針對性強的施工方案，并在施工中逐一落實，最終盾構機安全到達吊出井。1 特殊地段的工程情況1.1地質水文情況： 該地段長約300m，隧道覆土14～23m，洞身經過地層主要為7、8、9泥質砂巖，夾部分6全風化泥質粉砂巖；洞頂主要為32細砂層，夾少量42、52地層，32砂層厚3.5～9m，平均厚5m以上；通過現場試驗，9微風化地層平均單軸極限抗壓強度16.0MPa左右。本區段地下水有第四系孔隙水及基巖裂隙水，第四系孔隙水埋深0～3m，水量豐富，由大氣降水及江、河水補給。基巖裂隙水主要賦存于基巖強、中等風化帶的裂隙中，埋深隨基巖面而起伏，一般為15～20m，32中細砂層富水性中等及滲透系數較大。1.2地面建筑物及樁基礎情況 該段隧道頂部及其影響范圍內主要有45棟建筑物，絕大部分是民房，層高3～7層，為框架結構；有8棟是一層高的制衣廠廠房，為磚混結構。房屋基礎除12棟房屋是天然基礎外，其余為r500～r600鉆孔樁砼基礎及r120的木樁基礎。有16棟房屋的樁基礎侵入隧道或接近隧頂，另有兩棟房屋被鑒定為危房。2 控制沉降的技術措施2.1 到達特殊段前的準備工作 1）在該特殊地段增設3個補勘點以掌握更準確、全面的地質情況。 2）對中軸線兩邊各30m內發生較大傾斜和結構老舊房屋進行鑒定，為危房的拆除或臨遷。 3）對隧道上方建筑物進行詳細的入室調查。對樁基侵入隧道或接近隧頂的建筑物采取托換加固措施，結構面發現裂縫的則作詳細記錄。 4）準備支頂加固材料、注漿加固材料、搶險機具設備、車輛、警戒標識物等以備用。 5）在到達特殊段前選擇一開挖面自穩性較好的地段對盾構機進行全面檢修，減少在特殊地段停機檢修的風險：①對破損較大的盾尾刷進行更換；②全面檢測刀具，對磨損超標的刀具進行更換；③對堵塞的注漿管進行疏通處理；④對分別通往開挖面、土倉、螺旋輸送器的主從泡沫管進行疏通，并在刀盤面中心附近增設1根泡沫管。2.2 通過時的掘進控制2.2.1 掘進模式、盾構機配置及掘進參數 針對特殊段的情況，選用的掘進模式，盾構機械配置及掘進參數詳見表1。
2.2.2刀具配置 本段洞身地層主要為7、8、9泥質砂巖、粉砂巖，易結泥餅，根據以往類似地層施工經驗，采用全軟土刀具將會出現盾構機推力增大、扭矩增大、掘進困難的現象，嚴重時由于盾構機長時間在一小范圍擾動，隧道頂部的砂土層會塌落，進而導致地面塌陷的事故；若采用全硬巖刀具，則刀盤面開口率減少，結泥餅的機會就會增加。故過本段時采用了混合式刀具配置：64把刮刀，16把鏟刀，5把邊緣雙刃滾刀，8把正面雙刃滾刀，6把中心雙頭齒刀。正面滾刀都高出刀盤盤面175mm，為開挖面破除下來的砟土留出了足夠的出砟空間，刮刀超出刀盤盤面140mm，受到滾刀的保護，刀盤開口率約為29%。2.2.3掘進過程的施工技術 要求盾構在通過該特殊段時有序、平衡、平穩。 有序 1）施工組織有序 人、機、料的配置合理，工序的安排、銜接有序。 2）機械保養有序 機械保養定人、定期、專業、規范，做到無遺漏、標準化。 3） 信息管理有序 技術交底、作業交底按部就班，自經理部至作業面指令暢通、反饋迅速。平衡 1）土倉壓力與開挖面水土壓力平衡 嚴格控制土倉壓力，盡量保持土壓平衡，不要出現過大的波動；考慮本段地下水水壓較高，土倉壓力設置為上部1.3bar左右，下部1.8bar左右。 2）出土量與掘進進尺平衡 嚴格控制出土量，做到進尺量與出土量均衡。本隧道開挖直徑6.28m，考慮盾構姿態變化或其他原因引起的巖土損失和巖土的松散系數，每環出土量約66～69m3,即4.5節砟車。除量的控制外，還要堅持對每環砟樣進行地質水文分析，發現與開挖斷面地質情況不符（尤其是出現32砂層）時，則馬上采取措施。 3）注漿壓力與水土壓力平衡 除考慮注漿處的水土壓力，還要考慮后方來水、開挖面來水的水壓，故注漿壓力是在注漿處水土壓力基礎上提高1～2kg/cm2，且應使漿液不進入土倉和壓壞管片和不因注漿壓力過大造成地表隆起。特殊段注漿壓力設置：1＃、4＃注漿孔控制在1.5bar左右，2＃、3＃注漿孔控制在2.0bar左右。 4）注漿量與進尺平衡 考慮漿液失水固結、盾構推進時殼體帶土使開挖斷面大于盾構外徑、部分漿液劈裂到周圍地層,采用理論值的150％～200％進行注漿，即為6～8m3。要保證漿液配置與地質水文條件、掘進速度相適應，過本段時漿液配比設置為：水泥∶粉煤灰∶砂∶膨潤土∶水=180∶371∶780∶35∶400（kg）,漿液稠度控制在110～115mm，凝膠時間控制在5h以內。 平穩 1）盾構姿態平穩 推進過程應保持盾構機有良好的姿態，避免蛇行，每環姿態變化控制在±5mm內。千斤頂A區、C區油缸油壓值差宜保持統一、恒定性，不宜出現過大的波動。 2） 管片姿態平穩 做好管片選型，現場對盾尾間隙實測實量，控制下部盾尾間隙在70mm以內，注意管片拼裝的橢圓度，防止尾刷與管片碰撞導致盾尾密封、鉸接密封損壞及管片變形。 3）推進速度平穩 掘進過程中向土倉內及刀盤面注入泡沫等添加材料，改善砟土性能，提高砟土的流動性和止水性，防止涌水流砂、結泥餅和噴涌現象，有利于保持速度的穩定。推進速度保持在25～40mm/min，日均進尺7～9m。2.3 通過后的補強措施 1） 二次注漿 盾構同步注漿后，由于漿液的脫水，漿液體積收縮會加劇地表的后期沉降量，又由于盾構推力，襯砌和土層間會相互分離，二次注漿能有效地進一步充實背襯和提高止水能力。特殊地段每推進4環后補注雙液漿一次，在破除樁基位置兩環管片的范圍內增注一次。 2）三次復緊 為防止因管片的變形引起地層的過度擾動，對管片螺栓擰緊要求三次復緊。 即拼裝管片時一次擰緊，推出盾尾后二次擰緊，后續盾構掘進至每環管片拼裝前，對相鄰已成環的3環范圍內管片螺栓進行全面檢查并復緊。 3）地表注漿 作為應急預案，在盾構通過本段前，對有托換的建筑物預埋袖閥管，如盾構通過發生險情能在地面緊急進行地層注漿加固。3 施工監測3.1 監測點的布設 區段范圍布設監測主斷面2個，次斷面36個，分別設置11個和7個監測項目進行全面監測。3.2 監測在施工中的應用 1）監測-施工流程圖 為使監測結果能順暢、快速到達作業面，作業面情況能迅速反饋到監測組和技術部，承包商制定了監測-施工流程圖，以最大限度實現信息化施工的目標，見圖1。 2）沉降排列圖 通過對右線盾構經過特殊地段的監測報表數據統計歸納，采用排列圖對盾構施工各階段的沉降進行分析。由圖2可見盾構到達、盾構通過、盾尾通過三個階段的沉降和占最終沉降量的81.82%，是沉降變化的高峰期，必須采取有效和針對性的措施，如盾構機平穩、快速通過；確保同步注漿壓力、注漿量、尤其是注漿質量，堅持二次補注漿，及時填補襯背間隙和減少地下水流失。監測報表還顯示，盾構機切割樁基時建筑物沉降最大，最大一次達12mm/d，要降低風險，搞好房屋樁基托換是前提，切割時則應貫徹小推力，慢速度，立足于磨的原則。 3）不均衡沉降 通過對監測報表數據統計發現，距線路中心越近，沉降越大，反之則越小，這對上方建筑物會產生不均衡沉降。實際施工時，當監測結果顯示同一建筑物橫向沉降差超過2mm/d時，應嚴加關注和采取措施，嚴格控制沉降速率：嚴防盾構機姿態出現大的波動，土倉壓力要適當加大和穩壓，注漿切忌不夠量；快速通過，減少沉降高峰期時間，如有必要應根據實際情況對建筑物本身及地基進行加固。4 結束語 由于準備充分、措施到位，盾構機順利通過該特殊地段，盡管監測結果統計仍有3.8%的監測點沉降超標（允許沉降：-30～+10mm），有兩棟房屋傾斜率超過允許傾斜值的12%（允許傾斜率4‰），但經鑒定超標的房屋均可安全使用，所以說對該段的沉降控制基本取得成功。
2.2.2刀具配置 本段洞身地層主要為7、8、9泥質砂巖、粉砂巖，易結泥餅，根據以往類似地層施工經驗，采用全軟土刀具將會出現盾構機推力增大、扭矩增大、掘進困難的現象，嚴重時由于盾構機長時間在一小范圍擾動，隧道頂部的砂土層會塌落，進而導致地面塌陷的事故；若采用全硬巖刀具，則刀盤面開口率減少，結泥餅的機會就會增加。故過本段時采用了混合式刀具配置：64把刮刀，16把鏟刀，5把邊緣雙刃滾刀，8把正面雙刃滾刀，6把中心雙頭齒刀。正面滾刀都高出刀盤盤面175mm，為開挖面破除下來的砟土留出了足夠的出砟空間，刮刀超出刀盤盤面140mm，受到滾刀的保護，刀盤開口率約為29%。2.2.3掘進過程的施工技術 要求盾構在通過該特殊段時有序、平衡、平穩。 有序 1）施工組織有序 人、機、料的配置合理，工序的安排、銜接有序。 2）機械保養有序 機械保養定人、定期、專業、規范，做到無遺漏、標準化。 3） 信息管理有序 技術交底、作業交底按部就班，自經理部至作業面指令暢通、反饋迅速。平衡 1）土倉壓力與開挖面水土壓力平衡 嚴格控制土倉壓力，盡量保持土壓平衡，不要出現過大的波動；考慮本段地下水水壓較高，土倉壓力設置為上部1.3bar左右，下部1.8bar左右。 2）出土量與掘進進尺平衡 嚴格控制出土量，做到進尺量與出土量均衡。本隧道開挖直徑6.28m，考慮盾構姿態變化或其他原因引起的巖土損失和巖土的松散系數，每環出土量約66～69m3,即4.5節砟車。除量的控制外，還要堅持對每環砟樣進行地質水文分析，發現與開挖斷面地質情況不符（尤其是出現32砂層）時，則馬上采取措施。 3）注漿壓力與水土壓力平衡 除考慮注漿處的水土壓力，還要考慮后方來水、開挖面來水的水壓，故注漿壓力是在注漿處水土壓力基礎上提高1～2kg/cm2，且應使漿液不進入土倉和壓壞管片和不因注漿壓力過大造成地表隆起。特殊段注漿壓力設置：1＃、4＃注漿孔控制在1.5bar左右，2＃、3＃注漿孔控制在2.0bar左右。 4）注漿量與進尺平衡 考慮漿液失水固結、盾構推進時殼體帶土使開挖斷面大于盾構外徑、部分漿液劈裂到周圍地層,采用理論值的150％～200％進行注漿，即為6～8m3。要保證漿液配置與地質水文條件、掘進速度相適應，過本段時漿液配比設置為：水泥∶粉煤灰∶砂∶膨潤土∶水=180∶371∶780∶35∶400（kg）,漿液稠度控制在110～115mm，凝膠時間控制在5h以內。 平穩 1）盾構姿態平穩 推進過程應保持盾構機有良好的姿態，避免蛇行，每環姿態變化控制在±5mm內。千斤頂A區、C區油缸油壓值差宜保持統一、恒定性，不宜出現過大的波動。 2） 管片姿態平穩 做好管片選型，現場對盾尾間隙實測實量，控制下部盾尾間隙在70mm以內，注意管片拼裝的橢圓度，防止尾刷與管片碰撞導致盾尾密封、鉸接密封損壞及管片變形。 3）推進速度平穩 掘進過程中向土倉內及刀盤面注入泡沫等添加材料，改善砟土性能，提高砟土的流動性和止水性，防止涌水流砂、結泥餅和噴涌現象，有利于保持速度的穩定。推進速度保持在25～40mm/min，日均進尺7～9m。2.3 通過后的補強措施 1） 二次注漿 盾構同步注漿后，由于漿液的脫水，漿液體積收縮會加劇地表的后期沉降量，又由于盾構推力，襯砌和土層間會相互分離，二次注漿能有效地進一步充實背襯和提高止水能力。特殊地段每推進4環后補注雙液漿一次，在破除樁基位置兩環管片的范圍內增注一次。 2）三次復緊 為防止因管片的變形引起地層的過度擾動，對管片螺栓擰緊要求三次復緊。 即拼裝管片時一次擰緊，推出盾尾后二次擰緊，后續盾構掘進至每環管片拼裝前，對相鄰已成環的3環范圍內管片螺栓進行全面檢查并復緊。 3）地表注漿 作為應急預案，在盾構通過本段前，對有托換的建筑物預埋袖閥管，如盾構通過發生險情能在地面緊急進行地層注漿加固。3 施工監測3.1 監測點的布設 區段范圍布設監測主斷面2個，次斷面36個，分別設置11個和7個監測項目進行全面監測。3.2 監測在施工中的應用 1）監測-施工流程圖 為使監測結果能順暢、快速到達作業面，作業面情況能迅速反饋到監測組和技術部，承包商制定了監測-施工流程圖，以最大限度實現信息化施工的目標，見圖1。 2）沉降排列圖 通過對右線盾構經過特殊地段的監測報表數據統計歸納，采用排列圖對盾構施工各階段的沉降進行分析。由圖2可見盾構到達、盾構通過、盾尾通過三個階段的沉降和占最終沉降量的81.82%，是沉降變化的高峰期，必須采取有效和針對性的措施，如盾構機平穩、快速通過；確保同步注漿壓力、注漿量、尤其是注漿質量，堅持二次補注漿，及時填補襯背間隙和減少地下水流失。監測報表還顯示，盾構機切割樁基時建筑物沉降最大，最大一次達12mm/d，要降低風險，搞好房屋樁基托換是前提，切割時則應貫徹小推力，慢速度，立足于磨的原則。 3）不均衡沉降 通過對監測報表數據統計發現，距線路中心越近，沉降越大，反之則越小，這對上方建筑物會產生不均衡沉降。實際施工時，當監測結果顯示同一建筑物橫向沉降差超過2mm/d時，應嚴加關注和采取措施，嚴格控制沉降速率：嚴防盾構機姿態出現大的波動，土倉壓力要適當加大和穩壓，注漿切忌不夠量；快速通過，減少沉降高峰期時間，如有必要應根據實際情況對建筑物本身及地基進行加固。4 結束語 由于準備充分、措施到位，盾構機順利通過該特殊地段，盡管監測結果統計仍有3.8%的監測點沉降超標（允許沉降：-30～+10mm），有兩棟房屋傾斜率超過允許傾斜值的12%（允許傾斜率4‰），但經鑒定超標的房屋均可安全使用，所以說對該段的沉降控制基本取得成功。