盾构侧穿密集房屋群施工关键技术研究
时间：2023-04-09 15:20:08 来源：千叶帆 本文已影响人
温亦品 刘焕城
（广州市市政集团有限公司）
近年来，受城市地下综合管廊建设推广政策影响，国内各大城市纷纷掀起地下综合管廊建设热潮。城市地下综合管廊容纳了电力、供排水、通信、燃气等市政设施，不仅方便了市政设施的维护和检修，同时有效缓解城市交通拥堵问题。盾构法因其独特优点，在城市地下综合管廊建设中的应用也随着管廊规划建设的需要逐渐推广。城市地下综合管廊主要服务城区生活，管廊线路规划时不可避免要下穿、侧穿城区的建构筑物群，故采用盾构法施工时盾构机则需侧穿、下穿建构筑物群掘进施工。盾构隧道施工改变了原地层的状态必然会引起或多或少的地层位移和地表沉陷，它将影响到邻近建筑物及地下管线的安全，对周围的环境造成一定的损害[1]。盾构穿越房屋群施工扰动对地表既有建筑物的影响更大，施工安全控制更为困难[2]。
目前国内外学者对盾构下穿、侧穿既有建筑物施工技术方面已开展了一系列研究。常淑芬，车增军[3]以某地铁盾构区间侧穿建筑物为例，从设备选型控制、盾构掘进参数控制以及注浆控制方面详细分析盾构侧穿建筑物施工控制技术。何小华[4]结合实际工程实例详细分析了盾构下穿建筑物群地层沉降控制技术。曹红林[5]以武汉地铁8号线三期野芷湖站—中间风井区间盾构隧道下穿建（构）筑物群为案例，采用一种新型惰性浆液三次注浆工法，并结合有限元软件三维仿真数值模拟，有效地控制了地面建（构）筑物的最终沉降量，确保了建（构）筑物的安全。刘柄呈、杨双锁[6]等以太原地铁2 号线牛站西巷区间盾构侧穿公交公司家属楼工程为例，开展了复杂地质条件下盾构侧穿老旧建筑物加固技术研究,研究分析表明在施工条件受限的情况下，斜打锚杆桩能够明显降低双线盾构隧道施工中邻近隧道施工对建筑物的扰动。袁东锋、李方政等[7]以广州地铁14 号线邓村—江浦区间盾构隧道侧穿姓钟围房屋群注浆加固项目为背景，研究分析了水平定向钻孔注浆技术在盾构隧道侧穿建筑物时的加固应用。寇卫锋[8]研究了在盾构下穿建筑物基础时的应用效果，证明双液注浆法能够在盾构机周围形成一道密封不透水环，可有效减少施工过程中的渗水量，使施工安全进一步得到保障。游祖群[9]以成都地铁1 号线盾构2 标工程盾构侧穿房屋施工为例，详细介绍了盾构下穿既有建筑物时的掘进参数控制技术、地面跟踪注浆技术、房屋加固技术等。
上述研究在一定程度上可为城市综合管廊盾构侧穿密集房屋群施工技术控制提供借鉴，但由于现有研究主要以地铁盾构施工方面为主，而针对管廊盾构施工侧穿建筑物施工技术方面的研究尚少。本文以广州某地下综合管廊工程盾构区间土压平衡盾构侧穿房屋群为研究背景，研究分析盾构侧穿密集房屋群施工关键技术。
1.1工程简介
综合管廊盾构区间全长685.667m，最小转弯半径300m，顶部埋深10.040～19.377m，最大纵坡0.939%，区间采用一台海瑞克土压平衡盾构机掘进施工，由大里程端K3-1 综合井（兼盾构始发井）西向始发掘进，至小里程端K3 综合井（兼盾构接收井）接收吊出。盾构从始发井始发掘进后先下穿通过农用田，继续向西掘进在里程K0+570～K0+460侧穿岑村居民房屋群（图1所示），然后侧穿小鹏汽车产业园地下室，最后侧穿创锦产业园房屋群到达小里程端K3综合井接收吊出。
图1 管廊盾构侧墙房屋群平面图
1.2工程地质条件
本文以区间盾构侧穿岑村居民房屋群开展施工技术研究，该区间范围内地层自上往下主要为素填土、淤泥、粉质粘土、中粗砂、砂质粘性土、全风化花岗岩，盾构穿越地层主要为砂质粘性土。地下水主要为第四系孔隙水、基岩风化裂隙水，初见水位埋深0.0～0.8m，稳定地下水埋深为0.2～4.5m。
1.3房屋群与隧道关系
该范围内管廊盾构隧道中心线埋深约16.22～17.72m，管廊隧道外侧边线与居民房屋水平距离最近约2.6m。图2、图3 为房屋与管廊线路关系图。房屋群层高为4～7 层，结构类型主要为框架结构，基础主要为浅埋基础和桩基础。
图2 房屋与管廊线路平面关系图
图3 房屋与管廊线路剖面关系图
盾构施工发生地层变形的主要原因是盾构掘进过程中对地层扰动和盾构隧道周边地层受到扰动或剪切破坏的再固结[13]。盾构施工过程中引起地层损失的因素主要有：开挖面的土体移动、土体挤入盾尾间隙、盾壳与地层间的摩擦与剪切作用、土体超挖等。盾构掘进施工引起土体应力状态改变，使土体产生变形，土体变形主要表现为地表隆沉[13]。盾构掘进过程中土体应力变化主要由以下五部分组成：①盾构掘进时盾构工作面前的土体应力的变化；
②刀盘切削时盾构工作面上的土体应力的变化；
③盾构推进时与土体之间的摩擦力引起的土体应力变化；
④盾构脱盾时产生的空隙引起土体应力的变化；
⑤地应力恢复时土体长期流变引起土体应力的变化。
与上述五种应力变化，盾构推进过程中产生的地面变形由以下五个阶段组成［2、13］（图4所示）。
图4 地层沉降阶段性变化图
⑴盾构到达前的地面变形（δ1）。
盾构推进对前方土体产生挤压变形，主要是由于土体受挤压其有效应力增加而引起的。
⑵盾构到达时的地面变形（δ2）。
是由于盾构推进引起土体应力状态改变而产生的变形。
⑶盾构通过时的地面变形（δ3）。
是由盾构外壳与土体之间产生摩擦，盾构外壳与土层之间形成剪切滑动面，剪切滑动面附近的土层内生剪切应力，剪切应力引起地表变形，且盾构掘进过程中不能始终保持与设计轴线一致。因此，盾构经过处的土体部分受压、部分受松弛，土体因受压和松弛产生附加变形。
⑷盾构通过后的瞬时地表变形（δ4）。
主要是由建筑空隙和应力释放造成的，建筑空隙是由管片拼装后与盾构外壳之间形成空隙以及盾构偏移隧道轴线引起的空隙的总和。盾构同步注浆有效地减少了建筑空隙，减少了地表沉降。
⑸土体后期固结变形（δ5）。
是由于盾构推进对周围土体扰动引起的，在相当长一段时间内，土体发生再固结沉降和蠕变引起的。
3.1房屋加固保护技术
管廊盾构侧穿房屋时穿越地层主要以砂质粘性土为主，隧道顶部存在部分中粗砂，而管廊盾构隧道外边线与房屋水平最小距离为2.6m，为减少盾构掘进穿越时对房屋群的影响，有效控制地表、房屋沉降，采用隔离桩+预埋袖阀管跟踪注浆技术进行房屋加固保护（如图5、图6 所示）。隔离桩为C25 素砼桩，桩径350mm，桩间距600mm，布设在隧道外边线外1.5m，桩长约19.0m,进入隧道底部，为提高素砼桩的刚度，内插D180×4.5 钢管。袖阀管布设在靠隔离桩一侧，间距1500mm，管长L=8m。根据Peck 公式原理，盾构施工引起隧道顶部地层变形出现沉降槽的形状近似正态分布曲线，通过在隧道一侧设置隔离桩可以改变沉降槽宽度，阻挡发展趋势，降低地层沉降影响范围，同时采用袖阀管对隧道顶部地层进行跟踪注浆，当出现沉降监测预警时立即进行注浆加固，可有效预制地层沉降发展趋势，控制地层沉降量。隔离桩应在盾构到达前一个月施工完成施工，预埋袖管应在盾构到达前完成预埋施工。
图5 房屋加固平面布置图
图6 房屋加固剖面图
3.2盾构施工工序安排
本工程盾构侧穿房屋群前，盾构穿越了地层主要为砂质粘性土、粉质粘度及少量砂层，隧道顶部为粉质粘土、中粗砂、淤泥质粉质粘土及素填土，地表主要为农用田。为保证盾构安全顺利侧穿密集房屋群，结合相关经验，以盾构到达房屋前50m 作为盾构侧穿房屋施工试验段。试验段施工时，盾构按侧穿房屋掘进的预设参数进行试掘进，结合地面、隧道沉降监测数据及时优化调整掘进参数，通过各项试验数据的收集、整理、分析，结合工程实际条件，确实适宜的盾构侧穿房屋掘进参数。
盾构掘进到达房屋前，应根据工程实际条件，选择适宜的停机地点进行盾构机停机维保、检修，停机地点可选择在到达房屋前20～30m 范围内，条件具备时应进行开仓检查刀具，保证盾构机各项系统工作正常，相应配套施工设备运行正常，施工材料储备、应急救援物资储备等满足施工要求。
3.3盾构掘进参数控制
3.3.1土仓压力控制
根据地面沉降机理分析得知，盾构掘进施工过程中，土仓压力是地面早期沉降和盾构到达时沉降的主要影响因素。为保持盾构开挖面的稳定状态，使地面沉降量小，则设定的土仓压力值必须与掌子面的水土压力保持平衡。当土仓压力值大于水土压力时，刀盘挤压前方土体，处于被动土压状态，容易引起地面隆起；
当土仓压力值小于水土压力时，掌子面土体向土仓涌入，处于主动土压力状态，容易引起沉降；
当土仓压力值与掌子面静止水土压力平衡时，开挖面处于稳定状态。通常盾构机掘进土仓压力值按式⑴设定：
土仓压力值=地下水压力+土压力+预压值 式⑴
盾构掘进侧穿房屋群时，为最大程度减少地层的扰动变形，保持开挖掌子面的土体稳定，控制地表沉降最小，应盾构土仓压力应设为静止土压力，计算公式为：
式中：
P——静止土压力；
φ——土体有效内摩擦角。
盾构掘进侧穿房屋过程中，土仓压力应根据结论地层条件、地下水位计算的理论值控制，同时根据地表监测数据变化情况及时调整。土仓压力通过传感器显示，盾构侧穿房屋掘进过程中应尽量减少土仓压力波动，波动幅度应控制在±0.1bar以内。
3.3.2盾构推力、速度及刀盘扭矩、转速控制
盾构掘进施工过程中，为使盾构机往前行驶，盾构推力包含以下几部分：盾壳与土层的摩擦力F1；
刀盘推进力F2；
盾尾与管片的摩擦力F3；
掌子面的支撑压力F4；
后配套的拖拉力F5。根据经验计算公式，盾构总推力为
式中：
F总——盾构总推力；
F——单位推力(开挖面单位面积的推力，单位kN／m2)，软土地层不宜低于1050kN／m2，硬岩地层不宜低于1250kN／m2；
A——开挖断面面积(m2)。
盾构掘进时刀盘扭矩包含切削扭矩、刀盘主轴承旋转阻力矩、刀盘受推力荷载产生的反力矩、密封装置摩擦力矩等。盾构掘进施工刀盘扭矩设置主要考虑切削土体助力及附加助力，可按经验公式计算：
式中：
T——刀盘总扭矩；
D——刀盘外径；
α——扭矩系统，土压平衡盾构小于16。
盾构掘进速度与刀盘转速、贯入度存在密切关系，掘进速度=刀盘速度×贯入度（刀盘每转的进尺）。为保持土仓压力稳定，掘进速度必须与螺旋机排土相符合，同时必须兼顾注浆，保证浆液能均匀填实管片与地层的空隙。速度的控制同时应尽量保持土体受到的是切屑而不是挤压。盾构在软土层侧穿房屋掘进施工中，为减少刀盘对土层扰动，宜采取低转速、大贯入度原则，保持速度平稳，快速平稳通过房屋群。盾构掘进参数如表1。
表1 盾构掘进参数表
3.4盾构施工过程中沉降控制技术
3.4.1同步注浆技术
盾构机侧穿房屋群施工时，应控制同步注浆速率与盾构掘进速度相匹配。同步注浆采用盾构机内置注浆系统，浆液通过双泵四管路（四注入点）对称同时注入。同步注浆浆液原材采用水泥、粉煤灰、细砂、膨润土、水按配合比拌制而成。配合比应通过现场试验确定，并结合原材料变化情况、地质变化情况及时试验调整。盾构侧穿房屋施工时采用的同步注浆浆液应具有良好的稳定性、流动性及适宜的初凝时间，同时应具有良好的填充性能，低泌水率性，不易离析性。浆液配合比如表2所示。
表2 同步注浆配比
同步注浆压力应控制在既能到达环向空隙有效填充，又不会对管片结构造成变形、损坏，同时应防止因压力过大浆液击穿盾尾刷流入盾尾或流入前方土仓。根据类似工程施工经验，注浆压力一般取大于静止土压力0.1～0.2MPa。同步注浆量根据理论公式⑷计算，同时为保证浆液填充饱满，减少地面沉降量，软土中盾构侧穿房屋施工时同步注浆量应控制不少于6.5m3。
式中：
Q——注浆量；
D1——盾构理论开挖外径；
D2——管片外径；
L——每环推进长度；
α——注入率，一般取1.3～1.8。
3.4.2洞门二次注浆技术
盾构侧穿房屋施工时为更好控制地层沉降，降低地面、房屋沉降量，盾构通过后在盾尾后方每隔5 环采用水泥浆+水玻璃混合的双液浆进行洞内二次注浆，双液浆配合比如表3 所示。二次注浆采用手动控制，通过打穿管片吊装安装逆止阀注浆头注入。洞内二次注浆可以对同步注浆填充效果不理想部位进行二次填充，同时可以在管片壁后形成止水环，防止同步注浆浆液随着地下水渗流、稀释，加强注浆浆液凝固效果，并提高管片壁后止水效果。
表3 双液浆配合比
3.4.3盾体径向注浆技术
由于盾构体外径比刀盘外径小，盾构通过时盾体外侧与地层之间存在一定间隙。软土层中土体受刀盘切屑扰乱后临空面失去自稳性，盾体通过时则发生地层下沉，从而引起地面沉降。为抑制地层沉降量，减少对地面、房屋沉降的影响，盾体外侧与地层的间隙可从盾体的径向孔进行注浆填充。注浆浆液应采用惰性浆液，可采用特殊膨润土+水配制。
3.4.4袖阀管跟踪注浆技术
盾构侧穿通过房屋群后，结合地表及房屋监测数据反馈，当监测变化速率达到3mm/日或累计沉降量达到预警值的70%时立即启动补充注浆。注浆浆液采用水泥浆，配合比为1:1，注浆压力为0.3～0.5MPa，注浆压力逐步提高，注浆结束标准以达到设计注浆压力后，地层的吃浆量小于2～3L/min，注浆过程中保持持续监测，若监测数值变化不稳定，则继续注浆，当监测数值趋于稳定后终止注浆。
盾构侧穿密集房屋群施工时，应布设房屋沉降监测点，监测点布设原则为：应按房屋角点布设，当角点距离超过15m 时沿外墙10～15m 或每隔2～3 根柱基应设一测点。本文选取自编号M19、M18 房屋监测进行监测分析。
表4 为4 月28 日至5 月2 日期间房屋M18、M19 监测点沉降监测数据统计表。4月28日至5月2日盾构处于到达房屋前施工，根据表4 可知，盾构到达房屋前，监测点为微隆、沉降两个阶段，最大隆起量为0.9mm，最大累计沉降量为2.4mm。该阶段房屋沉降为初期沉降阶段，主要是由于固结沉降引起，盾构施工引起地下水（或孔隙水）的下降，土体发生固结。
表4 盾构到达前房屋沉降监测数据统计
表5 为5 月3 日至5 月10 日期间房屋M18、M19 监测点沉降监测数据统计表。5月3日至5月10日期间盾构掘进先后侧穿房屋M19、M18，根据表5可知，盾构掘进侧穿房屋期间监测点最大累计沉降量为-5.9mm，最小累计沉降量为-0.3mm，数据变化总体趋势一致。该期间房屋沉降包括盾构侧穿通过时、通过后的沉降，盾构到达前已完成隔离桩和预埋袖阀管施工，盾构侧穿通过时严格控制掘进参数，控制同步注浆量不少于6.5m3，每隔5 环洞内施做二次注浆，监测数据反映，盾构侧穿房屋施工时，总体控制较好。
表5 盾构侧穿时房屋沉降监测数据统计
表6为5月11日至5月17日期间房屋M18、M19监测点沉降监测数据统计表。5 月10 日盾构开始离开房屋M18、M19，5 月11 日至5 月17 日监测数据为盾构侧穿离开房屋M18、M19 后监测所得。根据表6 可知，盾构侧穿离开后监测点最大沉降量为-7.8mm，最小累计沉降量为0.0mm，数据变化趋势总体一致，且呈现开始平稳趋势。监测点MF18-1 出现由沉降变为隆起，最大累计隆起量3.8mm，分析主要由于盾构掘进通过后进行了袖阀管补充注浆及洞内二次注浆，而该监测点刚好靠近补充注浆位置，注浆效果反映明显。
表6 盾构侧穿离开后房屋沉降监测数据统计
本文以广州某地下综合管廊工程盾构区间土压平衡盾构下穿房屋群为研究背景，总结城市综合管廊盾构侧穿密集房屋群施工关键技术，得出以下结论：
⑴在软土地层中城市综合管廊盾构侧穿密集房屋群施工时，采用隔离桩+袖阀管跟踪注浆技术可以改变沉降槽宽度，阻挡发展趋势，降低地层沉降影响范围，能有效预制地层沉降发展趋势，控制地层沉降量。
⑵盾构侧穿房屋群前进行侧穿试验段施工，盾构按侧穿房屋掘进的预设参数进行试掘进，结合地面、隧道沉降监测数据及时优化调整掘进参数，收集、整理、分析各项试验数据，结合实际条件，确定适宜的盾构侧穿房屋掘进参数。
⑶盾构侧穿房屋群施工时，通过严格控制盾构掘进参数，合理配置注浆浆液，采用同步注浆，每隔5 环洞内二次注浆，盾体径向注浆，加强监测，实行精细化、信息化施工等关键技术措施，可将盾构侧穿房屋的沉降变形量控制在安全范围内。
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