浅谈盾构下穿建筑物掘进参数控制.docx

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浅谈盾构下穿建筑物掘进参数控制

浅谈盾构下穿建筑物掘进参数控制

摘要文章结合深圳地铁2号线2222标盾构机下穿景煜小学、翠海幼儿园等建筑物的工程实例，研究分析了盾构隧道下穿施工对城市建筑物的影响机理及变形控制基准值，提出了相应的盾构机下穿建筑物施工的掘进参数和控制地层沉降的技术措施。

关键词盾构隧道下穿施工地层变形掘进参数控制措施

1概述

     盾构法作为地下空间拓展的一种工法，具有施工占地小、对周边环境影响小、施工环境好、机械化程度高、开挖速度快、安全性高、成型隧道质量高等特点。

然而，由于盾构机所穿越地层具有不可预见性和复杂多变等特点，施工中往往存在着许多不可预见的风险，特别是在不良地质条件下穿越建筑物时，施工风险极大，可能会造成对建筑物的损坏和破坏，造成重大财产损失或人员伤亡事故。

所以，在盾构下穿建筑物施工中一定要严格把关，控制好一切不利因素。

本文将从盾构法施工对周边建筑物的影响机理出发，依托深圳地铁2222标盾构下穿翠海幼儿园及景煜小学工程实例，详细介绍盾构下穿建筑物的掘进参数控制。

2盾构施工对建筑物变形影响机理及变形控制基准值

2.1盾构施工对周边土体的影响机理

     在盾构施工过程中，盾构机所穿越的地层变形将不断发生变化，主要表现为盾构到达前的微小变形、盾构通过时的急剧增大变形和盾构机通过后的缓慢变形三个阶段。

诱发地层变形的基本因素是由于盾构隧道的开挖引起地层损失和对周边岩层的扰动，或受剪切破坏的重塑土的再固结。

     地层损失是指盾构隧道施工过程中，实际开挖土体体积与竣工隧道体积（包括隧道周边包裹的压力入浆体体积）之差。

地层损失是多种因素作用的结果，盾构在开挖过程中，管片背后存在建筑间隙，由于未能及时填充，使得围岩产生位移和变形，造成地层损失；成型隧道在其结构自重作用下整体下沉也会产生地层损失，并最终导致地层发生移动和变形。

     盾构机在推进过程中的挤压、超挖和盾尾的压浆作用都会对地层产生扰动，使隧道周围地层产生正、负超孔隙水压力，引起地层的固结沉降。

固结沉降可分为主固结沉降和次固结沉降：

主固结沉降为超孔隙水压力消散引起的土层压密，主固结沉降与土层厚度有着密切的关系，土层越厚主固结沉降占总沉降的比例越大；次固结沉降是由于土层骨架蠕动引起的剪切变形沉降。

2.2盾构施工对周边建筑物的影响机理

     盾构施工在一定范围内会引起土体的位移和变形，在影响范围内的地表建筑物，由于地基土体的变形会导致其外力条件和支承状态发生变化，可能会造成既有建筑物发生沉降、倾斜和断面变形等情况。

而外力条件的变化将随建筑物桩基础与盾构隧道的位置关系、地基土的性质、桩基础的类形不同而不同。

外力条件的变化主要表现为以下几种：

（1）土体应力释放引起的弹塑性变形，导致建筑物地基反力的大小和分布发生变化。

（2）因覆土压力的增大而导致的土体沉降，使建筑物地基的桩体垂直土压力增大。

     （3）因土体负载而导致的弹塑性变形，使建筑物地基地桩的土体压力增大。

     （4）由于盾构推力过大、盾构与周围土体之间产生的摩擦力、壁后注浆压力引起的地层扰动，以及盾尾建筑空隙和开挖面超挖引起的地层变形等因素，都会导致土体力学性状变化，使得地层产生弹塑性沉降和蠕变沉降，进而导致建筑物地基桩体的反力分布发生变化。

2.2.1地层损失对浅基础建筑物产生的影响

     基础四周地层移动对建筑物的影响相对较小。

如基底发生的是均匀沉降，沉降量较小，该地层的移动和变形不会对建筑物产生影响；如基底发生的是均匀沉降，但沉降量过大时，将会对建筑物造成损坏，尤其对于砌体结构，这种垂直沉降会使砌体形成较大的垂直方向下沉的拉力，使砌体产生水平裂缝；如基底发生不均匀沉降时，将会导致地表倾斜，使建筑物产生结构破坏裂缝。

同时，地表倾斜还会使高耸建筑物发生重心偏斜，引起附加应力重分布，使结构内应力发生变化，严重时使建筑物丧失稳定性而破坏。

2.2.2地层损失对深基础建筑物产生的影响

     由图1地层变形可以看出，盾构隧道施工中，发生位移和变形的地层波及到既有建筑物的桩基，由于盾构施工对围岩产生扰动，受扰动的围岩土体产生塑性变形、松动或破坏，引起的地层位移和变形将对桩侧和桩端产生作用，会引起桩基承载力和沉降量的变化，从而导致桩基的沉降和变形。

     如果基础地层底部发生的沉降量小，桩基础周围的地层移动和变形不会对建筑物产生影响；如果沉降量过大，桩基础周围的岩土体发生移动和变形时，基础底部受到土层变形的影响，同时还受到基础四周地层变形的影响。

由于桩基础埋深较深，当沉降过大时，土的侧向变形易引起桩基的侧向变形和内力变化，从而引起上部建筑物的变形和内力变化。

2.3建筑物变形控制基准值

     隧道通过的地层是复杂多变的，地层的沉降难以控制。

为了使下穿建筑物的隧道质量得到保证，以及邻近建筑物的结构安全，国家和一些地区制定了合适的变形控制基准值。

通常地表沉降控制基准值应综合考虑地表邻近建筑物、地下管道及地层结构和结构稳定性因素，分别确定其地表沉降允许值，并取其中最小值作为控制基准值。

     盾构隧道邻近施工时，应以不造成原有构筑物的不良影响为前提，能定量表示出不对建筑物造成伤害的影响值。

表1为国家规范规定的建筑物地基变形允许值。

表2、表3为我国一些专家学者根据工程经验建议的不同桩基础建筑物及一般桥梁的沉降控制值。

     变形控制基准值是盾构隧道邻近既有结构物施工风险评估的重要内容之一，也是确保被监控对象安全而确定的最大允许值。

在监测过程中，当实测变形值大于允许变形的2/3时，必须及时通报建设、施工、监理等单位，必要时需及时对受影响的建筑物采取保护措施。

3盾构隧道下穿建筑物时控制地层沉降的主要措施

     为了确保邻近结构物的安全，隧道施工时应对地表建筑物的变形进行密切观测，及时预警预报，并根据监测情况采取一定的措施，使地层位移及邻近建筑物变形控制在允许范围之内。

实际盾构隧道施工过程中，主要根据“匀速通过、严注浆、勤测量、二次注浆”来控制建筑物的变形。

（1）匀速通过

     掘进施工中，地层的变形主要是隧道开挖所造成的，不同的地层和不同的掘进参数对地层的变形影响很大。

工作人员需密切关注土舱出土情况，根据刀盘前的地层正确选择盾构机掘进参数，以“平稳、匀速推进、低扭矩、顶住正面、调整压力、封住盾尾”的技术内涵为基础，以“保头护尾”的技术为方针，控制好刀盘扭矩、推进速度、泡沫参数、渗入尺度、碴土情况等施工参数，尽量减少故障，避免发生意外造成停机。

快速匀速通过邻近建筑物，可缩短围岩的暴露时间和变形。

在掘进时，控制好土舱内的压力平衡，控制好出土量，防止超挖。

圆形土压平衡盾构理论排土体积V为：

V=π/4·r2·L（式中：

r为开挖直径，L为推进长度）。

（2）严注浆

     由于刀盘直径比盾构直径大，开挖出来的隧道与盾体或隧道衬砌之间形成一定量的空隙；而且由于盾壳与地层之间的摩擦阻力作用，必然会产生一个滑动面。

临近滑动面的土层中会产生剪切应力，当盾构刚通过受剪切破坏的地层时，因受剪切而产生的拉应力导致土壤立刻向盾构后面的空隙移动；当管片脱出盾尾后，如不及时充填该空隙，就会被周围土体占领，最终形成较大的地面沉降。

壁后注浆是对盾尾形成 的施工空隙进行填充注浆，是控制地层沉降的一个重要环节之一。

     严格控制同步注浆量和浆液质量，务必做到以下三点：

     ①保证每环要达到注浆总量。

     ②保证盾构推进每箱土的过程中均匀合理地压注。

     ③浆液的配合比必须符合标准，可以根据实际情况合理修改浆液配合比。

     不同的地层条件需要调整注浆的方法，对于背后注浆对象而言，有软土和硬土之分，盾构工法的对象主要是软土层。

在软土层中，浆液会流失到掘削空隙以外的周围土体中去，粒径小的粘性土（以粘土、粉砂土为主且渗透系数小的土层），优于粒径大的砂质土（以砂、砾石为主且渗透系数大的土层），其中砾石层浆液漏失更为明显。

就强度而言，软土强度低，土层受盾体摩擦扰动，或土层的内应力影响会填充施工空隙而引起地层扰动。

所以遇到软土层时，要求浆液保水性好、水泥含量要高，并采用较高的注浆压力以提高注浆量，降低浆体因排水固结收缩引起的地层损失。

     在硬土层中，如硬土泥板岩层中，没有大的裂缝，浆液不会流失到周围土体中去，所以在硬土层中浆液渗透量较软土层小；同时，硬土层的强度大，稳定性比软土层好。

当管片脱离盾尾后，产生较大的建筑空隙，会造成管片上浮等多种问题。

所以注浆时，应适当加大注浆量、降低注浆压力，因浆体中的胶凝材料可充分进行水化作用，提高浆体强度，有利于减小对地层的扰动、减小地层应力释放。

如果压力过高，盾尾空隙填充完后，浆液会流向盾体、刀盘，严重时会裹往盾体、包裹刀盘刀具。

     （3）勤测量

     在隧道过建筑物时，地表沉降必须全线进行，并沿纵轴线每3～5m布置地表桩测点，进行连续测量。

对位于沉降槽影响范围的建筑物，作重点保护监测，加强监测力度。

     隧道内的盾构机要控制好姿态，盾构姿态变化不可过大、过频。

根据盾构姿态合理使用仿形刀和千斤顶编组顶进，纠偏幅度不宜过大，尽量保持机体平稳推进，避免由于机体扰动周围土体和超挖引起地层损失，对地面沉降控制造成不利影响。

     （4）二次注浆

     盾构经过的地层，会在相当长一段时间内仍延续沉降，粘土地基长期延续沉降明显大于砂质地基。

盾构机通过后的后续沉降属于地基土的徐变特性的塑性变形，该沉降起因是土层的本身性质和隧道周围土体受扰动引起土体结构发生变化。

因此，在盾构施工中要阻止和减小这种沉降的发生，通常采取二次注浆的方式来阻止地层发生进一步沉降。

     二次注浆的形式为管片壁后注浆，即从相应位置的管片注浆孔实施浆液的压注。

二次注浆的压力、压注量应根据实际情况而定。

     同步注浆的砂浆凝固变硬需要一定的时间，条件差的地层或扰动后的地层稳定会滞后，施工中通常在盾构通过时进行同步注浆；在盾构机通过后，如果后续沉降比较大，则需要进行二次注浆，二次注浆可以进行单液注浆和双液注浆，两种浆液各有优缺点，详见表4。

4工程实例

4.1工程概况

     深圳地铁2号线（蛇口线）东延段工程土建2222标，香蜜湖站（原香蜜北站）至侨香站路线中，盾构下穿景煜小学、翠海幼儿园建筑物群施工段，两建筑一前一后，其中右线直接下穿景煜小学、翠海幼儿园建筑物（图2、图3）。

4.1.1地质情况（图4）

     景煜小学地基基底和盾构隧道之间的地层由<8-2>砾质粘土和<8-3>砾质粘土性地层充填。

盾构区间洞身穿越的地层为<9-2-1>强风化花岗岩层、<9-1>全风化花岗岩层、<8-3>砾质粘性土层。

盾构下穿幼儿园的地层主要为<8-3>砾质粘性土、<9-1>全风华花岗岩。

4.1.2线路线型

     景煜小学所覆盖线路的里程在右线段,长度为146m,其中有8m施工段为半径659m的圆缓线，掘进方向（香蜜湖站至侨香站方向）为上坡，坡度为8.200‰。

右线穿越翠海幼儿园建筑物影响主要施工段长度为73.3m。

4.1.3盾构隧道与建筑物的位置关系

     该盾构隧道采用土压平衡式盾构法施工，盾体总长8.68m，管片外径6.0m，管片内径5.4m，厚0.3m，管片环宽1.5m。

景煜小学建筑基础为扩大基础，基底埋深2.2m，基底离隧道顶部大约为9.1m。

翠海幼儿园建筑基础为柱下扩大基础，隧道先后从学校3层、2层建筑物底部穿过。

基底部距离隧道顶部大约为8.0m。

4.2盾构机穿越建筑物所采取的技术措施

     在盾构掘进时，应降低推力和掘进速度，做好碴土改良，严格控制出碴量，减少掘进过程中周围土体的扰动，从而减少对地表建筑物的影响。

掘进时应严格控制土舱内的土压值及其波动值，切实保证开挖面的稳定。

严格控制好盾尾油脂压注，确保管片背后注浆有效，以减少后期沉降。

4.2.1掘进参数的控制

     盾构开挖面的地层土质松散，强度指标低，粘结性差，易软化，遇水呈流塑状，抗变形性及稳定性差。

根据碴土显示，地层含水量少、砂粒含量高，所以推进过程中选用的掘进参数如下：

（1）上部土舱压力控制在0.09~0.13MPa，平均土压为0.1MPa以上。

推进将要结束前将土压设为0.1~0.14MPa，以防在停机掘进拼装管片时土舱压力下降过低。

（2）推进时，千斤顶油压应小于13MPa；总推力小于1300t。

     （3）刀盘扭矩小于1000kN·m，推进速度不大于50mm/min，刀盘转速约为1.2r/min。

     （4）泡沫剂百分比为1.5%～3.0%，溶液与空气的流量混合比为1∶12～1∶16，每4根泡沫流量为85%。

     （5）直径为6280mm的盾构，理论建筑空隙为：

1.5π（6.282-6.02）/4=4.05（m3）。

实际的压注量为每环管片理论建筑空隙的150%～250%，即每推进一环同步注浆量为5.4～9m3，所以注浆量每环必须大于5m3。

同步注浆浆液0.7m3配比为：

膨润土150kg；水泥100kg；粉煤灰150kg；砂480kg；水0.3m3。

注浆压力约为0.05~0.07MPa。

     （6）掘进中严格控制出土量，需做到逐斗控制及总量控制。

每箱约12m3土斗千斤顶行程不小于38mm。

     （7）由于地层含水少，土舱内碴土较干，需往土舱内加水，以防止结泥饼。

     （8）二次注浆采用水玻璃、水泥混合双液浆。

二次注浆配比（重量比为kg/1.5m3）如表5所示。

     注浆压力约为0.1MPa。

在已拼好管片后5环往后成形和管片注双液浆，预防双液浆流入盾尾，裹住盾体。

从3点钟、10点钟、12点钟位置管片螺栓孔注入，严禁从F块小块管片螺栓孔注入，注浆完后及时清洗注浆管道。

4.2.2测量监控

     盾构在下穿建筑物前后，加强了对地表检测的管理，对地表实行24小时监测，每3～5h监测一次，对沉降变化大的点设立预警机制，把沉降情况在第一时间反馈到施工中去指导施工，如果发生了沉降量变大的情况，及时采取相关措施阻止沉降的进一步发生。

在盾构机下穿景煜小学的过程中，施工控制良好，盾构机通过后的沉降曲线如图5、图6所示。

5结论

     地铁下穿既有铁路的工程越来越多。

在防止盾构推进过程中造成既有盾构施工区段内土体下沉危及地面建筑、行车和行人安全的同时，还要确保隧道在列车运行荷载作用下的结构稳定。

盾构施工穿越建筑物等障碍物时，施工前首先要对既有建筑物调查，充分了解具体边界条件后再分析可能产生风险的原因，有针对性地制订相应的施工措施，并做好施工过程中的监测工作，依所测监测数据及时调整盾构参数。

同时，针对穿越障碍的风险，制订相应的应急预案，以保证在出现意外情况时仍然可以按预案进行处理而不致于手足无措。

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