特殊地段盾构掘进的沉降控制技术

特殊地段的沉降控制一直是盾构施工中的难点、风险点，本文介绍了广州地铁某盾构区间在经过“三区”（隧顶覆砂区、桩基础群区和地面密集建筑物区）地段时所采取的技术措施，以期对类似地层有借鉴和指导作用。

　　广州地铁某盾构区间为双线圆型隧道，内径5.4m，外径6m，采用刀盘直径6.28m的土压平衡盾构机施工。在临近吊出井时要经过一“三区”特殊地段，即：隧顶覆砂区、桩基础群区和地面密集建筑物区。为安全通过该特殊段，项目部编制了一套详细、针对性强的施工方案，并在施工中逐一落实，最终盾构机安全到达吊出井。
　　1、特殊地段的工程情况
　　1.1地质水文情况：该地段长约300m，隧道覆土14～23m，洞身经过地层主要为7、8、9泥质砂岩，夹部分6全风化泥质粉砂岩；洞顶主要为32细砂层，夹少量42、52地层，32砂层厚3.5～9m，平均厚5m以上；通过现场试验，9微风化地层平均单轴极限抗压强度16.0mpa左右。本区段地下水有第四系孔隙水及基岩裂隙水，第四系孔隙水埋深0～3m，水量丰富，由大气降水及江、河水补给。基岩裂隙水主要赋存于基岩强、中等风化带的裂隙中，埋深随基岩面而起伏，一般为15～20m，32中细砂层富水性中等及渗透系数较大。
　　1.2地面建筑物及桩基础情况该段隧道顶部及其影响范围内主要有45栋建筑物，绝大部分是民房，层高3～7层，为框架结构；有8栋是一层高的制衣厂厂房，为砖混结构。房屋基础除12栋房屋是天然基础外，其余为r500～r600钻孔桩砼基础及r120的木桩基础。有16栋房屋的桩基础侵入隧道或接近隧顶，另有两栋房屋被鉴定为危房。
　　2、控制沉降的技术措施
　　2.1到达特殊段前的准备工作
　　1）在该特殊地段增设3个补勘点以掌握更准确、全面的地质情况。
　　2）对中轴线两边各30m内发生较大倾斜和结构老旧房屋进行鉴定，为危房的拆除或临迁。
　　3）对隧道上方建筑物进行详细的入室调查。对桩基侵入隧道或接近隧顶的建筑物采取托换加固措施，结构面发现裂缝的则作详细记录。
　　4）准备支顶加固材料、注浆加固材料、抢险机具设备、车辆、警戒标识物等以备用。
　　5）在到达特殊段前选择一开挖面自稳性较好的地段对盾构机进行全面检修，减少在特殊地段停机检修的风险：①对破损较大的盾尾刷进行更换；②全面检测刀具，对磨损超标的刀具进行更换；③对堵塞的注浆管进行疏通处理；④对分别通往开挖面、土仓、螺旋输送器的主从泡沫管进行疏通，并在刀盘面中心附近增设1根泡沫管。
　　2.2通过时的掘进控制
　　2.2.1掘进模式、盾构机配置及掘进参数针对特殊段的情况，选用的掘进模式，盾构机械配

　　2.2.2刀具配置
　　本段洞身地层主要为7、8、9泥质砂岩、粉砂岩，易结泥饼，根据以往类似地层施工经验，采用全软土刀具将会出现盾构机推力增大、扭矩增大、掘进困难的现象，严重时由于盾构机长时间在一小范围扰动，隧道顶部的砂土层会塌落，进而导致地面塌陷的事故；若采用全硬岩刀具，则刀盘面开口率减少，结泥饼的机会就会增加。故过本段时采用了混合式刀具配置：64把刮刀，16把铲刀，5把边缘双刃滚刀，8把正面双刃滚刀，6把中心双头齿刀。正面滚刀都高出刀盘盘面175mm，为开挖面破除下来的砟土留出了足够的出砟空间，刮刀超出刀盘盘面140mm，受到滚刀的保护，刀盘开口率约为29%。
　　2.2.3掘进过程的施工技术要求盾构在通过该特殊段时有序、平衡、平稳。
　　有序
　　1）施工组织有序　人、机、料的配置合理，工序的安排、衔接有序。
　　2）机械保养有序　机械保养定人、定期、专业、规范，做到无遗漏、标准化。
　　3）信息管理有序　技术交底、作业交底按部就班，自经理部至作业面指令畅通、反馈迅速。
　　平衡
　　1）土仓压力与开挖面水土压力平衡　严格控制土仓压力，尽量保持土压平衡，不要出现过大的波动；考虑本段地下水水压较高，土仓压力设置为上部1.3bar左右，下部1.8bar左右。
　　2）出土量与掘进进尺平衡　严格控制出土量，做到进尺量与出土量均衡。本隧道开挖直径6.28m，考虑盾构姿态变化或其他原因引起的岩土损失和岩土的松散系数，每环出土量约66～69m3，即4.5节砟车。除量的控制外，还要坚持对每环砟样进行地质水文分析，发现与开挖断面地质情况不符（尤其是出现32砂层）时，则马上采取措施。
　　3）注浆压力与水土压力平衡　除考虑注浆处的水土压力，还要考虑后方来水、开挖面来水的水压，故注浆压力是在注浆处水土压力基础上提高1～2kg/cm2，且应使浆液不进入土仓和压坏管片和不因注浆压力过大造成地表隆起。特殊段注浆压力设置：1＃、4＃注浆孔控制在1.5bar左右，2＃、3＃注浆孔控制在2.0bar左右。
　　4）注浆量与进尺平衡　考虑浆液失水固结、盾构推进时壳体带土使开挖断面大于盾构外径、部分浆液劈裂到周围地层，采用理论值的150％～200％进行注浆，即为6～8m3.要保证浆液配置与地质水文条件、掘进速度相适应，过本段时浆液配比设置为：水泥∶粉煤灰∶砂∶膨润土∶水=180∶371∶780∶35∶400（kg），浆液稠度控制在110～115mm，凝胶时间控制在5h以内。
　　平稳
　　1）盾构姿态平稳　推进过程应保持盾构机有良好的姿态，避免蛇行，每环姿态变化控制在±5mm内。千斤顶a区、c区油缸油压值差宜保持统一、恒定性，不宜出现过大的波动。
　　2）管片姿态平稳　做好管片选型，现场对盾尾间隙实测实量，控制下部盾尾间隙在70mm以内，注意管片拼装的椭圆度，防止尾刷与管片碰撞导致盾尾密封、铰接密封损坏及管片变形。
　　3）推进速度平稳　掘进过程中向土仓内及刀盘面注入泡沫等添加材料，改善砟土性能，提高砟土的流动性和止水性，防止涌水流砂、结泥饼和喷涌现象，有利于保持速度的稳定。推进速度保持在25～40mm/min，日均进尺7～9m。
　　2.3　通过后的补强措施
　　1）二次注浆　盾构同步注浆后，由于浆液的脱水，浆液体积收缩会加剧地表的后期沉降量，又由于盾构推力，衬砌和土层间会相互分离，二次注浆能有效地进一步充实背衬和提高止水能力。特殊地段每推进4环后补注双液浆一次，在破除桩基位置两环管片的范围内增注一次。
　　2）三次复紧　为防止因管片的变形引起地层的过度扰动，对管片螺栓拧紧要求三次复紧。
　　即拼装管片时一次拧紧，推出盾尾后二次拧紧，后续盾构掘进至每环管片拼装前，对相邻已成环的3环范围内管片螺栓进行全面检查并复紧。
　　3）地表注浆　作为应急预案，在盾构通过本段前，对有托换的建筑物预埋袖阀管，如盾构通过发生险情能在地面紧急进行地层注浆加固。
　　3、施工监测
　　3.1监测点的布设
　　区段范围布设监测主断面2个，次断面36个，分别设置11个和7个监测项目进行全面监测。
　　3.2监测在施工中的应用
　　1）监测-施工流程图　为使监测结果能顺畅、快速到达作业面，作业面情况能迅速反馈到监测组和技术部，承包商制定了监测-施工流程图，以最大限度实现信息化施工的目标，见图1。

　　2）沉降排列图　通过对右线盾构经过特殊地段的监测报表数据统计归纳，采用排列图对盾构施工各阶段的沉降进行分析。由图2可见盾构到达、盾构通过、盾尾通过三个阶段的沉降和占最终沉降量的81.82%，是沉降变化的高峰期，必须采取有效和针对性的措施，如盾构机平稳、快速通过；确保同步注浆压力、注浆量、尤其是注浆质量，坚持二次补注浆，及时填补衬背间隙和减少地下水流失。监测报表还显示，盾构机切割桩基时建筑物沉降最大，最大一次达12mm/d，要降低风险，搞好房屋桩基托换是前提，切割时则应贯彻小推力，慢速度，立足于磨的原则。
　　3）不均衡沉降　通过对监测报表数据统计发现，距线路中心越近，沉降越大，反之则越小，这对上方建筑物会产生不均衡沉降。实际施工时，当监测结果显示同一建筑物横向沉降差超过2mm/d时，应严加关注和采取措施，严格控制沉降速率：严防盾构机姿态出现大的波动，土仓压力要适当加大和稳压，注浆切忌不够量；快速通过，减少沉降高峰期时间，如有必要应根据实际情况对建筑物本身及地基进行加固。
　　4、结束语
　　由于准备充分、措施到位，盾构机顺利通过该特殊地段，尽管监测结果统计仍有3.8%的监测点沉降超标（允许沉降：-30～+10mm），有两栋房屋倾斜率超过允许倾斜值的12%（允许倾斜率4‰），但经鉴定超标的房屋均可安全使用，所以说对该段的沉降控制基本取得成功。