富水砂卵石地层盾构穿越老旧房屋建筑群风险防控关键措施

富水砂卵石地层盾构穿越老旧房屋建筑群风险防控关键措施摘要：以成都地铁9号线盾构施工为例，分析富水砂卵石地层盾构施工造成滞后沉降并引起地表塌陷问题的原因，提出富水砂卵石地层盾构穿越老旧房屋建筑群的风险防控关键措施并实施。

关键词：成都地铁9号线；盾构施工；房屋建筑群；风险防控；关键措施1 引言我公司在2015年施工了成都地铁7号线某三个盾构区间，在2017年施工了成都地铁3号线延长线某二个盾构区间。

两个标段都是在富水砂卵石地层采用盾构法施工，共同点是都遇到了比较特殊的地层沉降问题。

由于成都富水砂卵石地层的特殊性，盾构在该地层中掘进，地层沉降（多为滞后沉降）极为显著，由于地层沉降导致的地表塌陷也屡次发生。

成都地铁9号线一期4标段（以下简称“本标段”）地质类似，且穿越密集老旧房屋建筑群，由于地层沉降引起的后果更为严重。

本文针对本标段盾构施工提出穿越老旧房屋建筑群的风险防控关键措施并实施。

2 工程概况本标段盾构区间为华兴站~簇桥站~武青南路站区间，采用4台盾构施工，刀盘开挖直径为 6980 mm，开口率为 41%。

隧道管片外径 6700 mm，内径6000 mm，宽度 1500 mm，盾构区间情况如图1。

其中华~簇区间隧道长约950米，最大坡度19.8‰，隧道埋深16.9米~26.6米（拱顶覆土为9.9米~19.6米），区间盾构主要穿越<3-8-3>密实砂卵石地层，地下水平均埋深6.48米，渗透系数22m/d，区间地质纵剖面图见图2；区间下穿密集老旧房屋建筑群27栋，合计567米，所穿越建筑（群）为20世纪80年代3~7层住宅型民房（一层多为商铺；其中民房改造幼儿园一处），基础均为筏板基础，基础埋深2~3米，与隧道拱顶竖向距离为7~17米不等，其中左线下穿3栋联排房屋一处，右线下穿2栋联排房屋二处、18栋联排房屋一处，穿越建筑（群）平面图见图3。

图3 华～簇区间穿越建筑群平面图3 工程难点1）所穿越建筑（群）整体老化，基础埋深浅，且联排老旧房屋建筑群无法像独栋建筑一样进行地面注浆加固。

2）在成都富水砂卵石地层中掘进，极易发生超挖，造成地层沉降或地表塌陷。

大面积、长距离连续穿越建筑（群），若施工控制不当，对建筑物及住户人身安全影响大。

3）施工环境复杂，人流、车流量大（其中右线穿越幼儿园；整条街道为小吃一条街），工程环境风险控制难度大。

4 地层沉降并地表塌陷产生机理及过程分析4.1 盾构施工地层变形机理分析盾构掘进通过某一断面的地层变形时间曲线与盾构掘进过程中所处位置相关。

如图4所示，某一断面地层变形的变形~时间曲线划分为5个阶段，各阶段变形原因不同，变形机理各异。

图4 盾构掘进底层变形阶段示意图地层变形的第1阶段：发生在盾构到达该断面之前，主要表现为地下水位降低产生固结沉降。

第2阶段：盾构通过该断面前，若盾构控制土压不足或过大，则开挖面正前方土体弹塑性变形引起地层沉降或隆起。

笫3阶段：发生在盾构通过该断面时，由于超挖、纠偏、盾构外周与周围土体的摩擦等原因而发生地层沉降或隆起。

第4阶段：盾构通过该断面后产生的弹塑性变形；若衬砌背后与洞体的空隙填充不及时，造成地层应力释放，则土体的弹塑性变形引起地层沉降。

第5阶段：盾构通过该断面后长时间地发生后续沉降，主要由于盾构掘进造成的地层扰动、松弛等引起。

在成都地铁特有的富水砂卵石地层中掘进，极易发生超挖，根据我公司成都地铁以前两个标段施工的实际情况分析看，有一点是肯定的，只要发生超挖（超方），地层沉降多会发生。

为了避免沉降反映到地表，我们以前的实践是在超挖位置进行标注，盾尾通过该位置后进行打探孔填充惰性浆物。

4.2 成都富水砂卵石地层滞后沉降并地面塌孔发生过程分析根据成都地铁施工经验，查阅材料总结，结合我公司的实践分析，可将成都地层土体发生滞后沉降动态过程划分为四个阶段：①盾构掘进发生超挖或长时间停机造成土体扰动并形成空洞；②砂卵石层中的空洞上表层逐渐自稳；③由于受到地下水位提升、地表动荷载影响等因素影响，形成自稳的砂卵石层空洞上表层逐渐剥落向地表发展；④最终地面贯穿，形成地面塌孔。

地面形成孔洞的大小与实际超方量正相关。

5 盾构穿越老旧房屋建筑群风险防控关键措施地层沉降导致地表塌陷的主要原因是盾构掘进发生超挖形成空洞而又没有得到充分填充。

本标段华~簇区间穿越的房屋建筑（群）均为老旧建筑，盾构掘进产生的地层变形（甚至超挖形成的空洞）引起的外力条件或承载能力发生变化，极易使其发生沉降、倾斜、开裂等变形与变位。

尤其穿越联排建筑群时，不但其地面注浆加固难以实施，而且发生超挖（超方）后进行打探孔填充惰性浆物的措施也很难实施。

如前地层沉降并地表塌陷产生机理及过程分析，为防止房屋建筑（群）的变形与变位，制定风险防控关键要素如下：1）地面袖阀管注浆方式进行地基加固。

2）确保土压平衡，分段建压掘进。

3）掘进时尽量减小对地层的扰动，杜绝超挖。

4）强化同步注浆和二次补强注浆。

5.1 地面袖阀管注浆预加固措施对穿越的独栋建筑采取预加固措施，采用地面袖阀管注浆的方式进行地基加固，通过袖阀管注浆来控制盾构机穿越时的不均匀沉降，减小盾构机对房屋建筑的影响。

对穿越的联排建筑，在其能够加固的区域采用地面袖阀管注浆加固。

具体加固措施常用，本文不再赘述。

5.2 确保土压平衡，分段建压掘进土压平衡是利用盾构机切削的泥土充满土仓并保持适当的土压力来平衡开挖面的土体，从而达到对盾构正前方开挖面进行支护的目的。

其核心是开挖面稳定机理，即土仓内土压力抵抗开挖面地层水土压力使开挖面稳定。

平衡压力的设定是土压平衡盾构施工的关键，维持和调整设定的压力值又是盾构推进操作的重要环节。

本区间盾构掘进将保证土压平衡并分段建压掘进作为穿越房屋建筑群时风险防控的核心措施。

1）严格进行盾构施工土仓压力的计算设计（另文述），给定不同掘进深度时土仓压力的低值和高值（见表1），绘制土仓压力设计曲线（见图5），施工中严格执行。

区间分段建压掘进。

表1 成都地铁9号线一期4标隧道华~簇区间土仓压力计算设计表图5 华~簇区间土仓压力设计曲线2）穿越房屋前建立掘进100米“试验区”，“试验区”完成“以设定土压为核心要素，其他掘进参数为辅，过程调整”的任务。

实验区掘进时，以给定的土仓压力高值σ土仓压力max 为主要参考（同时试验了在σ土仓压力max基础上上浮5%掘进），并严禁土压低于σ土仓压力设定min值，取得了较好效果，“试验区”未发生明显超挖。

本土压设计给定的压力值较高，基本需要满仓土掘进（土仓上部空仓高度约1~1.5米），对盾构司机的经验、掘进水平要求提高。

3）穿越老旧房屋建筑群时，依旧执行上述土压设计，分段建压掘进。

4）此土压平衡掘进模式容易引起盾构糊刀（结泥饼），从而引起出碴量超限，发生超挖。

本区间过程掘进时对盾构掘进参数进行了严密监控，尤其推力变化，疑似结泥饼时及时处理。

本区间非穿越房屋时不开仓使用过两次“剥落剂”处理疑似结泥饼，效果明显，穿越房屋时未使用，前提是盾构掘进参数尤其推力控制良好。

5.3减小对地层的扰动，杜绝超挖1）双控出渣量，预知是否超挖。

对每环出碴量做好记录，以重量和方量对出渣量进行双控。

由于掘进参数控制良好，本区间未出现明显超方（超挖）。

2）盾构掘进尤其穿越房屋建筑群时，保持盾构机不停机（强化盾构机检修、维保，保证其性能），匀速快速掘进（保证土压平衡的情况下，提高掘进速度，匀速快速通过），尽可能减小对地层的扰动。

3）做好碴土改良，使用适宜的质量良好的改良剂。

本区间穿越房屋建筑群时使用了某名牌品牌泡沫剂（成本稍高），效果良好。

4）掘进过程中控制好盾构姿态，轴线纠偏“勤纠、少纠”，以减少过度纠偏造成地层扰动及土体超挖，并严格控制管片拼装误差。

5.4强化同步注浆和二次补强注浆根据“3.1 盾构施工地层变形机理分析”，同步注浆做到及时足量饱满。

每环注浆量和注浆压力均达到高值（注意对铰接密封以及盾尾密封的检修监控，保证其密封效果）。

强化二次补强注浆，保证第一时间对盾尾建筑间隙进行充分填充。

5.5备用措施1）为确保刀盘前掌子面不坍塌，对刀盘前上方掌子面进行预加固措施；2）克泥效工法；3）一旦发生超挖，打探孔填充惰性浆物措施（提前准备可以入室的小型钻孔机和制浆注浆设备）。

上述三项措施的方案、机具材料在本区间掘进时都做了准备。

由于过程总体掘进情况良好，未使用。

6 实践验证与结论1）本标段华~簇区间自2018年9月盾构始发掘进，掘进过程严格执行上述风险防控措施，尤其严格执行给定的土仓压力，确保土压平衡模式并分段建压掘进，至2019年4月全部洞通接收，成功穿越密集老旧房屋建筑（群）；并且至2019年底监测的路面及老旧房屋建筑（群），其地面沉降和建筑变形均未超限。

说明上述风险防控措施是得当的，具有一定施工指导意义。

2）盾构在成都特有的富水砂卵石地层中掘进，只要严格控制掘进参数，尤其控制好土仓压力，不论是否穿越建筑物，地层沉降甚至地面塌陷是可以避免和有效预防的。

参考文献[1]中铁二院（成都）建设发展有限公司，华兴站~簇桥站~武青南路站区间岩土工程勘察报告，2018年2月。

[2]市政公用工程管理与实务，中国建筑工业出版社，2011年4月第三版。

[3]罗松，张浩然成都富水砂卵石地层盾构施工滞后沉降防控措施探讨，隧道建设，第三期，June 2010。

[4]陈馈，洪开荣，焦胜军盾构施工技术（第二版），北京：人民交通出版社股份有限公司，2016.3。

[5]冯德顺卵石地层的特殊性及其对基坑支护设计施工的影响分析及探讨，施工技术，2015年38期[6]简鹏成都地区砂卵石围岩客观力学特性研究及应用，成都理工大学，硕士学位论文，2017年6月。