盾构法概述

盾构法微扰动施工控制技术及其应用兰州华夏岩土技术开发公司王娟摘要：随着城市地下空间的大规模开发利用，地铁、铁路、市政高速公路的大规模建设，需要穿越重要地带的地下穿越工程大量出现，盾构法也越来越成熟，但越来越多特殊的施工环境也给盾构法提出了更高的要求。为了控制盾构隧道施工对周边沿线的构筑物的扰动，确保施工的安全进行，本文结合上海轨道交通10-12号线工程盾构区间的推进工程，对盾构穿越构筑物微扰动施工控制技术进行研究，提出了在三种不同的特殊施工环境下如何有效的控制建筑物沉降而采取的施工措施，施工结束后长期监测表明措施的争取性及安全性，为今后盾构隧道下穿越工程的施工控制提供借鉴与参考。关键词：隧道工程，盾构法施工，穿越构筑物，微扰动施工1引言随着城市的不断发展，越来越多的地下空间不断被开发利用，致使城市地下空间越来越有限，从而更多的地下工程不得不穿越城市密集区，同时由于轨道交通沿线周围必然存在着大量地下城市生命线工程和地上敏感构筑物，对盾构法施工的微扰动控制技术提出了必然要求。微扰动施工控制方法是基于现场检测的信息化动态反馈施工技术的应用，其原理和方法与地下工程信息化施工具有一定的相似之处，对穿越阶段的施工过程要实施分时、分阶段控制，达到对既有构筑物的保护要求，使穿越工程能够顺利实施。王占生[1]等分析了盾构通过建筑物的扰动和施工组织方法，并提出了相应的施工控制参数和常见工程的处理措施；衡朝阳[2]等结合北京地铁10号线工程实例，阐述了盾构施工对周边建筑物的扰动评价方法，并提出了建筑物的控制变形标准；胡新朋[3]等基于对盾构穿越城市河流、既有隧道和古墙等工程实例的分析，提出了相应的技术控制措施；骆建军[4]提出了安全管理地铁施工对邻近建筑物的影响程序，并提出了建筑物的一般保护措施；廖少明[5]等根据上海大量盾构隧道近距离施工控制案例及室内外试验，提出了软土地层微扰动施工力学与工法；朱合华[6]等分析了盾构隧道下穿越工程实例，建立了盾构隧道的微扰动施工控制技术体系。本文主要在上述研究的基础上针对特殊施工环境下的工况提出相应的施工措施。上海轨道交通10-12号工程[7-9]都对微扰动提出了较高的要求。10号线下穿已建虹桥机场东站坪、机场东滑行道、机场东跑道和新建机场新跑道、西滑行道、西站坪、西航站楼后至虹桥机场东站，整个区间为不停航施工，虹桥东站进洞处盾构距航站楼底板最小净距为2.2m。该段工程的难点在于：穿越机场距离长、沉降控制要求高；检测方法和检测时间受到较多限制；盾构穿越时新航站楼正在进行上部结构施工。11号线下穿越保护构筑物、地铁和倾斜老旧房屋，该段工程的难点在于：老旧房屋恰好位于古河道分布区、与正常地层分布区的分界区域，南北两侧土质不均、盾构的上行线、下行线将先后从倾斜方向一侧穿越，距离长达72m左右，其中15m将在基础下部经过，盾构顶部距楼房基础最近距离为9.2~9.4m，穿越土层为淤泥质黏土层和黏土层。12号线13标工程位于上海市中心城区，徐穿越成片的大量构筑物，经统计共穿越沿线房屋193处，房屋面积达435583m2，且位于正常地层与古河道底层交界处，土层分布较复杂。图1-1上海虹桥机场周边交通规划图2微扰动施工控制的基本原则随着认识的提高和经济的发展，隧道及地下工程的可持续发展对环境的要求越来越高。一方面，难度高、规模大的重要工程项目对环境与自然协调的要求越来越高、对工程研究提出了新的要求；另一方面，环境保护的概念已深入到隧道及地下工程学科。底下工程的施工过程，均可以看作对原有岩土环境的一种作用，会破坏原有岩土的平衡与稳定状态，不同程度地对周围岩土体产生扰动，施工扰动的方式千变万化，而施工扰动影响周围土体工程性质的变化程度也各不相同。主要表现在岩土的应力状态和应力路径的改变、密实度和孔隙比的变化、土体抗剪强度的降低与提高一级土体变形特性的改变等几个方面。扰动的土体进一步对周围构筑物产生影响，引起构筑物产生附加应力，构筑物出现沉降、倾斜、变形增加、开裂、甚至破坏等严重后果。综上所述，地下工程施工时对周围土体不可避免的产生影响，所以在施工过程中应坚持的基本原则为：技术可行、经济合理、对环境影响尽可能小。3微扰动施工控制方法盾构施工引起的扰动包括盾构机正面、盾尾空隙、盾构纠偏及姿态改变以及盾构掘进动作，如盾构推进速度、均匀性等，其中最主要的还是盾构正面压力的波动、不平衡以及盾构尾部空隙充填中的及时性、密实性、均匀性两个大的方面。通过对变形控制的各有关参数的预测、预报工程险情与环境土工危害及其严重程度，确定是否需要在下一步施工步序对各施工参数作出必要的调整，并能定量化各参数调整后的修正值。通过对盾构施工时的进度、施工次序等参数的调整会对工程岩土体产生不同的扰动，通过监测数据的处理和分析，合理地调整施工工艺及参数，减小施工扰动已被工程实践证明是必要的和可行的。盾构施工工艺的改进与参数主要从以下几个方面进行控制调整。(1)掘进工法：施工实践表明，盾构壳体、盾构机迎土面和壁后注浆共同组成了影响沉降的多元系统，应采用与之相适应的区域分控掘进法，即把盾构机周围的三维空间分成几个区域，投影到平面和纵剖面上，通过预测各区域的隆起和沉降，再结合穿越各区域的相对位置，综合选择施工参数，以达到保护所穿越的构筑物的目的。(2)正面土压预测与舱压控制：为了抵消由于盾构施工扰动引起的工后及长期沉降，土压力设定值原则上以盾构开挖面前方土体稍微隆起为宜，因此正常推进过程中，土压力的设定原则是使设定值控制在静止土压力和被动土压力之间，略小于被动土压力，只有这样才能保证盾构的正常推进过程中前方土压力有远离开挖面隆起的趋势。(3)掘进速度控制：土压平衡盾构压力舱内土压力大小与盾构掘进速度以及出土量有关，若掘进速度加快而出土率较小，则土压舱内土压力会增大，结果导致地面隆起，反之引起地面下沉。(4)注浆施工控制：盾构掘进进入跑道范围，管片脱出盾尾后，盾尾同步注浆及管片壁厚的二次注浆成为地铁隧道结构变形和受力的主要影响因素，此时，注浆压力和注浆量的控制是保证施工质量的重要手段。(5)盾构姿态控制：盾构曲线推进或纠偏推进时，实际开挖面是椭圆形，盾构轴线与隧道轴线偏角较大，对土体扰动也越大，盾构姿态对邻近隧道的影响是由于盾构姿态的改变引起了地层缺失。4微扰动施工控制措施上海轨道交通10-12号工程针对各自工程特点及难点，采用了相应的技术措施。下穿虹桥机场飞行区的地下轨道交通10号线采用的技术措施（表4-1）主要有：表4-1上海轨道交通10-12微扰动控制措施10号线11号线12号线盾构机同步注浆设备使用特质管片土压力设定注浆孔设置盾构土舱压力的合理设定推进速度控制盾构出洞地基加固高密度的监测点与监测频率出土量控制预埋注浆管穿越后二次注浆盾构姿态控制出洞段试验推进杜绝盾尾漏浆同步注浆控制改良土体合理设定浆液量及注浆压力微扰动注浆控制同步注浆和二次注浆分阶段控制(1)盾构机同步注浆设备：本工程对同步注浆设备进行了改善，增加了一套德国产SCHWING双出料口注浆系统代替盾构机的同步注浆系统，并增加了一节车架，用于布置注浆搅拌桶、SCHWING注浆泵及配套设施，原注浆系统主要用于应急或补充的壁后注浆。(2)注浆孔设置：将原盾尾的4套注浆管路和8个注浆孔改为8套注浆管路、12个注浆孔，确保盾构施工过程中能有效控制地面沉降。(3)盾构出洞地基加固：在盾构出洞前，采用搅拌桩对端头井的地基进行加固，并在靠槽壁一侧施工一排旋喷桩。(4)预埋注浆管：盾构出洞前，在洞圈四周内衬墙内预埋注浆管，当出洞时出洞止水装置局部区域产生渗漏时，可向预埋注浆管内注聚氨酯或水泥浆封水。(5)出洞段试验推进：将地表沉降监测结果与盾构推进时的切口压力、推进参数、方向及高程控制、注浆量等进行对比分析，总结出其内在联系，确定穿越机场停机坪、跑道时的推进参数。(6)改良土体：通过加泥加水系统向刀盘前压注膨润土浆或者通过盾构机背部增加的注浆孔向外压注膨润土浆等进行土体改良。(7)同步注浆和二次注浆：同步注浆采用的是高比重单液浆，在压注初期就具有较高的屈服值，同时压缩性和泌水性小，可有效控制地面沉降和隧道上浮。二次注浆工作遵循少量多次的原则，专人作业，对浆液的压入位置、压入量、压力值均作了详细记录，并及时根据底层变形监测信息调整施工参数，确保压浆工序的施工质量。(8)分阶段控制：根据其工况特点，将整个盾构穿越主跑道划分为四个施工控制阶段，即试验段、穿越前控制段、穿越段、穿越后控制段。下穿倾斜老旧工房的地下轨道交通11号线采用的技术措施主要有：(1)使用特质管片:在穿越区段使用特制的多注浆孔管片，由通常的一个注浆孔增加至三个注浆孔。(2)盾构土舱压力的合理设定：土压力设定考虑地面车辆动荷载和房屋荷载的影响，并根据实时的地面变化监测数据对预设图压力值进行调整。(3)高密度的监测点与监测频率：在出洞段30m范围内布置了深沉沉降监测点，间距为每2m一组，以便及时了解土层损失情况。在楼房周围共布置23个监测点，监测频率为所有点1次/h，正处于盾构影响范围内的点1次/min。(4)优化浆液配比，合理设定浆液量及注浆压力：穿越期间，同步注浆量均值约为3.2m3，充填率为195%，注浆压力范围为0.16~0.19MPa。(5)穿越后二次注浆：在测点刚脱出盾尾时，测点沉降速度较快，此时补浆1~2次/d。经过几次补浆后，测点沉降速度变缓，补浆改为2~3d施工一次。当测点稳定后，补浆不再进行。(6)杜绝盾尾漏浆：通过严格控制盾构姿态，提高管片拼装质量，使用进口的盾尾油脂，严格掌握盾构的纠偏量等措施杜绝漏浆情况的出现。下穿上海市中心城区的地下轨道交通12号线采用的技术措施主要有：(1)土压力设定：施工范围内存在黏土、粉质黏土和砂土，根据不同的土质类型选择不同的正面水土压力的调整系数。(2)推进速度控制：降低推进速度，严格控制盾构方向、姿态变化、减少纠偏，保证盾构机的平稳穿越。(3)出土量控制：出土量的控制应与掘进速度的控制保持一种动态平衡状态。(4)盾构姿态控制:因盾构进行平面或者高程纠偏时会增加对土体的扰动，因此在穿越期间，在确保盾构正面沉降控制良好的情况下，尽可能减少盾构纠偏量和纠偏次数。(5)同步注浆控制：浆液采用黄砂：粉煤灰：膨润土：石灰：添加剂：水=800:400:50:100:3:340，浆液质量密度1.8g/cm3,坍落度120~160mm，泌水率5%。(6)微扰动注浆控制：为减少施工沿线构筑物沉降，进一步充填盾构施工造成的地层损失，早盾构机后方实施壁后微扰动注浆。5微扰动施工实施效果10号线总体效果良好，在不停航施工的条件下，对机场正常运行及施工未造成不利影响，地表检测结果表明，跑道道面的沉降基本控制在5mm以内，达到了机场管理部门提出的10mm的控制标准。11号线在穿越期间，倾斜楼房沉降变化基本控制在+5~-10mm范围内，沉降变化小于1mm/h，楼房也未出现墙体开裂的情况。12号线地面沉降稳定最终控制在+3.1~-2.29mm范围内，符合地层损失率控制要求。6结语结合上海轨道交通10-12号线工程盾构区间的推进工程，对盾构穿越构筑物微扰动施工控制技术进行研究，不仅对今后类似工况的施工具有非常重要的指导作用，在工程实践中也将创造出巨大的社会效益和经济效益。参考文献[1]王占生,王梦恕.盾构施工对周围建筑物的安全影响及处理措施[J].中国安全科学学报,2002,12(2):45-49.[2]衡朝阳,滕延京.地铁盾构隧道周边建筑物地基基础变形控制研究[J].地下空间与工程学报,2006,2(8):1336-1340.[3]胡新朋,孙谋.盾构隧道穿越既有建筑物施工应对技术[J].现代隧道技术,2006,43(6):60-65.[4]骆建军,张顶立.地铁施工对邻近建筑物安全风险管理[J].岩土力学,2007,28(7):1477-1482.[5]廖少明,杨俊龙.盾构近距离穿越施工的工作面土压力研究[J].岩土力学,2005,26(11):页1727-1730.[6]朱合华,丁文其，乔飞亚.盾构隧道微扰动施工控制技术