盾构穿越建筑物施工技术措施

盾构穿越建筑物施工技术措施【摘要】在城市地下进行盾构隧道掘进施工，有时盾构将不可避免的穿越建构筑物或地下管线，采取何种施工措施控制其变形，是地铁或其他地下工程盾构施工中不可回避的问题。本文针对成都地铁盾构在砂卵石地层穿越不同结构、基础和建设年代建筑物时所采用的技术措施进行了简单描述，希望能够对相同或接近地层的盾构施工起到借鉴作用。关键词：盾构建构筑物加固施工1．前言：地铁工程建设所选择线路主要区段均在城市的主城区，因规划和历史原因，地铁隧道线路或将不可避免的在既有建构筑物或地下重要管线的下方穿过。但受盾构施工机理和地质情况的限制，掘进时将引起地面隆起和沉降。如沉降或隆起超过建构筑物或管线允许的变形控制极限，造成地面建构筑物和管线的变形、开裂，甚至建筑物倒塌，可能带来的纠纷对施工产生不可忽视的影响，不但影响施工进度和施工安全，并且会造成严重的社会不良影响。特别是成都砂卵石地层、含水量丰富且有粉细砂透镜体，在扰动状态下掌子面不稳定，地面沉降量和沉降速率均较大，采取何种施工措施控制建构筑物的变形是盾构施工的难点。2．成都地铁地质情况描述：盾构隧道从2-8、3-4、3-7〉等砂卵石地层中通过。卵石成分主要为灰岩、砂岩、石英岩，卵石的含量达67％，中间夹杂大漂石。砂卵石具有分选性差，强度高的特点（地质情况见图1、图2所示）。隧道通过的地层含水丰富，根据钻孔揭示，隧道区间分布的卵石土及所夹透镜状砂层为地下水主要含水层，含水量丰富，含水层厚20～22.6m，区间范围内卵石土分选性差，渗透性强。图1、基坑开挖时渣土状态图2、刀盘前掌子面土体3．盾构施工中引起沉降的情形分析：（1）、盾构掘削面前的地层变形：盾构推力过大和出土率小而引起的挤压隆起和前移；盾构推力过小和出土率大而引起的塌陷。（2）、盾构通过时引起的地面变形：盾构盾体与土体摩擦引起的隆起和前移；刀盘超挖、盾构蛇形扰动引起的地面沉陷。（3）盾尾脱出后的地层变形：盾尾空隙不能及时填充注浆引起沉陷，因过大的注浆量和注浆压力而引起的隆起。盾尾漏水或隧道衬砌漏水引起地下水下降而发生大范围下降，盾构在软弱粘土地层扰动引起的长期固结沉降。因地层变形，邻近的地面或地下建构筑物的外在条件，支撑状态将会发生变化，建构筑物受到不同程度的影响而发生隆起、沉降、倾斜，甚至结构破坏。影响程度的大小取决于建构筑物与盾构隧道的相互关系（距盾构的位置距离、线型、施工段长度）、建构筑物结构条件、刚度、地层的特性等。4．盾构下穿见构筑物施工的基本技术措施：1）、盾构下穿建构筑物的技术准备工作（1）、在施工前对建构筑物、管线进行充分调查。收集有关资料，包括建构筑物的设计图纸、竣工图进行研究分析，并对建构筑物进行实地调查分析，必要时实施探槽调查的方法。（2）、经过调查后应明确建构筑物的位置、结构形式及尺寸、何种基础、建筑年代、老化程度、使用状态、产权归属、与盾构隧道的距离及相对位置关系等；对地下管线通过调查应明确管线的功能性质、材质、接口形式、管道输送介质、老化程度、埋深以及产权归属、与盾构隧道的距离及相对位置关系等基本情况。（3）、为避免盾构通过后不必要的纠纷，在盾构通过前根据建构筑物的产权情况、重要性、盾构施工对其的影响程度，对部分建构筑物应选择有资格的鉴定单位对建构筑物进行鉴定，在通过后建议对建构筑物重新进行鉴定。（4）、根据地质勘察情况或根据盾构推进过程中的地质变化情况，对建构筑物周边地质进行补充详细勘察，明确地形情况、基础土层结构、各土层土体性质、地下水情况等。（5）、根据调查情况，分析建构筑物或管线的变形和应力允许值。（6）、根据建构筑物、管线以及地质补勘的结果，结合盾构的形式、盾构隧道与建构筑物的距离以及相对位置关系和施工技术能力以及项目的应急能力制订详细周密的施工方案。为保证施工方案的合理性应邀请有关专家对方案进行讨论审查；为确保其可行性和得到贯彻落实，应邀请建构筑物的所有者或管理者、主要施工作业人员参加方案讨论，根据讨论结果修改盾构下穿或旁通穿过建构筑物、管线的施工方案。（7）、与其他地层相比，在砂卵石地层中，刀具普遍磨损严重，初步判断，一盘滚刀能掘进约100～150m。隧道穿越的地层主要为＜2-8＞、＜3-7＞卵石土地层。盾构机连续掘进、出碴量正常地层不会出现问题。但盾构机一旦停机，在恢复推进或开仓清碴刀盘转动时，地层损失控制困难。因此在盾构即将通过建构筑物前应对刀具进行全部更换并对设备进行全面检修，选定同步注浆浆液的配比和凝固时间，以保证盾构机连续、快速通过，且使盾尾空隙得到及时有效的填充。（8）、加强施工过程中建构筑物和土体监测。其中建构筑物监测项目包括沉降监测、倾斜监测和裂缝监测，土体监测项目包括土体变形监测、水位监测等。监测点应提前布置，稳定后在盾构达到一周前开始实施监测工作。在通过建筑物时，专人实行24小时监测，每3～4h监测一次。测量结果及时反馈给控制室。2）、盾构下穿建构筑物时的施工参数选择与控制：为确保建构筑物、管线的安全，在盾构掘进施工时应严格对盾构施工参数监测，包括盾构推力、出土量、注浆填充率、注浆压力、盾构姿态等。盾构下穿建构筑物掘进时，盾构施工参数做如下控制：（1）、推进速度和推力控制盾构掘进速度控制在30～40mm/min，盾构推力控制在1000KN~1200KN。确保盾构连续掘进、快速通过，减小对地层的扰动。推力过大易造成地面隆起，过小则地面沉降加大，盾构掘进速度亦不易太快，以免同步注浆量不足。（2）、严格控制出土量成都地铁建设中，目前主要选用德国海瑞克盾构机，面板式刀盘、刀盘开口率25~28%、刀盘外径6.28m、有轴式两级螺旋出土器；盾构隧道主要采用的管片幅宽（f=1.5m）、砂卵石松散系数为0.8（包含砂卵石间的含水量），计算每环出渣量：V=（D1/2）2π×f×1/0.8=（6.28/2）2π×f×1/0.8=46.438×1/0.8=58m3。通过建筑物期间，派专人监控出土量，每环出碴量控制在５8ｍ３以内（环幅宽按1.5米，含水较少时应控制在55~56ｍ３）。（3）、保证同步注浆饱满度同步注浆的注入率应控制在200%~300%之间，注浆压力2～4bar，最大程度利用同步注浆填充满管片背后的间隙。成都地铁盾构隧道采用幅宽f=1.5m、外径D2=6.0m，钢筋混凝土管片。Q=[（D1/2）2π×f－（D1/2）2π×f]×150%=(46.438－42.39)×200~300%=8~12m3。在同步注浆过程中应严格控制注浆压力，注浆压力过大易引起地面隆起。为保证管片背后间隙的浆液不流失并尽快凝固，根据盾构机的配置情况尽可能选择双液浆，选择单液浆应通过配比调整，尽可能缩短浆液凝固时间、提高结固体强度。（4）、二次注浆在同步注浆的同时进行二次注浆，确保填充效果。注浆管片位置盾尾后3～4环的位置。注浆点位以在拱顶点位注浆为原则。5．盾构下穿不同结构和基础建构筑物的施工措施及其监测：在盾构下穿建构筑物时，可采用以下技术措施：对建构筑物实施加固措施（结构加固和基础托换）；对地基实施加固措施；对盾构实施施工参数控制。成都地铁盾构下穿建构筑物时根据不同结构形式、基础分别采取了相应措施取得了较好的效果。下面对施工措施分别作简要说明：1）、天然地基基础、砌体结构（1）、建筑物情况及其与盾构隧道的关系：红花堰居民小区，该区为城中村，区内建筑物为天然地基，砖砌结构，层数分别为1~4层不等，且多为违章建筑，部分房屋为危房；根据规划该区为拆迁区，多数房屋已废弃并开始拆除。该处盾构隧道顶部与建筑物基础底部距离约5.5~6米，盾构隧道单线下穿、另一线路侧旁通过建筑物，隧道曲率半径为350米，。（2）盾构下穿施工措施：施工单位通过经济效果分析，确定在盾构通过该处房屋时不采取加固措施，以控制盾构掘进参数、控制注浆量和注浆压力并加强建筑物变形监测为主的施工指导思想。该段盾构管片采用幅宽为1.2米、外经为6.0米的混凝土管片，通过该地段建筑物施，施工单位选择的施工参数如下：盾构掘进每环出土量：V=（D1/2）2π×f×1/0.8=（6.28/2）2π×f×1/0.8=46.4m3。现场测量实际出土量控制在45~47m3。每环同步注浆量：采用250%~300%的注入率，Q=[（D1/2）2π×f－（D1/2）2π×f]×（250%~300%）=8~9.7m3。现场注浆量根据地面实时监测数据和注浆压力确定，注浆压力控制在0.4Mp左右。盾构推力：盾构推力控制在1000KN~1200KN。掘进速度：控制在20mm/min~40mm/min。同步注浆时间：随盾构推进注入惰性浆液，在管片脱出盾尾2~3环后立即进行二次注浆，注入双液浆。（3）、建筑物沉降曲线：通过对建筑物所布各沉降监测点监测数据分析，在盾构下穿建筑物时，严格按照施工技术措施实施施工的，各监测点沉降累计值一般在10mm以下，最大不超过15mm。盾构穿越天然基础建筑物沉降点沉降曲线如图3所示。图3、盾构穿越天然基础建筑物沉降点沉降曲线（4）、采取该施工措施必须严格控制注浆压力和注浆量以及注浆时间。在通过该区域时因注浆压力过高，引起地面隆起使一栋废弃单层建筑严重开裂；因同步注浆量偏小，二次注浆不及时造成地面沉降量过大，使一栋废弃二层砌筑结构建筑倒塌。2）、钢筋混凝土条形地基、砖混结构（1）建筑物情况及其与盾构隧道的关系：成都公交公司宿舍为5层砖混结构、成都铁路分局宿舍为7层砖混结构，建于上世纪八九十年代，基础均为钢筋混凝土条形基础。两处居民小区的建筑物建筑物基础底部与盾构隧道顶部距离约10.5~12米，盾构隧道单线下穿、另一线路侧旁通过建筑物，隧道最小曲率半径为400米。（2）通过该地段建筑物，施工单位亦选择对盾构实施施工参数控制的施工措施，施工参数的选择同天然地基砌体结构的施工参数。（3）建筑物沉降曲线：通过对建筑物所布各沉降监测点监测数据分析，在盾构下穿建筑物时，严格按照施工技术措施实施施工的，各监测点沉降累计值一般在15mm以下。盾构穿越钢筋混凝土条形地基、砖混结构沉降点沉降曲线如图4所示。图4、公交宿舍楼沉降监测点沉降曲线3）、素混凝土条形地基、砖混结构(1）建筑物情况及其与盾构隧道的位置关系四川经委及安监局办公楼（该建筑为两单位共用）为苏式建筑，建于50年代，由于年代久远，图纸文件难以查找，通过对建筑物实物调查，楼层结构为四层砖混结构，基础类型，经人工开挖探明，为条型素混凝土基础，基础厚0.4m，宽1.3m，埋深1.3m。盾构隧道与建筑物关系如图5、图6所示：图5、隧道关系及基础加固平面图图6、隧道关系及基础加固剖面图（2）盾构下穿施工措施为保证盾构安全通过四川经委及安检局办公楼，施工单位首先对该建筑物进行了鉴定，确定以控制盾构掘进施工参数结合地面跟踪压密注浆的技术措施。提前在建筑物基础附近钻好注浆孔。共钻孔22个（包括左线在墙体北侧后补3孔），其中右线16孔、左线6孔（包括左线在墙体北侧后补3孔），注浆孔采用孔径为φ100mm的袖阀管、深11.5m~12m。右线注浆孔间距3~4m，孔位都离开墙体一定间距并在1.5m以内，以避免伤及基础并保证注浆效果（注浆孔布置如图5所示）。在建筑物上按照规范的要求的方法结合建筑物的实际情况共布设沉降监测点、变形监测点和裂缝监测点40余个，采取施工单位监测和第三方监测同步监测和间隔监测的方式，监测频率2~3h/次。盾构隧道右线于2007年4月19日开始下穿22日通过，盾构隧道左线于2007年8月20日至23日通过四川经委及安全监察局办公楼。在盾构掘进过程中，严格控制盾构施工参数。为保证盾构连续快速通过该建筑物，盾构施工参数选择常态掘进时的施工参数：每环出渣量控制在58m3（环幅宽1.5m）；同步注浆量（注入率150%）不少于6m3；盾构推力控制在1000KN~1200KN范围内；盾构掘进速度控制在20mm~40mm/min。盾构盾尾通过地面预先施工的注浆孔后，立即注水泥浆进行压密注浆加固，参照监测数据确定注浆量、注浆压力。注浆压力一般控制在0.3～0.4MP，注浆量为12～15L/min。