深圳市市政工程质量安全监督总站 广东.深圳 518000
摘要：以深圳某地铁盾构隧道为例，着重介绍了盾构下穿浅基础建筑物的地质条件及施工准备、施工过程控制、施工监测等技术措施，对盾构在软弱土层下穿浅基础建筑物的风险进行了分析和评估，通过这些技术控制措施，保证了建筑物的安全，给类似工程施工提供了宝贵的经验。
关键词：地铁；盾构；软弱土层；下穿；浅基础；建筑物
1、工程地质概况
1.1工程地理位置及线路走向
深圳地铁6号线6102标项目处于光明新区公明镇，由两站三区间组成。而采用盾构法施工的区间是：南庄站~公明广场站，区间盾构隧道起始于南庄站大里程，终止盾构吊出井（位于公明广场），区间隧道为两条并行的单线隧道。
本工程两条隧道从南庄站西端头始发，沿红花山公园向西延伸，下穿红花山公园、园丁楼、振明路、深圳光明水务公明分公司，侧穿农村商业银行，再下穿金辉路，侧穿深圳洪仁门诊后，止于盾构吊出井(位于公明广场)。见下图盾构区间平面示意图1-1。
1.2工程范围
南～公区间隧道为南庄站(地下站)至公明广场站(地下站)区间段，整个区间均为地下区间隧道，由盾构段和明挖段组成。南庄站~公明广场站盾构区间起讫里程：ZDK44+343.900~ZDK45+325.619（其中，ZDK45+032.400=ZDK45+020.000，长链12.400m），全长994.119m；右线ZDK44+343.900~YDK45+329.207（其中，YDK45+044.547=YDK45+030.000 长链14.547m），全长999.854m。断面直径6m，埋深8.05～30.22m。
1.3 地质概况
由详勘地质钻孔可知，该处土层从上之下依次为<1-1>素填土、<3-3>中、粗砂、<5-2>砾（砂）质粘性土、<9-1>全风化混合花岗岩、<9-2-1>强风化混合花岗岩（土状）、<9-2-2>强风化混合花岗岩（半岩半土状）、<9-3>中等风化混合花岗岩、<9-4>微风化混合花岗岩，区间各土层物理力学指标见表1－1。
区间隧道范围内主要有<3-3>粗砂层、<3-4>砾砂层、<5-2>硬塑状砾（砂）质粘性土、<9-1>全风化混合花岗岩层、<9-2-1>强风化混合花岗岩（土状）、<9-2-2>强风化混合花岗岩（块状）、<9-3>中等风化混合花岗岩(局部)。
1.4 区间隧道沿线房屋情况
为了确保后续工序正常开展及对区间所在周边环境的影响降至最低，根据本市与地铁公司的相关要求，对南庄站~公明广场站隧道影响范围内的建（构）筑物进行调查统计，在沿线盾构施工影响范围内，影响建筑有8栋，主要的建（构）筑物有园丁楼、深圳光明水务公明分公司、公明工商行政管理所、农村商业银行、深圳洪仁门诊，在施工中易引起地层扰动导致房屋不均匀沉降而产生倾斜、开裂和倒塌，施工风险极大。盾构正下穿房屋有2栋，距离2m的建筑有2栋，其他建筑物相距较远。
二、盾构穿越房屋施工风险分析及评估
由于本工程区间隧道穿越及临近房屋有8栋，其中下穿有1栋房屋，分别是园丁楼和深圳光明水务公明分公司，以及3处厕所间。根据设计提供资料园丁楼拟拆除。楼房结构、基础等都较差，为独立扩大基础，基础埋深约2米，给盾构施工带来了一定困难。
本工程在沿线盾构施工影响范围内，影响建筑共有8栋,盾构下穿建筑物及管线地层扰动控制不当易导致房屋沉降，严重导致房屋开裂管线沉降。房屋基础为独立基础和较浅的独立基础，对地基沉降、失水敏感，盾构穿越过程中易出现房屋沉降、倾斜、开裂的等风险。
三、盾构施工对房屋的影响分析
3.1、施工影响范围计算
采用经验公式对盾构隧道施工影响范围及地表沉降分布规律进行预测，进而确定盾构施工对周边环境的影响范围。
目前，工程实践中实用的经验公式是Peck公式（Peck，1969）和一系列修正的Peck公式。Peck假定施工引起的地面沉降是在不排水的情况下发生的，所以沉降槽体积等于地层损失的体积。地层损失在隧道长度上是均匀分布的。地面沉降的横向分布类似正态分布曲线，如图3－1所示。
Peck公式为：
根据经验，地面横向沉陷槽宽度W/2≈2.5i。
根据Peck公式估算得：地表沉陷槽宽度最大约为25.0m ~38.0m，从两侧向中间均匀沉降。
3.2地表隆陷变化规律
根据盾构施工特点，地表变形的变化发展过程可以分为五个阶段：
盾构到达前：地表的变形取决于掘进过程中土仓压力和出土量的控制，当土仓压力较大而出土量较少时，地表呈隆起状态；当设定土仓压力小而出土量大时，地表呈沉降状态。
盾构到达时：地表变形承接阶段的发展。但变化速率增大。是地表隆陷的峰值段。
盾构通过时：一般情况地表会呈沉降变化；若注浆及时、充填率饱满，能够有效控制地面沉降。
盾尾通过时：最易发生突沉，突沉量可达30mm，若注浆及时饱满，可控制突沉，甚至上隆，但随着浆液的固结收缩而逐渐下沉。
盾尾通过后：地表沉降速率逐渐减缓，沉降曲线趋于稳定。后期沉降主要是土体的固结沉降和次固结沉降，一般沉降时间较长，但沉降量也相对较小。
3.3盾构掘进引起的地表沉降因素
（1）盾构掘进引起的地表沉降的因素有以下几个方面：
①开挖面土压不平衡引起的土体损失；
②盾构蛇行纠偏引起的土体损失；
③盾尾与衬砌环之间的空间未能及时充填引起的土体损失；
④注浆材料固结收缩；
⑤隧道渗漏水造成土体的排水固结；
⑥衬砌环变形和隧道纵向沉降；
⑦土体扰动后重新固结；
⑧本区间存在砂层及上软下硬地层，在掘进过程中易产生沉降。
四、盾构穿越房屋施工
4.1穿越工期筹划
根据地铁公司相关进度要求，本着均衡施工的原则，左线盾构穿越建筑物时间暂定于2016年7月至9月期间；右线盾构穿越建筑物时间是8月至10月期间。
穿越房屋期间，为了更好的控制地面及房屋沉降变形，盾构将保持均衡、连续性的推进施工，减少因盾构停顿造成的地面沉降，日均可推进5～6环。
4.2盾构穿越房屋施工控制措施
4.2.1施工前准备
施工前对沿线盾构施工影响范围内的房屋进行全面的调查，收集相关资料，如其所处里程、地面位置、类型、结构等详细参数的清单。并提请业主作房屋鉴定。根据鉴定结果，若有必要的需提前采取相应措施，以保证盾构施工的顺利进行,特别对深圳光明水务公明分公司应前期进行适当加固，在房屋四周进行注浆保护地层稳定性，由于深圳光明水务公明分公司为浅基础埋深2m，基础到隧道中部为砂层，可提前向四周均匀的注浆，保护地层稳定性，从而控制房屋的沉降等。预注浆采用袖阀管注浆，袖阀管沿房屋环向布置两排直径50mm，间距1m。袖阀管斜向打入，与地面夹角为30°及35°，袖阀管斜长度不小于8.5m，保证袖阀管深入基础下水平距离不小于5m，袖阀管平面布置及剖面图见图5-1及图5-2；袖阀管套壳料配合比为水泥：彭润土：水=1：1.5：2； 注浆材料(水泥水玻璃双浆液)：水泥水玻璃1：1；注浆压力：不大于0.7Mpa；每次双塞管提升高度：30~50cm；预注浆期间注意观察路面及管线，若出现地面及管线隆起现象，应立即停止注浆。
在盾构掘进前必须对房屋进行鉴定，为保护房屋业主的权益和自身安全。在得出房屋鉴定结论后，方可进行穿越。
4.2.2施工过程控制
盾构穿越深圳光明水务公明分公司，公用厕所等8个建（构)筑物时，地面难免沉降，若控制不好，出现异常情况，从而影响楼房安全,为确保盾构顺利穿越这些有影响的建筑物,结合前期的施工经验，盾构穿越时，需采取以下措施:
（1）穿越前的实验段推进
在盾构穿越建筑物之前的施工过程中，设置合理长度的试推进段。在试推进段中，分别设定不同的施工参数，模拟穿越构建筑物的工况条件，查看在各种参数控制下盾构机推进的影响，从而总结出盾构穿越时的最佳施工参数，特别是盾构推进的同步注浆以及二次注浆的参数。
在总结施工参数和盾构穿越施工方法后，再正式穿越地面构建筑物，以此确保盾构顺利穿越构建筑物，并将影响降到最低。
（2）技术交底及设备保障
盾构在穿越深圳光明水务公明分公司等建筑物前，对全体施工人员进行详细交底。操作人员要严格按照交底的施工参数进行操作，不得随意更改。
对盾构、电瓶车、行车等盾构施工设备进行全面的保养维修，确保盾构机在穿越建筑物时的正常运转，同时配备足够的保修人员，以避免盾构机在穿越建筑物过程中因故障导致长时间的停留。
（3）严格控制盾构正面平衡压力
盾构在穿越建筑物的过程中，必须严格控制切口平衡土压力，使得盾构切口处的地层尽可能有1mm微小的隆起量来平衡盾构背土时的地层沉降量。同时也必须严格控制与切口平衡压力有关的施工参数，如出土量、推进速度、总推力、实际土压力围绕设定土压力波动的差值等。防止超挖，尽量减少平衡压力的波动。
根据土压力计算公式:
正面平衡压力：P＝k0γh
P：平衡压力（包括地下水）
γ：土体的平均重度(γ＝17.7~19.3KN/m3)
h：隧道埋深（m,取隧道中心埋深）
k0：土的侧向静止平衡压力系数(k0＝0.33~0.53)
土压力计算参照以上公式计算得出,适当考虑地面建筑荷载，并根据地面监测情况,作适量微调。
（4）严格控制盾构的推进速度
施工时，推进速度不宜过快，尽量做到均衡施工，减少对周围土体的扰动，避免在途中有较长时间耽搁。如果推得过快则刀盘开口断面对地层的挤压作用相对明显，地层应力来不及释放，所以正常推进时速度应控制在2～3cm/min。并且应控制盾构推进速度与出土量相匹配。
（5）严格控制盾构纠偏量
在确保盾构正面沉降控制良好的情况下，使盾构均衡匀速施工，盾构姿态变化不可过大、过频。每环检查管片的超前量，隧道轴线和折角变化不能超过0.2％。推进时不急纠、不猛纠，多注意观察管片与盾壳的间隙，相对区域油压的变化量随出土箱数和千斤顶行程逐渐变化。采用稳坡法、缓坡法推进，以减少盾构施工对地面的影响。减少每环的纠偏量，从而减小建筑孔隙。提前纠偏过程中必须保持良好的盾构姿态。
（6）严格控制同步注浆量和浆液质量
严格控制同步注浆量和浆液质量，确保每环注浆总量到位，确保盾构推进每一箱土的过程中，浆液均匀合理地压注，确保浆液的配比符合质量标准。通过同步注浆及时充填建筑空隙，减少施工过程中的土体变形。
严格控制同步注浆量和浆液质量，确保每环注浆总量到位，确保盾构推进每一箱土的过程中，浆液均匀合理地压注。每环的压浆量为6.1～8.1m3，为理论建筑空隙的150％～200％左右，泵送出口处的压力应控制在0.3～0.4Mpa左右。
同步注浆采用的浆液材料主要有粉煤灰、水泥、砂和膨润土等。本工程浆液配比初步定为以下配比，在施工工程中，根据实际情况可做微调。
浆液主要性能指标：
初凝时间：一般为5～7h，
浆液结石率：>96%，即固结收缩率<4%。
浆液稠度：10～12cm
浆液稳定性：倾析率（静置沉淀后上浮水体积与总体积之比）小于5%。
压浆属一道重要工序，专门成立注浆班对压入位置、压入量、压力值作详细记录，并根据地层变形监测信息及时调整，在确保压浆工序施工质量的前提下，方可进行下一环的推进施工。
（7）二次补压浆
当盾构穿越过后，隧道影响的建构筑物会有不同程度的后期沉降。因此必须准备足量的二次补压浆材料以及设备，根据后期沉降观测结果，及时进行二次补压浆，以便能有效控制后期沉降，确保地面建筑物的安全。
推进过程中，根据地面监测情况，根据后期沉降观测结果，项目部拟在盾尾后8环处及时进行二次补压浆，以便能有效控制后期沉降。
二次注浆主要采用单液浆，水灰比0.4～0.6，注浆压力为0.3～0.4Mpa。
（8）加强监测
在盾构到达建筑前30环，尤其是两个下穿的建筑，深圳光明水务公明分公司和公用厕所，开始对建筑物进行监测观察，根据监测情况，有必要的话，可把监测频率增加至4次/天，必要时可全天监测。并保持监测人员和项目部技术部门间的信息畅通，随时可以知道地面变形情况。
同时，项目部派专人对地面、房屋进行巡视，观察是否出现开裂等异常现象。若有情况，立即向项目部汇报。待盾构穿越后，变形趋于稳定时，逐渐减少监测次数，并恢复正常监测，待地面变形稳定后方可停止监测。
（8）在侧穿和下穿前对整条线路进行预计开仓换刀点，初步预计换刀点在1号联络通道处，因为联络通道从地面进行旋喷桩加固（详见联络通道及端头加固专项施工方案），进行刀具更换，使刀具更加正常掘进，安全下穿及侧穿越房屋。
（9）动态信息传递
每一次测量成果都及时汇总给施工技术部门，以便于施工技术人员及时了解施工现状和相应区域管路变形情况，确定新的施工参数和注浆量等信息和指令，并传递给盾构推进面，使推进施工面及时作相应调整，最后通过监测确定效果，从而反复循环、验证、完善，确保隧道施工质量。
（10）突发事件控制及对策
盾构穿越建构筑物时，由于地面环境非常复杂，一旦发生异常情况，将产生很大的影响。对于有可能发生的一些突发性事件，如构、建筑物结构产生超沉等，可采取以下几点对策措施：
①. 提前对施工人员进行交底，做到精心施工，同时加强值班管理、工程监测。
② 配备足够的机动设备，一旦发生意外情况，在第一时间投入工作。
③ 组织专门人员进行24小时现场监控。
④ 在推进前，一定要对盾构进行足够的调试，确保盾构性能的可靠性。同时，配备足够的值班维修人员，及时处理盾构设备的故障，确保盾构推进顺利进行。
⑤ 施工中，若地面变形值达到警戒值，除了采取二次注浆的手段外，还可通过采取在地面跟踪注浆的手段来保护构建筑物。
4.2.3穿越房屋的监测技术
(1)监测点布置
地面建筑物监测主要包括沉降、倾斜、裂缝监测。按设计要求及监测规范进行监测点的布置，对盾构穿越的房屋，加密监测点及监测频率。
(2)监测方法
a建筑物的沉降监测
在盾构隧道穿越的建筑物上布设建筑物沉降测点，建筑物沉降测点采用冲击钻在建筑物上打设钻孔，并安设L型钢筋或膨胀螺栓作为沉降测点，采用WILD NA2002水准仪及铟钢尺进行水准测量、跟踪测量的方法。
测点间距在5～10米，布置于建筑物角及柱上，实际的布置示意图可参见图4－1，重点的布设原则是控制建筑物的不均匀沉降的发生。
b建筑的倾斜监测
建筑物的倾斜量一般通过建筑物的差异沉降来计算，即建筑物同一条边上的两个沉降测点的差异沉降量除以这两个沉降测点之间的距离便是该建筑物在这一条边方向上的倾斜量。对于高层建筑物的倾斜，可通过投影法观测，即在建筑物的墙角建立平面坐标系，角点为坐标原点，在Y轴上某一点架设仪器可以测量目标超X方向上的倾斜：在Y方向上架设仪器，瞄准目标上的特征点，垂直投影至地面，投影点至墙角有一距离D，每次测得D除以特征点至地面的高度即为目标的倾斜量。同理，在X轴上某一点架设仪器可以测量目标朝Y方向上的倾斜量。见图4－4所示。
c裂缝监测
在施工前或施工时，需项目部协同监理、街道相关等单位一同对隧道沿线影响范围内房屋进行巡视、观察，若发现先天裂缝或新裂缝，应采取贴石膏饼的方法观测裂缝的后期变化，必要时拍照存档。
(3)监测精度
本工程按二等监测精度要求进行。
测量仪器定期进行检校，每次工作前检查标尺水泡，仪器气泡，水准仪i角不得大于15″，测站高差观测中误差不大于0.2 mm。
测站的设置视线长度不大于30m，任意一测站上的视距累计不大于3.0m。
(4)监测频率及报警值
监测频率：
一般情况下掘进面前后<30米时1～2次/天；掘进面前后<50米时1次/2天；掘进面前后>50米时1次/1周；盾构穿越的建筑物4次/天，必要时全天监测。
盾构穿越过后，根据监测情况，当沉降稳定后，方可减少监测频率，逐步减少为2次/天、1次/天。
为更好的掌握地表及房屋的沉降变形情况，在盾构穿越建筑物区段，可加密地面监测断面的布设。
报警值：
根据相关规范和设计要求，隆沉控制报警值：
地面累计报警值:10mm～－30mm；单次隆沉报警值:3mm；
房屋沉降报警值：10mm～－20mm；单次隆沉报警值:3mm；
房屋倾斜报警值：建筑物沉降警戒值为δ/ h＜2/1000 （δ为差异沉降值h为建筑物长度）；
当监测点达到报警值时，立即报警，分析出原因立即采相对应措施。
(5)监测资料提交
测点布置完成后提交监测点平面点布置图。
监测资料每次以报表的形式提交，每次报表包括测点本次变化量、累计变化量、施工工况及施工现场地面状况描述。
五、控制效果
下穿及侧穿多栋浅基础房屋是本工程的主要风险点之一。通过上述控制措施，在盾构施工前先在下穿及侧穿房屋周围布设斜打袖阀管，在盾构掘进前先进行预注浆，掘进过程中根据监测数据进行跟踪注浆并调整掘进参数方法控制房屋沉降，至洞通房屋沉降最大累计值小于3mm，控制效果满意。
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论文作者:周武
论文发表刊物:《基层建设》2017年第7期
论文发表时间:2017/7/14
标签：盾构论文; 建筑物论文; 房屋论文; 隧道论文; 地面论文; 浆液论文; 注浆论文; 《基层建设》2017年第7期论文;