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摘要：针对泥水盾构临近建筑物施工掘削面稳定管理这一难题，泥水质量及环流管理、掘进参数控制及信息化管理至关重要，以深港隧道穿越金仓利大楼为背景，详细阐述泥膜的作用原理、泥浆指标控制参数设置及环流管理，对掘进参数进行控制，采取信息化施工等一系列措施，顺利通过高风险地段，对同类型地层盾构施工具有一定的指导意义。
关键词：泥水盾构；临近建筑物；掘削面稳定；施工；管理
0、引言
随着城市轨道交通的快速发展，泥水盾构以其对地层的扰动小沉降小，适用土质范围宽，适于高地下水压、大直径化、高速化施工的优点，得到了广泛的应用[1]。由于城市地下隧道施工多在市区，周围建筑物较多，给施工带来一定难度的同时，也影响临近建筑物的安全和正常使用[2]。盾构施工对建筑物的破坏主要是变形破坏，变形破坏程度直接决定建筑物的安全状况。盾构施工诱发临近建筑物变形受到施工参数、地质条件、建筑物自身特点等多个方面因素的影响[3]，加强施工管理，确保掘削面稳定，是盾构施工过程控制的重中之重。掘削面稳定管理以泥水压管理、泥水质量管理和判断掘削面稳定状态的掘削土量管理三项为重点，并参考表征掘削面稳定状态的地层变形测量数据、掘削面坍塌探查等施工管理数据，综合判断稳定状况[4]。
图1-2 盾构隧道与金仓利大楼基坑纵断面位置图
引发结构物变形影响因素，国内外学者进行了大量的研究和探索，总体可以分为隧道相关因素、岩土层物理性能因素、盾构施工因素、建筑物因素4类[5-8]。本文以深港隧道穿越金仓利大楼为背景，对盾构施工影响因素泥浆质量、泥水压管理进行详细阐述，并对掘进参数指标控制、信息化施工等措施予以说明，以期对同类型地层泥水盾构施工具有指导意义。
1、工程概况
1.1金仓利大楼概况
金仓利大楼位于深港盾构隧道西侧，长约60m，大楼基坑深约8m，对应右线里程YDK115+467.3～YDK115+527.3，基坑距右线隧道边线间距3～5m，最小处仅1.4m。
金仓利物流写字楼为地面6～7层砼结构，层高5.5m，地下一层为停车场。地下室基础采用PHC管桩，基坑围护结构为φ800mm挖孔桩，挖孔桩外为φ600mm旋喷止水帷幕。基坑侧壁打设有两排锚索，与水平方向分别呈30°、25°夹角，长度为28m、22m，距隧道拱顶高15.2m、17.7m（盾构隧道埋深33.5m）。
盾构隧道与金仓利大楼基坑的位置平、纵面位置如图1-1、图1-2所示。
1.2 地质情况
隧道上部覆土依次为（1-2）人工填土、（2-2-1）淤泥、（2-2-2）淤泥质土、（2-7）砾砂、（8-2）强风化花岗岩，各覆土层厚及岩质情况如图1-3所示。
图1-3 金仓利基坑处地质柱状图
2、泥水质量管理
2.1泥膜形成过程及生成条件
在泥水与掘削地层接触时，由于作用在掘削面上的泥水压大于掘削地层的地下水压，矿泥水中的细粒成分及水通过地层间隙流入掘削地层。随着时间推移，地层间隙被细粒成分填充的越来越充分，地层的渗水系数越来越小，滤水量越来越小，过剩地下水压的增加速度越来越小，最后过剩地下水压稳定在某一数值，即完全被填充。另外，由于泥水中的粘土颗粒带负电荷，而地层土颗粒带正电荷，故泥水中的粘土颗粒吸附聚集在掘削面的表面，形成泥膜。显而易见形成泥膜的因素有二，前者为渗透填充因素，后者是吸附聚集因素。
泥膜的形成既与泥水质量有关，也与土层性质有关。泥水质量包括泥水最大粒径、泥水配比、泥水浓度、泥水压力等，而土层性质包括土体类型、土体颗粒直径和土体渗透性、黏聚性等。所以，泥膜的形成是泥水质量与土层性质相互作用的结果[9]。
2.2 泥浆的物理化学指标
高质量泥膜是维持大直径盾构掘削面稳定的关键因素，泥膜形成的核心是泥浆质量的合格。泥浆性质及配比与地质条件相适应，泥水压力的设定必须建立在泥浆配比合理的基础上，确保泥浆质量是掘削面稳定极其重要的一环。泥浆不仅肩负着维护掘削面稳定的重责，还担任着携带渣土的重要作用，泥浆参数的选择与控制对泥水盾构的正常安全施工具有重要的意义。需根据不同的地质情况，确定泥浆的各项物理化学指标。
(1)比重
泥水的比重是一个主要控制指标。掘进中泥水比重不易过高或过低，前者将影响泥水的输送能力，后者将破坏掘削面的稳定。
泥水比重的范围应在1.01～1.2 g/cm3。下限为1.01 g/cm3，在土体自立性较好或粘土层中掘进可适当下调。上限根据施工的特殊要求而定，在砂性土中施工、保护地面建筑物、盾构穿越浅覆层等，可达1.2 g/cm3。
(2)粘度
从土颗粒的悬浮性要求来讲，要求泥水的粘度越高越好，考虑到泥水处理系统的自造浆能力，随着推进环数增加，泥浆越来越浓，比重也呈直线上升，而比重的增加并非说明泥浆的质量越来越高，若在砂性土中施工，粘度甚至会下降，因此，掘进过程中泥水粘度的范围应保持在30～40s。
考虑到粘度的调整有一个过程，故在泥浆粘度为40s时，即可逐渐增加CMC，添加量的多少视粘度下降的趋势而定。
(3)含砂量
泥水处理的目的是保留全部粘土颗粒，去除45μm以上的砂颗粒，并且45μm以下的砂粒也必须控制在一定的范围内，工作泥浆中的含砂量控制，在泥水处理中同样是一个重要指标。
(4)析水量和PH值
析水量和PH值是泥水管理中的一项综合指标，它们在更大程度上与泥水的粘度有关，悬浮性好的泥浆就意味着析水量小，反之就大。
泥水的析水量须小于5%，PH值须呈碱性，降低含砂量、提高泥浆的粘度、在调整槽中添加石碱，是保证析水量合格的主要手段。
2.3泥浆指标控制
借鉴施工区域成功施工案例，通过室内泥浆的特性试验及微观分析，结合工程现场试验和检测数据分析，确定泥浆控制指标如下。
2.3.1 掘进时泥浆指标的控制
在盾构推进时膨润土泥浆可以对掘削面施加稳定作用的压力，借助掘削面形成泥膜，防止泥浆流入土层，保持泥水仓泥浆压力，防止掘削面坍塌。
盾构掘进前，在泥浆罐中制作足量施工所需的优质泥浆，盾构掘进过程中，加强泥浆质量控制，对泥浆密度、粘性、含砂量进行检测，保证泥浆的最佳护壁性能和携带渣土能力。在复合地层中掘进时，由于工作泥浆不断地被劣化，需要不断调整泥水的各项参数，添加膨润土、CMC；在硬岩中掘进时，由于颗粒性石碴不断增加，使排放的泥浆浓度越来越高，添加清水进行稀释则成为主要手段。
在盾构推进时泥浆的各项指标控制如下：
2.4泥浆输送系统控制模式
泥浆输送系统有3种控制模式，泥水输送系统控制见《图2-1 泥水输送系统的控制示意图》。
(1)自动状态: 该模式状态下，当系统输入开挖模式参数和旁通模式时的气垫室泥浆液面高度参数和排渣流量的设定值后，操作手不需对任何部件进行直接控制（停机模式下除外），泥水输送系统可自动进行控制。
(2)半自动状态: 该模式状态下，操作手可以操纵泵的转速和某些电动阀。事实上半自动操作是一种具有主动安全性的手动水平。
(3)手动状态: 该模式状态下，所有的命令都是通过手动进行操作，操作手控制泵的流量和阀的开度、气垫室泥浆液面高度等。
压缩空气调节器的气压回路总是处于自动的和服务的状态。软件配有内置的监视装置和按钮和参数指示一览表。数值计算通过监控器与PLC计算机之间的通讯在屏幕上进行(参数是泵马达的工作强度，压力，流量等)。 安装有报警装置，并且可以按照用户的要求进行编程设定声音报警或灯光闪烁报警或停机。
2.5环流管理
环流管理的目的是通过控制泥浆在管道内的流量，使泥浆保持良好的流动状态，避免造成管道堵塞，同时降低管道磨损量。
影响浆体管道临界流速的因素很多,包括固体颗粒的粒径、密度、形状和粒度级配以及浆体浓度、输送管径、外界温度等因素。但主要因素是固体物料密度、浆体浓度、输送管径以及颗粒组成。
进排浆流量的设定（排浆临界沉淀流速控制）略大于临界沉淀流速，流量过大管道磨损加剧。流入管路内泥水的流动式样因粒径、比重、流速而异。若粒径、比重一旦变大，则在水平管内，由于重力不同而产生管内上下部浓度差，形成不均质流动。若流速小，则会产生颗粒沉淀。若高速运转，则粒子会因跃动而成为混流，接近均质流动，实际操作中使用杜朗德的临界沉淀流速公式进行浆液流量控制。
杜朗德的临界沉淀流速公式：VL=FL*√（2gD*(Gs-r)/r
式中：
VL—临界沉淀流速(m/s2)
FL—粒子浓度和粒径的常数取1.37
g—重力加速度=9.8(m/s2)
D—管路直径(m)
Gs—固体比重
γ—泥水密度(kg/m3)(进浆)
排泥水时使用流速VZ
VZ=1.2～1.25VL。
在通过复合地层时，控制进排浆流量1800～2000/1900～2100m3/h，进排浆比重1.03～1.07/1.10～1.26g/cm3。
3、掘进参数控制
3.1切口水压设定
根据勘察的地质资料，针对不同的工程地质和地下水位条件进行计算，并根据计算数据在掘进过程中设定切口水压。
切口水压上限值：P上=P1+P2+P3=λw?h+KO[(λ-λw)h+λ(H-h)]+20
P1:地下水压力（kPa）；
P2:静止土压力（kPa）；
P3：变动土压力，一般取20kPa；
λw:水的溶重（kg/m3）；
h:地下水位的隧道埋深（算至隧道中心）（m）；
KO:静止土压力系数，本次施工取0.85；
λ：土的溶重（kg/m3）
H：隧道埋深（h）
切口水压下限值：P下= P1+P2+P3
=λwh+Ka[(λ-λw)h+λ(H-h)]-2Cu?Ka+20
P2:主动土压力（kPa）；
Ka：主动土压力系数，取0.45；
Cu:土的凝聚力（kPa）。
在旁通过程中，由于盾构机内的排泥管处于堵塞状态，故旁通时应提高排泥流量，但不能降低切口水压。掘进、旁通状态切换时的切口水压偏差值控制应为-20～20kPa。
3.2 掘进速度
盾构启动时，开始推进和结束推进时速度不宜过快。每环掘进开始时，应逐步提高掘进速度，防止启动速度过大。掘进过程中，掘进速度应尽量保持恒定，减少波动，以保证切口水压稳定和送、排泥管的畅通。推进速度的快慢必须满足每环掘进注浆量的要求，保证同步注浆系统始终处于良好工作状态。正常掘进条件下，掘进速度应该设定在8～15mm/min;如土层抗压强度过大，可适当降低掘进速度。但是若掘进速度突然升高或降低，并且数值波动过大，则应查明原因，排除故障后方可继续推进。
3.3掘削量的控制
实际掘削量W,可根据下式计算得到：
W=rs[Q1(ρ1-1)-Q0(ρ0-1)]×t/(rs-1)
W,实际掘削量（kN/ring）；
rs:土的比重；
Q1：排泥流量（m3/min）；
t:掘削时间（min）；
Q0:送泥流量（m3/min）；
ρ1:排泥密度（kN/m3）；
ρ0：送泥密度（kN/m3）。
当发现掘削量过大时，应立即检查泥水密度、粘度和切口水压。在查明原因后应及时调整有关参数，确保开挖面稳定。
3.4注浆量
同步注浆量的设定和调整以地面监测报表为依据，根据其沉降隆起变化情况，适当增减注浆量。同步注浆压力控制在0.8MPa左右，每环的注浆量控制在30～35m3 (为建筑空隙的200％～220％)。在穿越既有建筑物和管线期间，当衬砌脱出盾尾时结合双液浆进行二次补注浆，每隔3～5环在隧道周围形成一道“环箍”，使隧道纵向形成间断的止水隔离带。再对“环箍”分隔所形成的每一段进行补注浆，之后结合监测的具体沉降情况，每隔5～7环再进行适当补注浆。注浆的浆液要有一定的黏度，凝固要快，收缩要小，对土体的加固作用明显。双液浆采取的配合比为：m(水)：m(水泥)：m(水玻璃)：O.5：1.O：0.03。
4、其他辅助措施
4.1信息化施工
跟踪监测可以及时了解既有建筑物和管线沉降变化情况，对盾构施工进行实时监控，一旦出现较大变化可以及时反馈信息；以盾构控制室为中心，通过VMT导向系统、视频监控系统及IRIS系统，及时掌握施工参数与既有建筑物和管线沉降数据的变化，接收监测数据并迅速进行分析，调整施工参数，完成对沉降量的控制，通过勤测勤纠，确保顺利穿越。
4.2应急保护措施
为防止盾构穿越既有建筑物和管线过程中，由于土体沉降变化过大而可能引起的地面沉降超标，在穿越建筑物和管线前，预先采用地表注浆的方式对建筑物和管线两侧进行注浆加固处理。对于既有建筑物，可采用三管高压旋喷桩结合袖阀管压密注浆加固的方式，对隧道拱顶6m以上的土体预先进行加固，使建筑物下方土体具有足够的气密性和自稳性；对于管线，可采用袖阀管压密注浆的方式，对管道下方6m以上的土体进行加固，对直径较大的主干管道和燃气管道，可采用开挖悬吊的措施，将管道暴露出来，并采用钢板桩预先隔离，再将管道进行悬吊固定的措施，避免盾构在掘进过程中对管线造成较大影响。
4.3专项监测措施
为控制既有建筑物和管线沉降变形在允许范同内，在盾构穿越过程中必须加强对既有建筑物和管线周围地表沉降的监测，通过监测的数据指导施工参数的优化。
(1)监测观测点布置：在监测区域内，根据既有建筑物和管线的实际情况，以经济与安全相结合的原则，穿越盾构轴线距离50 m范围内为既有建筑物和管线保护监测区段。在建筑物四周具有代表性的位置上和隧道轴线上每3m布置一个沉降监测点，每10m设置一个断面。在盾构推进范围内沿原水管轴线每隔3 m布置一监测点。
(2)监测频率：盾构穿越既有建筑物和管道前原始值测定为2次，在盾构机穿越控制区期间内监测频率为6次／d，当在施工中变形较大出现异常(变化速率达±3 mm／d)时，监测频率调整为1次／h。在保护区内推进过程中，要求监测人员24 h全天候跟踪监测，根据不同施工工况要求确定具体测量时间。盾构离开控制区后，稳定期间要求监测频率为6次/d。监测频率也可以根据变形速率进行减小，当变形量小于l mm／d时减为2次/d。
5、结语
加强施工过程中泥水压管理、泥水质量管理、掘削土量管理，采取信息化管理、专项监测措施，深港隧道泥水盾构施工穿越金仓利大楼沉降监测数据显示，盾构隧道通过后，观测点最大沉降值-4.05mm，结构物基础最大倾斜-0.023%，建筑物原有裂缝无明显变化，变形缝累计张开不超过1.00mm，符合安全要求，保障了邻近建筑物的安全。
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论文作者:马金池
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第3期
论文发表时间:2018/6/22
标签：盾构论文; 泥水论文; 泥浆论文; 建筑物论文; 削面论文; 隧道论文; 水压论文; 《建筑学研究前沿》2018年第3期论文;