北京城建集团有限责任公司土木工程总承包部 北京市海淀区 100088
摘要：本文结合沈阳市运河水系综合治理南运河截污四标段工程实际，针对小直径市政盾构机在分体始发阶段近距离安全侧穿在施的综合管廊深基坑，所采取的技术措施、分析了既有桩体破坏、盾构压力泄露及非正常掘进的风险，提出了有效的应急措施，可为解决同类工况下盾构始发掘进问题提供借鉴。
关键词：市政盾构；始发；侧穿；在施深基坑
1引言
随着目前城市规模的不断扩大，在新型市政基础设施建设中，提高资源能源利用效率和低碳环保理念日益重要，盾构技术以其非开挖特征和高机械化程度正逐渐被推广应用于市政领域，如再生水处理中的配套管线工程、管线截污等排水工程建设中。这种市政盾构与常规地铁的盾构相比，就是直径小，一般成型初支隧道3.5m左右，选用的盾构设备的外径4m。在盾构掘进过程中，复杂地层和特殊地下障碍物往往无法避免，因此有必要研究如何合理地保证盾构穿越地层的过程中，尤其是近距离穿越地下建（构）筑物时对建（构）筑物的影响和盾构施工本身的安全。
本文以沈阳市运河水系综合治理工程南运河截污工程为例，探讨了我公司采用国内最先进小直径市政盾构设备（刀盘直径4.2m），在分体始发阶段，以最小净距2.3m侧穿在施深基坑的控制技术。
2工程概况及地质情况
沈阳市运河水系综合治理工程南运河截污工程，是为解决雨季雨污合流、雨水直排南运河，污染南运河水质的问题，沿运河新建的D=3.5m截流管道，地层由上而下主要为厚杂填土、中粗砂、砂砾、圆砾，盾构穿越的地层主要为圆砾、砾砂层，隧道范围内无地下水。本标段盾构法施工段全长1717.88m，采用直径4.2m土压平衡盾构机施工。从盾构始发井分体始发掘进，在第44~65环位置侧穿综合管廊盾构井基坑，与围护桩最小水平净距2.3m（65环位置），侧穿总长度25.3m。穿越基坑位置隧道覆土为8m。
图1侧穿范围内地质情况示意图
本工程盾构机侧穿深基坑为沈阳地下综合管廊(南运河段)盾构井，沈阳地下综合管廊(南运河段)是住建部城市地下综合管廊首批十个试点城市之一，也是全国第一个采用盾构施工方法在老城区建设的地下综合管廊。综合管廊盾构井围护结构采用混凝土灌注桩，灌注桩桩径1000mm，桩间距1400mm。桩间挂网加喷射混凝土，厚度100mm,基坑随竖井开挖架设支撑，支撑自上而下共5道，第一道为砼支撑，其余4道为钢支撑。竖井深度26m，盾构机在到达基坑位置时，管廊盾构井围护桩施工完成，竖井开挖深度至20m位置，支撑完成至第三道，钢支撑均已施加轴力。
本工程采用的小直径盾构机，专门应用于电力、热力、燃气、给水、雨水、污水、再生水、输油管道等各类市政管线工程施工，建设的管线管径相对较小，埋深较浅，一般为4~9m。盾构机总长123m，由主机、联络梁和13节台车组成，由于空间小，后配套设备设计在台车单侧，另一侧设计用于安全行走的走道板。在推进过程中刀盘扭矩和推力相对较小，对地层扰动相对较小。市政管线盾构始发井兼做后期检查井，始发井尺寸较小，采用两次转接分体始发方式，使用主动铰接控制掘进姿态，可实现最小120m转弯半径施工。
图2隧道与综合管廊盾构井位置关系示意图
3盾构掘进施工风险点分析
截污工程盾构隧道与管廊基坑围护桩距离小于1倍盾构直径，掘进过程中必须采用合理的推进参数，否则可能会引起基坑锚喷面破坏、围护桩桩体发生位移、钢支撑轴力失效引起松动滑落、地面沉降塌陷等，致使基坑丧失稳定状态，给基坑及周边环境带来不利的因素。
3.1基坑围护桩发生剪切破坏
综合管廊竖井基坑主要采用钢支撑加钢围檩支护形式,形成的围护结构具有整体稳定性,如果支撑系统未完全形成整体或遭到破坏，竖井基坑的稳定会受到影响。盾构机到达基坑位置时，竖井开挖深度至20m，支撑完成至第三道，钢支撑均已施加轴力，第四道钢支撑未架设完成。盾构通过综合管廊盾构井基坑时,由于盾构机与围护桩间距较小,掘进过程中因周边土体扰动及侧压力较大可能导致围护桩发生剪切破坏。
3.2盾构土仓压力泄露及地面塌陷
由于截污盾构隧道边线距离围护桩边缘最小距离为2.3m,隧道与综合管廊盾构井区域内为圆砾砂层,孔隙率大、渗透性好。在侧穿综合管廊盾构井基坑过程中,若基坑锚喷混凝土未达到设计强度值,可能引起土仓内压力泄漏,无法保证掌子面压力平衡,导致地表塌陷,扰动围护桩背部土体,引起围护桩向基坑外侧偏移,导致钢支撑轴力迅速释放,支撑松动滑落,给综合管廊盾构竖井基坑带来严重隐患。同时引起开挖面土体向综合管廊盾构井内侧移动，引起地层损失从而导致盾构上方地面沉降、塌陷。
3.3盾构机长时间停机影响
如盾构机待管廊竖井结构完成后再开始掘进施工，需停机等待2个月，一方面会对施工工期造成影响，另一方面也会增加盾构机恢复推进时的难度。
4关键技术措施
为确保管廊竖井基坑稳定性，盾构在竖井及坑底板强度满足要求后开始掘进。
4.1非正常掘进状态下盾构机掘进参数调整
本工程盾构机分体始发流程为：主机井下组装－台车地面组装－延长管线安装－分体掘进50.4m－停止掘进、拆负环管片－1～4#台车吊装下井安装－梁安装、皮带机安装－管线重新安装、调试－大土斗掘进75m－停止掘进、拆临时管线－铺设道岔、轨道－吊装5～13#台车－组装调试、掘进。
盾构从始发井到管廊深基坑距离只有52m，正处于盾构分体始发第二阶段，需尽快总结在这种地层中适当的盾构掘进参数，并拟定合理的参数用于侧穿管廊深基坑施工，对顺利穿越管廊深基坑施工起到关键作用。
图3盾构机侧穿施工阶段分体始发示意图
根据前43环的参数总结及分析，拟定侧穿管廊盾构井施工掘进参数，根据刀盘与管廊竖井围护桩的距离及时调整每环的土仓压力，降低刀盘转速和推进速度，适当调整推力和刀盘扭矩控制。
4.2保持土压稳定措施
在盾构机掘进时，向开挖面、土仓等处加注改良添加剂，可以起到支撑作用而且可以改善土的流动性。本标段根据实际地质情况，采用膨润土浆液和泡沫剂配合进行渣土改良。侧穿施工前，通过试验确定膨润土浆液、泡沫剂与渣土的配比，到达渣土改良的初始配比，以指导盾构侧穿施工。具体实验步骤为：①在施工场地取与隧道所处地质条件相同的渣土；②分别做膨润土与水的配比、膨润土浆液和泡沫剂与渣土的配比；③得到膨润土浆液和泡沫剂与渣土的最佳配比。
通过试验确定侧穿时拟采用的的最佳配比为：泡沫最佳发泡效果的原液用量为5%，膨润土与水比例为1:8的膨润土浆液，渣土与膨润土浆液、泡沫剂比例为1:0.08:0.003。
4.3结合盾构机特殊掘进状态进行管片选型
考虑到竖井锚喷面强度原因，侧穿管廊盾构井过程中每环注浆量控制在2.5m3左右，注浆压力控制在0.2Mpa以内。根据盾构机姿态、盾尾间隙、油缸行程等做好管片选型工作（C型管片拼装点位的确定），将管片拼装时间控制在20-30min，以减少盾构停机时间。
4.4严格控制盾构侧穿在施深基坑过程的出土量
根据公式V=kπL(D/2)²确定每环的理论开挖量，其中
K—可松性系数，其中考虑到土体的松散、添加膨润土等，圆砾、砾砂层的可松性系数取1.2；
D—刀盘直径，4240mm；
L—管片环宽，1200mm。
V=kπL(D/2)²=1.2*3.14*1.2*2.12²=20m³
施工采用渣土车的体积V1为9m³，根据公式L1=V1/K/π/（D/2）2，算出每出第一斗渣土和第二斗渣土，千斤顶的行程应为490mm，第三斗渣土千斤顶行程应为220mm。
侧穿管廊盾构井过程中严格控制每环出土量，并派专人进行观察记录，做到进尺量与出土量均衡，严禁出土超量。
5实施效果分析
5.1在施深基坑监测
结合侧穿深基坑过程中的掘进速度，加密对钢支撑轴力、基坑桩体变形、地表沉降、竖井初衬锚喷面的监测点布置和监测频次，严密关注监测预警情况，配备注浆机等应急物资。
5.1.1钢支撑轴力图
图4钢支撑轴力变化曲线图
5.1.2地表沉降量
图5地表沉降布点图
图6地表沉降曲线图
5.1.3桩体位移
监测结果显示，盾构侧穿施工过程中钢支撑轴力单次变化最大为3KN/m，地面最大累计沉降量为8mm，桩体最大累积位移3mm，锚喷面最大累积变形量7mm，如图5-图8所示，符合控制指标的要求。
图7桩体位移曲线图
5.1.4竖井锚喷面位移
图8竖井锚喷面位移曲线图
5.2盾构掘进轴线
在盾构掘进施工过程中，盾构姿态变幅越大，盾构机越难控制，对地面沉降的影响也越大，要坚持“勤监测、勤纠偏、小纠偏”的原则，尽量实现盾构的平缓推进；严禁一次性大幅度纠偏，造成过大超挖和对周围土层的扰动。每次盾构机的纠偏量应不超过2cm（0.5%D）。合理使用超挖刀和铰接千斤顶来控制盾构机的轴线，从而实现对隧道轴线的线形控制。盾构机轴线偏差控制值为平面±80mm，高程±25mm。在侧穿管廊竖井基坑过程中，通过监控数据显示，平面最大偏差值为-15mm，高程为10mm。
6结语
通过风险分析及采取有效技术措施，小直径盾构机以最小净距2.3m侧穿深度26m的在施深基坑，监测结果表明，各项沉降变形指标均在规范限值之内，未有异常，盾构掘进偏差也控制在合理范围，掘进过程顺利，实施效果良好，既可为本工程盾构穿越下一处既有基坑提供技术指导，又可为今后类似工程实施提供参考依据。
作者简介
张世辉，性别：男，职称：助理工程师，学位：学士学位；主要从事市政工程（包括路桥、市政管道）技术工作，包括编制工程施工组织设计、施工方案，制定技术措施、工艺流程、操作方法，向工长和班组长进行详细的技术交底，处理日常技术问题等。
论文作者:张世辉,张玉奇,马军英,李笑男
论文发表刊物:《基层建设》2018年第27期
论文发表时间:2018/10/17
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