裴权
（上海市基础工程集团有限公司,上海200438）
摘要：以天津市轨道交通10号线一期工程土建施工第8合同段微山路站—财经大学站盾构区间施工为例,探讨富水砂层中盾构掘进沉降控制技术。通过选择合适的渣土改良剂、划分穿越施工阶段,控制土压力、推进速度、同步注浆、二次注浆等措施,降低盾构施工对周边环境的影响。以左线盾构侧穿建筑为例,盾构穿越完成后,建筑物监测点最大沉降值为－3.1 mm,取得了良好的控制结果。研究结果为类似工程的施工提供了参考。
0引言
近年来,随着地下空间被不断开发利用,盾构穿越各类建筑物、构筑物的施工控制措施已经越发成熟并系统化,但因地质环境及实际工况等因素的不同,不同工程仍需要有针对性的施工控制方法和措施。本文以天津市轨道交通10号线一期工程土建施工第8合同段微山路站-财经大学站盾构区间施工为例,探究盾构穿越富水砂层的沉降控制技术措施。
1工程概况
天津市轨道交通10号线一期工程土建施工第8合同段微山路站—财经大学站盾构区间,沿珠江道敷设,从微山路站开始,双线呈平行延伸,随后右线逐步向上移动,左线逐步向下移动,两条线路在盾构施工的区间内逐步错开,形成一种上下层叠状的空间布局。上下重叠隧道在微山路与珠江道交口东侧150m附近与既有轨道交通1号线高架线曲线段交叉,之后上下重叠区间与既有轨道交通1号线高架桥以接近平行的方式延伸至财经大学站。区间单线长约1430m,采用2台复合式土压平衡盾构机自微山路始发,掘进至财经大学站接收。
左线区间最大纵坡为25‰,最小纵坡为2‰;右线区间最大纵坡为20.11‰,最小纵坡为2‰。覆土厚度：右线为5.59～11.1m;左线为10.57～24.4m。盾构主要穿越⑥1黏土层、⑥2粉质黏土层、⑥3粉土层、⑥9淤泥质黏土层、⑦2粉质黏土层、⑧1黏土层、⑧2粉质黏土层、⑧4粉砂层、⑨2粉质黏土层、⑨3粉土层、⑨4粉砂层。
隧道结构由预制管片拼装而成。预制件主要参数：管片内径为5500mm,管片外径为6200 mm;管片宽度为1500mm,管片厚度为350mm。衬砌环全环由1块封顶块（F块）、2块邻接块（L块）及3块标准块（B块）构成,其拼装方式为错缝拼装。
区间左、右线从始发开始持续穿越⑥3粉土层（液化层）、⑥4粉砂层（液化层）,穿越总长度约为200m。左、右线于始发后49m处还需侧穿一幢6层居民住宅楼,该住宅楼基础形式为钢筋混凝土筏板基础,筏板基础厚度为350mm,结构形式为异型柱框架结构。房屋结构与左线盾构区间最小水平净距为5.68m,筏板基础边缘与盾构区间净距为4.355m,小于0.7D,房屋结构与左线盾构区间最小竖向净距为11.2m。
2难点分析
（1）盾构开挖过程中,挖掘面大多位于液化层,土层含水量高,呈流动性塑性状态,不仅不利于保持土仓内土压平衡,而且容易引发螺旋机喷涌,继而导致盾构机掘进困难,同时地面沉降难以控制。
（2）被穿建筑物距离隧道较近,所处地层条件不佳,盾构相对埋深较浅,上覆土层多为淤泥质土层、液化土层,受扰动后固结沉降量大、沉降收敛周期较长,不利于对上部建筑物的沉降控制。
（3）被穿建筑物年久失修,部分住户已出现墙面抹灰层开裂、剥落,阳台结构出现裂缝等情况,住户对邻近施工怀有抵触情绪。为降低社会影响,打消周边居民的担忧,业主单位提出要求：本次侧穿施工沉降需控制在5mm内（原设计允许的最大沉降值为20mm）,极大地增加了施工控制要求及难度。
综上所述,仅采取常规的盾构施工方式无法满足本工程的盾构正常施工及对周边建筑物的保护需求,需采取针对性的施工控制措施。
3施工控制措施
3.1渣土改良剂的选择
要控制沉降,首先需要将土压力控制稳定。液化土层导致的螺旋机出渣喷涌,造成土压力值波动起伏过大,土压难以稳定。因此,控制土压力的首要条件是对渣土进行改良,使螺旋机排出的渣土满足正常施工要求。
常用的渣土改良剂一般包括水、泡沫剂、膨润土和高分子聚合物等[1]。水和泡沫剂虽然是最为常见、最易得的渣土改良原料剂,但在本工程富水砂层中的改良效果并不理想,且会造成不良的反作用。因此,水和泡沫剂不宜作为本工程的渣土改良剂。膨润土具有高效的吸湿膨胀能力、高度的吸附性、低渗透率以及出色的自封闭特性,但需经过12h以上的预膨胀阶段,且需布置制泥设备及储泥槽等占地面积较大的设备,大规模应用时会影响到盾构施工效率,所以也不适宜本工程。高分子聚合物为水溶性高分子,可以连接混合渣土中的微小颗粒,能在土粒之间形成絮凝体,有助于降低土体的内部摩擦力,从而提升其流动特性,增大渣土的黏性,使其具有良好的泵送性。高分子聚合物既能独立应用,也能与膨润土和泡沫制剂进行复合使用,改进渣土的效果显著。故本工程选用LKIDA-GTX水溶性高分子类高分子聚合物（聚丙烯酰胺）作为渣土改良添加剂。
通过实验调整高分子聚合物溶液的浓度并改变与原土的掺和比例。实际工程中使用了浓度为1%的聚合物溶液,并以4%～6%的比例混合。处理后,从螺旋机排出的渣土的流动性明显提升,土压的波动也维持在正常区间,满足了盾构机正常且连续的施工要求,有效避免了螺旋机喷涌的风险,同时也增强了盾构机在液态土层施工的安全性和工作效率。使用高分子聚合物改良渣土前、后施工情况对比如表1所示。
3.2施工阶段设置
为将沉降控制到最小,以本次穿越建筑物为例,将穿越施工划分为模拟段、穿越段、影响段3个施工阶段（如图1所示）。通过模拟段的施工、监测、分析以及施工参数的调整,掌握最优施工参数以进行盾构穿越施工。
3.2.1模拟段
在盾构穿越前设置模拟段,模拟盾构穿越施工各项条件及盾构施工参数调整设置,对调整数据、监测数据的变化规律进行分析,以掌握最优的盾构穿越施工参数。由于本次被穿越建筑物距离始发井较近,本次模拟段为开始穿越前30环（45m）。
此阶段需重点确定理论土压力和实际需要土压力的差值并保持施工过程中土压稳定,控制盾构机切口前地表隆起为1～3mm。加强同步注浆时机的管理,根据监测反馈的情况实时调整注浆量和注浆压力,使盾尾后部地表发生隆起控制为3～5mm[2]。
3.2.2穿越段
此段控制盾构匀速掘进,保持微欠挖状态和土压稳定,控制盾构机切口前地表隆起为1～3mm最佳。同时,根据模拟段的施工参数,严格控制同步注浆浆液质量及注浆工序,及时根据监测数据的反馈情况调整注浆量和注浆压力[3]。
3.2.3影响段
此段盾构机平面位置已脱离被穿越建筑物,可适当加快掘进速度但须保持匀速掘进。根据盾构覆土的变化合理设置土压力并保持土压稳定。此阶段需着重控制同步注浆施工工序,并做好监测数据汇总分析,若建筑物后期的沉降较大,必须及时进行针对性的二次注浆工作。
3.3土压力控制
实际土压力＝理论土压力＋偏差值（土压传感器偏差、为控制微欠挖增加的土压力等）。模拟段掘进的重点是确保土压力略大于静止土压力,确保盾构不超挖,并确定偏差值。控制切口前地表微隆起,是为了确保不欠挖。本次侧穿土压参考中部左、右土压的平均值设定。测定所得的土压力实际值与其对应的理论值如表2所示。
通过理论土压值与实际土压值的比较可以看出,两者之间有较大的差距,可能与盾构机性能、土层情况、土仓压力传感器等多方面有关,所以在模拟段试验得出理论土压与实际土压的差值,核验后运用在穿越施工过程中是非常重要的。
3.4推进速度控制
本工程盾构机为土压平衡式盾构机,盾构最大掘进速度为60mm/min。穿越段施工过程中,盾构机的掘进速度维持在25～30mm/min,在此条件下,螺旋机的扭矩以及刀盘的扭矩较为稳定。确保盾构均衡、匀速地穿越,以减少对周边土体的扰动影响,以免对其结构产生不利影响。
3.5同步注浆控制
随着盾构推进,脱出盾尾的管片与土体间出现建筑空隙,应立即用浆液通过预设在管片上的注浆孔压浆予以充填。压入衬砌背面的浆液会发生收缩,因此实际注浆量要超过理论建筑空隙体积[4]。过量压浆也会引起地表局部隆起和跑浆,因此除控制压浆量外,还需控制注浆压力。
3.5.1浆液质量控制
本次施工采用的同步浆液为硬性液浆,由现场自动拌浆设备进行拌制。浆液由水泥、粉煤灰、膨润土、黄砂、水组成,配比如表3所示。浆液须满足泵送性能,泌水率＜3％,浆液1d抗压强度≥0.2MPa，28d的强度≥3MPa。
3.5.2注浆量控制
左线盾构机开挖面与其隧道断面的理论间隙为4.03m³/环,每环的压浆量一般为理论建筑空隙的1.5～2.5倍,即每环浆液用量为6.04～10.08m³。实际施工过程中,必须选用合适的填充率,以抵抗同步注浆浆液及受扰动地层后期固结损失。通过实时监控数据对注浆量进行调整,本次施工中注浆量为7.5～8.5m³/环。
3.5.3注浆压力控制
同步注浆压力不宜过高,宜控制泵送端出口处的压力略大于周边水土压力,保证浆液只是填充而不是劈裂。
3.5.4注浆方式
精细化注浆施工。同步注浆过程中,根据推进速度初步计算出同步注浆量,在注浆作业过程中,根据现场实际情况进行调节,确保推进不中断、注浆不停止。
3.6径向注浆控制
本工程使用的盾构机类似于倒锥形,刀盘切削直径略大于盾体及盾尾,所以盾构掘进过程中,盾体上方由于同步注浆及时性略有欠缺,易造成沉降。在本次侧穿建筑物施工过程中,由于沉降控制要求较为严格,实际施工中采取在上部径向注浆孔注入膨润土填充,根据切削直径与盾体之间的空隙,每环约注0.2～0.5m³,并根据地表点从切口至盾尾期间的沉降数据进行调整。
3.7二次注浆控制
盾构机穿越地层后,还会发生固结沉降,需及时进行二次注浆,稳固周边土体。本次加固范围为隧道外一周或上半周,加固材料采用双液浆。根据监测数据,多次少量注浆,稳固土体。
3.7.1注浆孔布置
本次穿越段采用多孔注浆管片,每环管片额外增设10个注浆孔,共计15个注浆孔可用于注浆（封顶块除外）。管片增开注浆孔布置如图2所示。
3.7.2浆液配比
注浆材料采取单液浆与双液浆相结合使用。根据施工实际选用适合的浆液：单液浆材料为水泥浆,双液浆材料为水泥、水玻璃。此外,还需加入一定量的催化剂。现场试验确定,适当的水泥与水玻璃的配合比可以使初凝时间达到最快,为30～60s。配合比如表4所示。在施工过程中,可以根据现场的具体情况对配比进行必要的调整。
3.7.3注浆方式
注浆前在盾尾后5～10环位置通过冲击钻将管片注浆孔疏通并进行跟踪注浆,每孔注入0.2～0.3m³,进行初步注浆加固。穿越后期通过在注浆孔安装预埋注浆管,根据监测情况进行分层注浆加固,如图3所示,从外围向中心逐步进行,注浆管每次向内移动10～20cm,注浆压力限制在0.3MPa以内,注浆速率为10～15L/min。
4实施效果
本次盾构在富水砂层中掘进,通过添加高分子聚合物对渣土进行改良,首先解决了盾构施工螺旋机出渣喷涌的难题,使得土压力处以稳定可控状态,进而保障了盾构掘进施工连续、掘进速度平稳、同步注浆匀速,有效加强了施工沉降控制能力[5]。
以左线盾构侧穿建筑为例,2020年9月初完成始发,至2020年9月底完成穿越施工。穿越完成后,建筑物监测点最大沉降值为－3.1mm,取得了良好的控制结果。
5结语
天津市轨道交通10号线一期工程土建施工第8合同段微山路站—财经大学站盾构区间施工,为控制沉降,采用适合的渣土改良剂,对穿越施工段进行划分,控制土压力、推进速度、同步注浆、二次注浆等各项控制措施,最终使建筑物的沉降得到有效控制。现将本次盾构掘进沉降控制施工技术的关键工序总结如下。
（1）施工前,对施工区域的水文地质情况,特别是不良地质情况（软弱土层,渗透系数比较大的土层）,周边环境情况（建构筑物、管线、道路、交通情况、其他在建施工）,被穿越建构筑物的结构形式、基础形式、结构状态（有无缺陷、扰动的历史）、现状使用情况等工程概况进行详细、透彻的了解。
（2）做好重难点分析,并采取有针对性的解决措施。如本工程所遇的富水砂层,需提前做好渣土改良剂的选择及实验,确定适宜的配比掺量,用于实际施工中。
（3）穿越施工时,提前做好施工筹划及施工阶段划分,如试验段、穿越段、影响段的划分,并计算好施工参数的设计值,用于指导后续施工。
（4）在施工阶段,根据监测数据及时调整土压力、注浆量和注浆量,确保掘进机切割面前方轻微隆起,盾尾同步注浆填充密实,控制好预沉值。过程中做好沉降的曲线分析,做好数据分析,找到沉降发生的主要阶段。
（5）尽最大限度保障连续施工,连续匀速地稳定掘进。
（6）施工时注意后期固结沉降,及时进行二次注浆。
转载文献来源：中国知网-建筑科技
