復雜地層中盾構穿越高層住宅樓關鍵施工技術

1、復雜地層中盾構穿越高層住宅樓關鍵施工技術王少鵬 馮宏朝摘 要 近年來，隨著我國城市化建設的快速發(fā)展，城市地鐵工程建設快速發(fā)展，受地鐵車站選擇的控制，盾構隧道線路下穿既有建筑物成為一種新的常態(tài)。在工程地質條件惡劣或建筑物結構不能采取下穿方式施工時，通常采用人員臨遷或建筑物拆遷來降低施工風險。本文依托深圳地鐵七號線（福民站皇崗口岸區(qū)間右線）在軟硬相間復雜地層采取盾構穿越8層住宅樓的施工，詳細介紹了盾構施工過程中采取的各項技術措施，并成功安全穿越住宅樓，為類似工程施工提供借鑒經(jīng)驗。關鍵詞 復雜地層 盾構住宅樓 施工技術 1 工程簡況深圳地鐵7號線7304-1標福民站至皇崗口岸站區(qū)間位于深圳市福田區(qū)，

2、區(qū)間左線全長675.684m,右線全長672.305m。區(qū)間在右線DK18+678.0DK18+788.0和左線DK18+710.0DK18+770.0段下穿福民新村20#、21#、22#和23#住宅樓，其中右線下穿20#、22#，側穿21#、23#住宅樓，左線下穿21#、22#，側穿20#住宅樓，福民新村 圖1 房屋與隧道平面位置布置圖4棟房屋與隧道平面位置如圖1，區(qū)間隧道埋深在19.823.6m之間，穿越建筑物段線路平面最小曲線半徑為400m，坡度為24.36，采用復合式土壓平衡盾構機進行施工。房屋基礎均為打入式灌注樁，樁長16m，樁尖位于圓礫土層，單樁容許承載力60t，樁徑480mm，樁

3、頂插筋614，深入樁內長度11500mm，外露長度560mm，與樁頂承臺連接。福民新村20#房屋與隧道位置剖面圖見圖2。2 工程地質與水文區(qū)間范圍內上覆第四系人工堆積層 圖2 福民新村20#房屋與隧道位置剖面圖（Q4ml）、海積層（Q4m）、沖洪積層（Q4al+pl及Q3 al+pl）、殘積層（Qel），下伏燕山期花崗巖（53）。該工程段盾構掘進掌子面地層主要為微風化花崗巖、強風化花崗巖、礫砂、礫質粘性土，隧道以上覆土層自上至下依次為5.106.25m素填土；3.205.30m淤泥質黏土；3.204.30m中砂層；2.407.20m礫砂層。穿越地層的巖石特性如下：素填土：褐黃、褐紅、青灰等色，

4、稍濕，松散稍密。主要成份為黏性土，混砂礫，局部夾碎塊石，碎石粒徑2100mm。淤泥質粘土：灰黑、深灰色，飽和，流塑，味臭，主要成分為黏性土，含少量貝殼、細砂及有機質。中砂：灰白、深灰色，飽和，松散狀態(tài)，級配不良，主要成分為石英，含少量有機質。淤泥質黏土：深灰、灰黑色，飽和，軟塑，含腐殖質，局部夾有腐木及植物根系，具異味，易污手及黏手。礫砂：淺灰、灰白色，飽和，稍密中密狀態(tài)，級配良好，主要成分為石英，局部含黏性土。礫質黏性土：褐紅、褐黃、灰白色，可塑硬塑。由粗?；◢弾r風化殘積形成。強風化花崗巖：褐黃、褐紅色，巖體呈砂土狀，局部呈砂土狀夾塊狀，碎塊手可掰斷。中等風化花崗巖：淺肉紅、灰白等色，巖體呈

5、碎塊塊狀，節(jié)理裂隙發(fā)育。巖芯較破碎，巖石質量等級為級。根據(jù)臨時場地試驗資料，巖石飽和單軸抗壓強度最小值為7.1MPa，最大值為65MPa，平均值為27.3 MPa。微風化花崗巖：淺肉紅、灰白等色，巖體呈碎塊、塊狀、巨塊狀，節(jié)理裂隙發(fā)育。巖芯較破碎，巖石質量等級為級。巖石飽和單軸抗壓強度最小值為22.4MPa，最大值為140 MPa，平均值為68.3 MPa。深圳市氣候屬亞熱帶季風氣候，熱量豐富，日照時間長，雨量充沛。地下水含量豐富，按賦存條件主要為孔隙水及基巖裂隙水。地下水位位于隧道以上19.121.30m處。3 施工重難點分析3.1 控制沉降，確保建筑物安全是重中之重住宅樓為八層框架結構，建

6、筑物荷載較大，沉降變形控制尤為重要。在盾構下穿過程中，勢必引起對隧道上部富水粗砂層和礫石層的擾動、水位下降，地表出現(xiàn)不均勻沉降現(xiàn)象，將進一步加劇樁基及上部結構的沉降或引起上部建筑物結構損壞。3.2 確定適當掘進參數(shù)，關系到施工成本與效益線路穿越福民新村房屋洞身地層自上而下主要為粗砂和礫石（厚13m不等）、強風化花崗巖（厚04m不等）、中風化花崗巖和微風化花崗巖（厚04m不等），屬于上軟下硬復合地層，且樁基距離隧道上部距離較近，盾構掘進過程中將加劇刀具磨損，縮短刀具使用壽命。合理設定盾構掘進參數(shù)，保護好刀盤、刀具，防止發(fā)生非正常磨損具有十分重要的意義。3.3 預防產(chǎn)生泥餅現(xiàn)象是施工控制的關鍵盾構

7、機穿越福民新村八層住宅樓時，須在（510mm）粗砂、（512mm）礫石、（8mm）強微風化地層中掘進，該地層遇水崩解后粘性大，刀盤、土倉容易產(chǎn)生泥餅現(xiàn)象，從而導致無法掘進，需開倉處理。開倉期間容易引起地層失水、沉降，甚至造成樓房裂縫、地表沉降加大。因此，盾構掘進預防泥餅現(xiàn)象是本工程的重點。3.4 出土量與注漿量控制直接關系到結構及地面沉降盾構穿越建筑物時，出土量控制非常重要，尤其在上軟下硬地層中，因上部土層較軟、砂土流動性高，極易發(fā)生坍塌、涌土入倉，造成出土量超標，引起地面沉降。管片壁后注漿可有效填充盾構機開挖后土體與管片之間建筑間隙，減小地面沉降。及時、有效完成注漿，并充填飽滿是關鍵。3.5

8、 施工監(jiān)控意義重大施工監(jiān)測是觀察結構及地表沉降的眼睛，盾構機下穿前后加強施工監(jiān)測，及時掌控建筑物的變化情況，便于及時有效采取措施。4 盾構施工前采取的主要技術措施4.1 對隧道范圍內圓礪層、砂層進行深孔注漿加固對20#、22#樓之間右線頂部圓礪層、砂層進行加固，加固長度15m，加固寬度9m，隧道兩側各3m，洞頂3m，入巖深度1.5m?？着啪?.0×1.0m，梅花型交錯布置。注漿壓力0.51.2MPa。注漿材料采 圖3 房屋外深孔注漿平面圖用水泥-水玻璃雙液漿。具體布置見圖3。4.2 淺層房屋基礎加固根據(jù)現(xiàn)場情況，結合房屋周邊管線、占地協(xié)調實際情況，對隧道左、右線影響范圍具備加固條件的

9、房屋，從外墻1.5m2m范圍內采用50×3.5m袖閥管注漿加固，下穿過程中，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)情況，及時進行跟蹤注漿，減少盾構施工對建筑物的影響。具體布置見圖4。圖4 房屋基礎淺層加固平面圖 圖5 換刀點布置平面圖4.3 主動換刀根據(jù)詳勘和補堪地質資料，區(qū)間建筑物地質條件復雜，上軟下硬，為保證安全下穿，在進入20#樓前范圍145環(huán)、158160環(huán)分別進行帶壓檢查主動換刀和設備檢查維修，同時，在右線福明新村20#、22#樓之間190193環(huán)設換刀點，并提前完成加固，為下穿22#樓進行第二次換刀。為防止砂層加固效果不佳，引起地表沉降和構筑物變形，采取帶壓檢查換刀。完成22#樓穿越后到達接收井前

10、，進行一次帶壓檢查換刀，計劃為220環(huán)處，確保盾構機順利進入接收井。具體布置見圖5。4.4 設備維護與保養(yǎng)盾構穿越住宅樓前，利用停機換刀時間，加強對盾構機、門機、拌合站、電瓶車、冷卻塔等主要施工設備進行檢修保養(yǎng)，備足備用件，確保盾構均勻、快速穿越住宅樓，避免不必要的故障停機。5 盾構掘進施工主要施工方法5.1 施工流程根據(jù)住宅樓區(qū)域地質條件及本工程盾構施工特點，施工工藝流程如圖6所示：可行盾構設備檢修監(jiān)測布點初始數(shù)據(jù)采集盾構姿態(tài)調整盾構穿越掘進施工監(jiān)測結束物資應急跟蹤監(jiān)測繼續(xù)掘進不可行啟動應急預案或備選方案施工監(jiān)測圖6 盾構穿越福民新村住宅樓段施工流程圖5.2 掘進關鍵技術控制5.2.1 盾構

11、姿態(tài)調整在盾構掘進至距建筑物50m前，嚴格控制、調整盾構姿態(tài)，對地下導線控制點進行嚴密復測；在盾構掘進至距建筑物10m處，對盾構姿態(tài)和地下導線控制點再次進行嚴密復測，嚴格平差。對盾構機MVT導向系統(tǒng)數(shù)據(jù)重新進行校核，以確保盾構機按隧道設計軸線方向順利掘進。5.2.2 采取土壓平衡模式施工5.2.2.1 土倉壓力的確定盾構穿越建筑物段隧道埋深最大22.5m，根據(jù)朗肯定律進行計算，考慮建筑物安全系數(shù)增加0.2bar土壓力，盾構下穿建筑物時土倉壓力設定為2.22.4bar。5.2.2.2 土倉壓力和出渣量的控制在采取土壓平衡模式掘進時，必須密切關注土倉壓力的變化，主要通過嚴格控制掘進速度與出土量關系

12、，使進入土倉土量與出土量之間達到一種動態(tài)平衡，從而保持土倉壓力與掌子面之間處于平衡狀態(tài)，保證掌子面的穩(wěn)定。因此在掘進時，盾構司機必須密切關注土倉壓力的變化，當實際土倉壓力與設定理論壓力不平衡時，及時調整螺旋機排土量或泡沫發(fā)泡率，使切削進入土倉土量與出土量之間達到一種動態(tài)平衡。掘進時每環(huán)出渣量嚴格控制在60±2m3，防止因超排土導致地層失穩(wěn)造成沉降。5.2.2.3 停機土倉壓力控制為保持土倉壓力，停機時主要采用土倉堆積土和適當加注膨潤土泥漿進行保壓，使土倉壓力不得小于最小設定壓力值。5.2.3 推力、刀盤轉速及掘進速度控制為最大程度降低下穿福民新村施工對周邊土層的擾動以及控制施工震動，

13、盾構機到達福民新村八層住宅樓樁基前，根據(jù)實際施工情況調整推力和推進速度，減小刀具貫入度，控制出土量并時刻監(jiān)視土倉壓力值，避免較大的地表隆陷。到達樁基礎前1環(huán)，進一步調整盾構掘進推力，下穿時掘進推力控制在15002000t、刀盤轉速1.21.6r/min、貫入度510mm，掘進速度控制在620mm/min。下穿階段密切關注盾構各系統(tǒng)參數(shù)使盾構快速平穩(wěn)通過建筑物。5.2.4 預防結泥餅措施盾構機穿越5號粗砂礫石、8號全微風化花崗巖軟硬不均地層，該地層粘性較強。采用土壓平衡模式掘進容易產(chǎn)生泥餅，從而導致刀具非正常磨損，降低刀具破巖效率甚至無法掘進。在施工過程中嚴密監(jiān)視渣土的成分變化，預判前方地層情況

14、，及時調整掘進參數(shù)，同時關注渣土流塑狀態(tài)和渣溫變化，防止渣土過干（塌落度2025cm為宜）、渣溫過高（不大于38）形成泥餅。如出現(xiàn)結泥餅現(xiàn)象，可加大艙壁加水或泡沫用量，使倉內渣土符合要求后方可掘進。5.2.5 同步注漿與二次注漿在盾構掘進時，嚴格按照“不注漿、不掘進”的原則進行控制同步注漿，及時對管片壁后空隙填充飽滿，減少土層沉降。注漿材料：選用可硬性混合漿液，漿液凝固時間不大于10h，28天抗壓強度不小于2.5MPa。注漿壓力：注漿壓力達到土倉設定壓力的1.52倍，即3.55bar。注漿量：每環(huán)同步注漿量為理論注漿量的150200， Q=6.5m38.7m3。為保證注漿質量，同步注漿量控制在

15、8.5m3以上。二次注漿在盾尾脫出盾構機5環(huán)及時進行二次注漿，二次注漿壓力一般為0.50.8MPa，宜采用水泥-水玻璃雙液漿，及時填充同步注漿由于凝固收縮或注漿不飽滿時造成的空隙，有效控制地面沉降。5.2.6 刀具配置與維護盾構施工段地層復雜，刀具磨損較大，為減小盾構掘進時在住宅樓底換刀機率、減少停機換刀對穿越地層的擾動，在過各住宅樓前先選擇適當位置進行主動刀盤檢查更換。20#樓穿越距離長，距離下一換刀點約28環(huán)，巖面較高，大多在一隧道直徑一半以上，超出正常刀具壽命范圍，該地段使用全新進口優(yōu)質刀具。22#樓穿越段巖面較低，在隧道直徑半徑以下，距離下一換刀點長度約22環(huán)，因此邊緣刀具采用進口優(yōu)質

16、刀具，正面滾刀采用國產(chǎn)優(yōu)質刀具。另外，盾構掘進過程中加強渣土改良，防止結泥餅導致刀具偏磨。嚴格按照掘進參數(shù)，尤其扭矩和刀盤轉速不能過大，防止?jié)L刀刀圈斷裂或刀體變形。發(fā)現(xiàn)參數(shù)異常應及時分析原因，必要時開倉檢查，確保刀具完好。5.2.7 施工監(jiān)測在原施工監(jiān)測的基礎上對住宅樓監(jiān)測點進行加密，監(jiān)測點布置如圖7所示，盾構 圖7 房屋監(jiān)測點平面圖穿越時需24h進行監(jiān)測并及時發(fā)布，出現(xiàn)異常情況后進行加密至每天35次。5.2.8 主要應急準備工作盾構穿越住宅樓風險較大，必須做好足夠的應急準備工作。本段施工期間，成立了應急指揮小組，實時收集地面監(jiān)測數(shù)據(jù)和盾構掘進參數(shù)變化，當發(fā)生異常時及時進行控制，如進行洞內多次注漿、加大同步注漿量、進行地面跟蹤注漿、以及人員撤離等各項演練，確保人員、財產(chǎn)安全。6 施工體會?；蕝^(qū)間右線盾構穿越此段住宅樓共計用時20個天，其中組織帶壓換刀2次，共用時8天，盾構日平均掘進6環(huán)，實現(xiàn)了快速、平穩(wěn)穿越該住宅樓，達到了預期施工強度目標，盾構穿越期地面沉降量最大值僅9mm，未對建筑物造成任何影響，沒有發(fā)生安全事故?？偨Y深圳地鐵7號線復雜地層中盾構穿越建筑物的成功經(jīng)驗，主要有以下幾個方面：（1）盾構施工前，做好現(xiàn)場環(huán)境調查和地質補勘工作，詳細掌握地質條件和建筑物狀況，編制詳細的施工專項方案，采取有效的地面加固、換刀點布置等前期準備工作是成功穿越的前提。（