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孤石发育地层盾构下穿房屋关键技术研究

引言
由于城市地下铁道建设通常在繁华的一、二线城市，地铁下穿地表建构筑物的现象十分普遍。在老城区长时间使用的建筑物多为砌体结构，地基承受变形能力差，在地层受扰动情况下容易产生不均匀沉降，轻则结构开裂，重则坍塌。例如某市 4 号线盾构区间在下穿房屋期间，因施工引起地面沉降过大，导致 1 栋 8 层房屋坍塌及多处建筑物不均匀沉降；东莞市西平~哈地站地铁区间因掘进控制不佳，出现螺旋机喷涌、地面塌陷等不良现象。
尽管盾构下穿房屋存在诸多施工风险，目前关于盾构掘进施工对地表建筑物的影响及沉降控制方面已经取得丰硕的成果。例如张团结、汪远平通过控制盾构掘进参数、二次注浆及盾构姿态，使盾构连续均匀掘进下穿房屋段，有效控制房屋沉降；陈浩以北京轨道交通工程 8 号线盾构下穿老旧平房为例，通过改造盾构机机身结构及调整掘进参数，加强对掘进过程盾构影响范围的建筑物管控及监测，使得盾构在长距离房屋群中顺利穿越。
迄今为止研究成果多偏重于一般地层盾构掘进对地表沉降影响分析及变形控制，针对孤石发育地层盾构下穿房屋引起的沉降变形控制及施工工艺方面分析和研究却不常见。在孤石发育地层中，盾构机掘进过程容易产生推力、扭矩波动、刀盘破损、盾构姿态控制不佳、地表变形过大等施工风险。如何在孤石发育地层顺利下穿建筑物群，有效控制地表变形是盾构掘进施工的难点及风险控制点，亦是一个值得深入研究的课题。本文以广州轨道交通工程二十一号线镇龙南站~镇龙站区间左线在孤石发育地层下穿房屋建筑群为工程依托，研究控制盾构掘进及房屋变形控制关键技术。
1工程概况
1.1 隧道基础概况及工程地质条件
广州轨道交通工程二十一号线镇龙南站~镇龙站区间采用土压平衡模式盾构机掘进，区间线路出镇龙南站后，沿着广汕公路由西往东前行进入镇龙站。右线区间全长 1837.850m（起迄里程为 YDK34+513.950 ～YDK36 +351.800）。
左线区间全长1689.109m （起迄里程为 ZDK34+650.248 ～ZDK36+351.800，短链 12.443）。区间最大纵坡为 29‰，最小纵坡为 8.842‰，隧道埋深约 10~18m。左线区间在里程 ZDK34 +768.448 ~ZDK34 +984.768 下穿多栋建筑物，下穿房屋段长达 217m，覆土厚度约 16m，相对应隧道坡度为 25.8‰，详见图 1。根据详勘报告及微动探测，区间穿越房屋段地层主要为可塑花岗残积土及全风化花岗岩，隧道范围可能存在大量花岗岩风化球，隧道上方地层为素填土、可塑粉质粘土及中粗砂层，详细地质情况见图 2。

1.2 地表房屋情况
镇镇区间左线地表房屋多为 2~5 层砖混结构建筑，基础形式为条形基础，基础宽度约为 0.5m。房屋距离隧道顶部约为 15~17m。房屋群多为使用时间超过 10 年的民宅，仅存在少部分的新建房屋，整体受力性能一般，房屋地基均为欠压实的杂填土。
1.3施工风险
下穿房屋段隧道范围地层主要为花岗岩残积土及全风化花岗岩，中间夹杂着孤石。孤石强度大，单轴抗压强度达到 100MPa，且分布离散性高，盾构在施工过程掘进参数容易发生突变，引起地表建筑物不均匀沉降。同时房屋多为有一定使用年限的砖混结构建筑，自身结构刚度小，基础抵御变形能力差。盾构下穿房屋掘进参数控制不佳可能会造成房屋不均匀沉降，自身结构出现裂缝损伤甚至坍塌。
2袖阀管地表注浆预加固技术
根据图 2 可知，隧道顶部房屋基础以下土层分别为素填土、可塑粉质粘土及中粗砂层，其中人工填土与中粗砂层孔隙率高，灵敏度高，骨架松散容易坍塌。隧道开挖引起的应力释放必然对上方覆土造成扰动。为了减轻建筑不均匀沉降，避免房屋出现结构损伤及破坏，需对房屋进行注浆加固。
2.1袖阀管预注浆工艺
注浆加固效果直接关系到地表建筑物的安全，设计合理的地面预注浆加固工艺是控制房屋沉降的关键。袖阀管注浆加固是利用地质钻探机在房屋四周打入一定角度的斜孔，并且预埋袖阀管进行灌浆，对填土层及富水中粗砂层进行注浆加固，并在盾构下穿房屋期间结合房屋沉降监测数据及时跟踪补浆。
袖阀管为直径 f 45 的 PVC管，在距离房屋 5m 的位置形成双排梅花状布置，间距为 1.2m。其中第 1 排注浆管与地面成 25°角，第 2 排成 30°角，见图 3；房屋预加固主要针对隧道顶部〈3-2〉富水中粗砂层进行注浆，而粉质粘土层及素填土层则需要根据注浆压力及浆液扩散情况适当补浆。注浆压力应控制在 0.4~0.6MPa，注浆过程应逐步提升压力，结合监测数据密切观察房屋变形情况，当地面隆起位移过大时需立刻停止注浆。

2.1 材料配合比优化
根据以往施工经验，设计单位建议采用普通水泥单液浆进行地基加固，如发现地下有水流通道，孔内漏浆严重时，可掺入适量的水玻璃作为速凝剂。
水泥浆与水玻璃体积比 C∶S=1：（0.5～1），其中：水玻璃：浓度为 45Be′，模数 n=2.4～2.8。但普通的水泥单液浆及水玻璃双液浆可能难以满足富水中粗砂层加固需求，项目在原定参数上添加抗分散型外加剂，以加强浆液的稳定性，并采取不同水灰比浆液进行强度试验。试验方案如下：V 水玻璃∶V 水=1∶2；V 水玻璃∶V 水泥液=1；注浆压力控制在 1MPa 以内，稳压0.4~0.6MPa；注浆速度 30~50L min；水玻璃模数取2.8；水灰比分别取：0.5∶1、0.6∶1、0.7∶1、0.8∶1、0.9∶1、1∶1。
试验发现水灰比在 0.5~0.7 之间时，浆液过于粘稠，注浆压力提升至 2~3MPa 的时候也难以注入地层；水灰比=0.8~0.9 时，加固体成型较好，质量能满足设计要求；水灰比=1 时，加固体成型质量较差，难以满足设计要求。本项目取 0.8 为最优水灰比。如图 4 所示。

3掘进参数优化
盾构机作为一种庞大的集成机械设备，掘进施工是一个异常复杂、各配件参数相互影响、相互关联的运作过程。为了确保盾构顺利下穿房屋，提高掘进效率，保证施工安全，盾构机推力、刀盘转速、土仓压力、贯入度等掘进参数需要相互匹配，以达到最优掘进效果。
3.1掘进参数研究分析
为了全面了解盾构在花岗岩地层掘进规律，结合地面监测数据反馈，对盾构下穿房屋掘进参数与地面沉降相互影响效应进行总结分析。本次以镇龙南站~镇龙站区间 219~279 环下穿房屋段为研究对象，主要地层为硬塑花岗岩残积土及全风化花岗岩层，内部可能夹杂未探测孤石，非常具有代表性。地表监测数据是盾构掘进参数对地表及建筑物的影响最直观的反映。掘进期间，项目部对前方距盾构切口 20m、后方离盾尾 30m、线路中心 50m 范围内进行重点监测。由于 219~279 环下穿房屋达数 10 栋，为了更加直观反映盾构掘进对地表房屋的影响，本文选取 74^# 房屋沉降监测点及隧道中心地表沉降监测点 Z47 累计沉降变化进行研究，如图 5 所示。盾构下穿房屋期间推力与扭矩变化如图 6~7 所示。盾构下穿房屋期间隧道范围主要为硬塑花岗岩残积土及全风化花岗岩，隧道坡度平缓，土仓压力一直维持在 220~250kPa 之间, 掘进速度约为 3cm min，没出现较大的波动，该参数变化情况不作为研究重点。
从 74^# 房屋及地表监测点 Z47 沉降变化情况图可以看出，监测点 FW74-1、FW74-2 及 Z47 沉降呈现一定的规律性，而 FW74-3 距离盾构边线约 20m，受到掘进影响相对较少，沉降变化不大。盾构机达到房屋前沉降较为平缓，当刀盘接近监测点的时候由于挤土效应，地表有微量的隆起，穿越过程盾体与地表之间的间隙使得房屋逐步下沉。刀盘在掘进254 环、262 环遭遇孤石，推力及刀盘扭矩均产生较大的跳动，变化量高达 40%，房屋监测点 FW74-1、 FW74-2 沉降量急速上升，说明刀盘破碎孤石时由于地层软硬不均，对地层造成较大的扰动。后期由于对管片进行二次补浆，房屋发生轻微的上浮，最终沉降量趋于稳定。

3.2孤石地层盾构掘进建议
通过对孤石发育地层盾构下穿房屋掘进参数及地表沉降变化规律的研究，孤石是影响地面及建筑物沉降最大风险源，盾构机遭遇孤石掘进参数容易产生跳动，难以稳定，且孤石通过刀盘带动加剧对周边环境的扰动，可能造成地表、建筑物不均匀沉降及盾构姿态控制不佳。针对孤石地层，项目部在盾构掘进施工中优化以下掘进参数。
⑴ 土仓压力
盾构掘进过程中严格控制土仓压力，避免仓压波动，将理论土仓压力结合地表监测数据进行调整。当遇孤石或者软硬不均地层时，应以控制地层定为前提，通过控制刀盘转速、贯入度及螺旋机输送速度稳定仓压。由于下穿房屋段多为花岗岩残积土应对土仓土体进行改良，防止螺旋机喷涌及糊刀盘，维持仓压稳定。
⑵ 掘进速度
对于土压平衡盾构机，掘进速度与土仓压力是相互影响的两个参数，合理稳定的掘进速度是维持掌子面平衡的前提。在盾构下穿房屋期间，应根据隧道地层信息设定合理掘进参数，力求平稳穿越。掘进速度过慢会增加刀盘对地层扰动时间，地面沉降增大，掘进速度过快则需要加大盾构机负荷，并可能造成超挖，不利地表及建筑物沉降的控制。根据项目部在孤石发育地层的施工经验，掘进速度控制在 25~45mm min 较为适宜。
⑶ 壁后注浆控制
由于管片与周边土体存在约 10cm 间隙，可能引起地表不均匀沉降。盾构机在掘进过程中应做好同步注浆及二次补浆工作。同步注浆应随盾构掘进过程均匀注入盾尾，而每隔五环进行二次补浆。考虑到下穿房屋段多为花岗岩残积土，孔隙率较大，同步注浆量需达到理论计算量的 150%~180%，即每环6.0~7.3m³ 左右，同时应根据地表沉降变化进行二次补浆。
⑷ 姿态控制
盾构下穿房屋期间应该避免猛纠偏、蛇形顶进，加大纠偏频率，降低纠偏量，水平姿态控制在±30mm，垂直姿态控制在 0~-30mm 为宜。
⑸ 遭遇孤石掘进控制当盾构机下穿房屋期间遭遇孤石时，应降低刀盘转速及掘进速度，以便平稳通过孤石区，当刀盘扭矩大于 3000kN·m 时，且转速难以调整时，应采取停机保压措施，开仓处理孤石。
3.3 掘进效果
盾构下穿房屋阶段，孤石直径多为 0.8~1.5m，结合地表监测数据反馈优化掘进参数，采用直接掘进方式破除孤石，顺利下穿房屋群。地表最大变形量 18.74mm，房屋最大沉降量为 22.6mm，有效控制施工风险，节省大量资金成本，获得业主一致好评。
4 结论与建议
建设方通过地面袖阀管注浆加固、结合地表监测数据优化掘进参数，成功攻克广州二十一号线镇龙南~镇龙站左线区间孤石发育地层下穿房屋群的技术难题，有效控制地表及建筑群变形，盾构施工过程未发生一起安全质量事故。该区间在确保地表建筑安全的前提下顺利通过孤石发育地段，为今后相类似的项目积累宝贵的施工经验，主要得出以下几点结论：
⑴ 民房对地表沉降较为敏感，房屋预注浆加固是控制建筑物不均匀沉降的前提。袖阀管注浆加固在富水砂层及花岗岩残积土地层拥有良好的应用效果，采用 0.8 的水灰比及 1~1.5m 的钻孔间距能满足施工要求。
⑵ 盾构下穿房屋期间应结合地表监测数据反馈，优化调整掘进参数，协调土仓压力、掘进速度、刀盘扭矩等施工参数，降低参数波动，避免加剧地层扰动，保证匀速平顺通过孤石发育地段。
⑶ 盾构下穿房屋前应该调整姿态，掘进过程避免猛纠偏，降低纠偏量，同时需做好同步注浆工作，注浆量应为理论计算量的 130%~180%，且每环不少于 6m³，结合地面监测数据及时跟进二次补浆。

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