浅谈盾构下穿建筑物掘进参数控制
Abstract： Combined with the engineering example of shield machine 5106 of Chongqing Subway Line 5 underpass Chongqing Line 1 and other buildings， this paper studies and analyzes the influence mechanism of the underpassing construction of shield tunnel on the city buildings， puts forward the corresponding tunneling parameters of the underpassing construction of shield machine and the thecnology measures of controlling stratum settlement.
Key words： shield tunnel；underpassing construction；ground deformation；tunneling parameters；control measures
中图分类号：U455.43 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）08-0107-04
0 引言
盾构法作为地下空间拓展的一种工法，具有施工占地小、对周边环境影响小、施工环境好、机械化程度高、开挖速度快、安全性高、成型隧道质量高等特点。然而，由于盾构机所穿越地层具有不可预见性和复杂多变等特点，施工中往往存在着许多不可预见的风险，特别是在不良地质条件下穿越建筑物时，施工风险极大，可能会造成对建筑物的损坏和破坏，造成重大财产损失或人员伤亡事故。所以，在盾构下穿建筑物施工中一定要严格把关，控制好一切不利因素。 本文将从盾构法施工对周边建筑物的影响机理出发，依托重庆地铁5106标歇石区间施工，尤其是盾构下穿一号线工程实例，详细介绍盾构下穿建筑物的掘进参数控制。
1 建筑物变形控制基准值
盾构施工隧道通过的地层是复杂多变的，在一定范围内会引起土体的位移和变形，在影响范围内的地表建筑物，由于地基土体的变形会导致其外力条件和支承状态发生变化，可能会造成既有建筑物发生沉降、倾斜和断面变形等情况，如果不严加控制，就可能出现严重的后果。
为了使下穿建筑物的隧道质量得到保证，以及邻近建筑物的结构安全，国家和一些地区根据表1所示的岩土参数，制定了合适的变形控制基准值。通常地表沉降控制基准值应综合考虑地表邻近建筑物、地下管道及地层结构和结构稳定性因素，分别确定其地表沉降允许值，并取其中最小值作为控制基准值。
盾构隧道邻近施工时，应以不造成原有构筑物的不良影响为前提，能定量表示出不对建筑物造成伤害的影响值。
2 工程概况
2.1 区间概况
歇台子站～石桥铺站区间（以下简称歇～石区间）采用复合式TBM法施工，区间设计右线起讫里程为YCK28+264.960～YCK29+513.100，右线全长1248.140m；左线起讫里程ZCK28+264.960～ZCK29+513.100（其中ZCK28+300.000～ZCK28+400.000为长链，实际长度14.057m），线路实际总长1262.215m。全区段为双洞单线隧道，左右线并行，边线间距约9m，设计纵坡19‰～34.567‰，轨面标高283.788～320.188m，隧道拟采用单心圆截面，岩石全断面掘进法（复合式TBM隧道法）施工。
2.2 周边建筑物情况
本标段区间下穿既有一号线及地面周边建（构）筑物，做好地下及地面周边建（构）筑物的保护是本工程的重点，沿线主要建筑物见表2～表3。
2.3 管线情况
沿线区域主要分布的管线有污水管、上水管、煤气管、工业管线及通信管线等，埋深较浅均为1.5m～8.5m，区间隧道轨面埋深为13m～39.2m，对管线影响较小。
由于下穿建筑物施工比较多，主要以下穿运行的一号线为例来进行分析说明。
2.4 与即有一号线位置关系
重庆轨道交通五号线土建5106标项目部歇台子站～石桥铺站区间复合式TBM施工410～495环为下穿地铁一号线掘进，与一号线最小净距为2.062m（掘进环号为439环，拼装环号为435环，切口环里程为YDK28+860），属于重庆地铁首个特级风险源。按照图1所示的拼装435环刀盘与一号线的相对位置示意图，一号线矿山法隧道为马蹄形断面，按新奥法原理设计，采用复合式衬砌结构，钻爆法施工。隧道断面为11.08×8.358m，初支220mm，二衬450mm，目前已投入运营。该风险工程位于渝州路下方，为一号线歇台子站～石桥铺站区间隧道，下穿过程中一号线列车是载客行驶。
该段掘进过程中纵坡为34‰通过R=5000m竖曲线变为纵坡为19‰单面下坡；平面曲线为R=1500m半径曲线段（410～452环），缓直段（452～488环），直线段（488～495环）组成。
根据图2所示下穿段平面详勘图，区间隧道下穿一号线区段以中风化砂质泥岩为主，局部范围有中风化砂岩侵入，复合式TBM掘进风险大。为防止开挖拱顶下沉而引起既有线变形、开裂等安全问题，在复合式TBM通过前，对既有一号线内结构进行调查分析，以进一步了解该段隧道范围内部情况，同时在受影响的区段隔环预埋注浆管，当沉降变形超限时，及时组织补强注浆；在复合式TBM通过时，洞内加强掘进参数控制，主要是掘进速度、土仓压力和复合式TBM姿态控制，加强同步注浆和二次注浆，地层变形，确保复合式TBM快速、平稳通过该地段。加强监测和对既有线的观察，通过监测信息及时反馈，对各项施工参数进行调整，以减小既有结构的变形。 3 盾构掘进参数的确定及盾构施工过程
实际盾构隧道施工过程中，要求盾构在通过该特殊段时主要根据“匀速通过、严注浆、勤测量等”来控制建筑物的变形。
3.1 准备工作
①工前对沿线盾构施工影响范围内的建筑物进行全面调查，列出需重点保护的对象名称及反映其所处里程、地面位置、类型、结构等详细参数的清单，提前作出预案，准备相应材料设备。②根据地质勘察情况或盾构推进过程中的地质变化情况，对建筑物周边地质进行补充详细勘察，明确地形情况、基础土层结构、各土层土体性质、地下水情况等。③加强施工过程中建筑物和土体监测。按其沉降要求做全面的统计，计算出沉降预警值、允许最大沉降量和不均匀沉降要求，为以后施工提供指导。④将始发后的20环列为试验段，在试验段阶段，对盾构的各个工艺流程和施工参数，尤其是注浆工艺进行24h监控，做好过程记录，为盾构安全、顺利的下穿建筑物提供切实可行的技术参数和措施。⑤针对需要重点保护建（构）筑物，提前作出预案，并准备相应材料设备。
3.2 匀速通过
掘进施工中，地层的变形主要是隧道开挖所造成的，不同的地层和不同的掘进参数对地层的变形影响很大。工作人员需密切关注土舱出土情况，根据刀盘前的地层正确选择盾构机掘进参数，以“平稳、匀速推进、低扭矩、顶住正面、调整压力、封住盾尾”的技术内涵为基础，以“保头护尾”的技术为方针，控制好刀盘扭矩、推进速度、泡沫参数、渗入尺度、碴土情况等施工参数，尽量减少故障，避免发生意外造成停机。快速匀速通过邻近建筑物，可缩短围岩的暴露时间和变形。在掘进时，控制好土舱内的压力平衡，控制好出土量，防止超挖。圆形土压平衡盾构理论排土体积V 为：V=■？仔?d2?L?a=■×3.14*6.8852×1.5×1.8=100.4m3
式中：d为开挖直径，L 为推进长度，a为土的天然密实体积与虚方体积系数。
3.2.1 严注浆
由于刀盘直径比盾构直径大， 开挖出来的隧道与盾体或隧道衬砌之间形成一定量的空隙；而且由于盾壳与地层之间的摩擦阻力作用，必然会产生一个滑动面。临近滑动面的土层中会产生剪切应力，当盾构刚通过受剪切破坏的地层时，因受剪切而产生的拉应力导致土壤立刻向盾构后面的空隙移动；当管片脱出盾尾后，如不及时充填该空隙，就会被周围土体占领，最终形成较大的地面沉降。壁后注浆是对盾尾形成的施工空隙进行填充注浆，是控制地层沉降的一个重要环节之一。
严格控制同步注浆量和浆液质量，务必做到以下三点：
①保证每环要达到注浆总量。②保证盾构推进每箱土的过程中均匀合理地压注。③浆液的配合比必须符合标准，可以根据实际情况合理修改浆液配合比。
在硬土层中，如硬土泥板岩层中，没有大的裂缝，浆液不会流失到周围土体中去，所以在硬土层中浆液渗透量较软土层小；同时，硬土层的强度大，稳定性比软土层好。当管片脱离盾尾后，产生较大的建筑空隙，会造成管片上浮等多种问题。所以注浆时，应适当加大注浆量、降低注浆压力，因浆体中的胶凝材料可充分进行水化作用，提高浆体强度，有利于减小对地层的扰动、减小地层应力释放。如果压力过高，盾尾空隙填充完后，浆液会流向盾体、刀盘，严重时会裹往盾体、包裹刀盘刀具。
注浆量
q=■（D■■-D■■）ma=■（6.8852-6.62）÷1.5×1.8=6.8m3
其中，D1为开挖直径，D2为管片外径，m为管片长度，a为注入率。
3.2.2 勤测量
在隧道过建筑物时，地表沉降必须全线进行，并沿纵轴线每5 m 布置地表桩测点 ， 进行连续测量。对位于沉降槽影响范围的建筑物，作重点保护监测，加强监测力度。隧道内的盾构机要控制好姿态，盾构姿态变化不可过大、过频。根据盾构姿态合理使用仿形刀和千斤顶编组顶进，纠偏幅度不宜过大，尽量保持机体平稳推进，避免由于机体扰动周围土体和超挖引起地层损失，对地面沉降控制造成不利影响。
3.3 下穿段掘进参数
从表4中可以看出，将中部土压控制在0.1bar，推力控制在13000kN，刀盘扭矩在3200kN/m附近时，速度在30mm/min，也就是推进一环在60分钟以内，考虑到二次补浆的速度和准备工作，刚好能满足现场施工。
4 监控测量管理
4.1 测点埋设情况及监测项目
测点埋设情况：目前歇台子站～石桥铺站区间已埋设完成测点情况：既有一号线歇石区间隧道结构净空收敛测点215个，隧道结构拱顶下沉测点124个，轨道结构（道床）竖向位移215个，裂缝测点273个；5号线地表沉降监测点178个，拱顶测点59个，净空收敛测点11个，建筑物沉降5个，建筑物倾斜1个，管线沉降3个。
监测项目：地表沉降、隧道结构净空收敛、拱顶下沉、轨道结构（道床）竖向位移、建筑物沉降、建筑物倾斜、管线沉降。
监测频率及监测控制指标：详见表5。
4.2 施工监测结果
表6所示监测结果显示，截止2015年11月11日，巡视无异常、监测无异常。从2015年10月23日到11月5日，共14天的时间，经过精心策划和准备，下穿过程中全体员工的尽职工作，在沉降允许的范围内安全快速通过了一号线。
5 总结
歇台子站～石桥铺站区间盾构下穿施工的顺利实施，充分验证了本文盾构下穿施工参数监测控制方案的可行性。目前，地铁下穿既有建筑物的工程越来越多。在防止盾构推进过程中造成既有盾构施工区段内土体下沉危及地面建筑、行车和行人安全的同时，还要确保隧道在列车运行荷载作用下的结构稳定。盾构施工穿越建筑物等障碍物时，施工前首先要对既有建筑物调查，充分了解具体边界条件后再分析可能产生风险的原因，有针对性地制订相应的施工措施，并做好施工过程中的监测工作，依所测监测数据及时调整盾构参数。同时，针对穿越障碍的风险，制订相应的应急预案，以保证在出现意外情况时仍然可以按预案进行处理而不致于手足无措。
