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1、复杂地层中盾构穿越高层住宅楼关键施工技术王少鹏 冯宏朝摘 要 近年来，随着我国城市化建设的快速发展，城市地铁工程建设快速发展，受地铁车站选择的控制，盾构隧道线路下穿既有建筑物成为一种新的常态。在工程地质条件恶劣或建筑物结构不能采取下穿方式施工时，通常采用人员临迁或建筑物拆迁来降低施工风险。本文依托深圳地铁七号线（福民站皇岗口岸区间右线）在软硬相间复杂地层采取盾构穿越8层住宅楼的施工，详细介绍了盾构施工过程中采取的各项技术措施，并成功安全穿越住宅楼，为类似工程施工提供借鉴经验。关键词 复杂地层 盾构住宅楼 施工技术 1 工程简况深圳地铁7号线7304-1标福民站至皇岗口岸站区间位于深圳市福田区，
2、区间左线全长675.684m,右线全长672.305m。区间在右线DK18+678.0DK18+788.0和左线DK18+710.0DK18+770.0段下穿福民新村20#、21#、22#和23#住宅楼，其中右线下穿20#、22#，侧穿21#、23#住宅楼，左线下穿21#、22#，侧穿20#住宅楼，福民新村 图1 房屋与隧道平面位置布置图4栋房屋与隧道平面位置如图1，区间隧道埋深在19.823.6m之间，穿越建筑物段线路平面最小曲线半径为400m，坡度为24.36，采用复合式土压平衡盾构机进行施工。房屋基础均为打入式灌注桩，桩长16m，桩尖位于圆砾土层，单桩容许承载力60t，桩径480mm，桩
3、顶插筋614，深入桩内长度11500mm，外露长度560mm，与桩顶承台连接。福民新村20#房屋与隧道位置剖面图见图2。2 工程地质与水文区间范围内上覆第四系人工堆积层 图2 福民新村20#房屋与隧道位置剖面图（Q4ml）、海积层（Q4m）、冲洪积层（Q4al+pl及Q3 al+pl）、残积层（Qel），下伏燕山期花岗岩（53）。该工程段盾构掘进掌子面地层主要为微风化花岗岩、强风化花岗岩、砾砂、砾质粘性土，隧道以上覆土层自上至下依次为5.106.25m素填土；3.205.30m淤泥质黏土；3.204.30m中砂层；2.407.20m砾砂层。穿越地层的岩石特性如下：素填土：褐黄、褐红、青灰等色，
4、稍湿，松散稍密。主要成份为黏性土，混砂砾，局部夹碎块石，碎石粒径2100mm。淤泥质粘土：灰黑、深灰色，饱和，流塑，味臭，主要成分为黏性土，含少量贝壳、细砂及有机质。中砂：灰白、深灰色，饱和，松散状态，级配不良，主要成分为石英，含少量有机质。淤泥质黏土：深灰、灰黑色，饱和，软塑，含腐殖质，局部夹有腐木及植物根系，具异味，易污手及黏手。砾砂：浅灰、灰白色，饱和，稍密中密状态，级配良好，主要成分为石英，局部含黏性土。砾质黏性土：褐红、褐黄、灰白色，可塑硬塑。由粗粒花岗岩风化残积形成。强风化花岗岩：褐黄、褐红色，岩体呈砂土状，局部呈砂土状夹块状，碎块手可掰断。中等风化花岗岩：浅肉红、灰白等色，岩体呈
5、碎块块状，节理裂隙发育。岩芯较破碎，岩石质量等级为级。根据临时场地试验资料，岩石饱和单轴抗压强度最小值为7.1MPa，最大值为65MPa，平均值为27.3 MPa。微风化花岗岩：浅肉红、灰白等色，岩体呈碎块、块状、巨块状，节理裂隙发育。岩芯较破碎，岩石质量等级为级。岩石饱和单轴抗压强度最小值为22.4MPa，最大值为140 MPa，平均值为68.3 MPa。深圳市气候属亚热带季风气候，热量丰富，日照时间长，雨量充沛。地下水含量丰富，按赋存条件主要为孔隙水及基岩裂隙水。地下水位位于隧道以上19.121.30m处。3 施工重难点分析3.1 控制沉降，确保建筑物安全是重中之重住宅楼为八层框架结构，建
6、筑物荷载较大，沉降变形控制尤为重要。在盾构下穿过程中，势必引起对隧道上部富水粗砂层和砾石层的扰动、水位下降，地表出现不均匀沉降现象，将进一步加剧桩基及上部结构的沉降或引起上部建筑物结构损坏。3.2 确定适当掘进参数，关系到施工成本与效益线路穿越福民新村房屋洞身地层自上而下主要为粗砂和砾石（厚13m不等）、强风化花岗岩（厚04m不等）、中风化花岗岩和微风化花岗岩（厚04m不等），属于上软下硬复合地层，且桩基距离隧道上部距离较近，盾构掘进过程中将加剧刀具磨损，缩短刀具使用寿命。合理设定盾构掘进参数，保护好刀盘、刀具，防止发生非正常磨损具有十分重要的意义。3.3 预防产生泥饼现象是施工控制的关键盾构
7、机穿越福民新村八层住宅楼时，须在（510mm）粗砂、（512mm）砾石、（8mm）强微风化地层中掘进，该地层遇水崩解后粘性大，刀盘、土仓容易产生泥饼现象，从而导致无法掘进，需开仓处理。开仓期间容易引起地层失水、沉降，甚至造成楼房裂缝、地表沉降加大。因此，盾构掘进预防泥饼现象是本工程的重点。3.4 出土量与注浆量控制直接关系到结构及地面沉降盾构穿越建筑物时，出土量控制非常重要，尤其在上软下硬地层中，因上部土层较软、砂土流动性高，极易发生坍塌、涌土入仓，造成出土量超标，引起地面沉降。管片壁后注浆可有效填充盾构机开挖后土体与管片之间建筑间隙，减小地面沉降。及时、有效完成注浆，并充填饱满是关键。3.5
8、 施工监控意义重大施工监测是观察结构及地表沉降的眼睛，盾构机下穿前后加强施工监测，及时掌控建筑物的变化情况，便于及时有效采取措施。4 盾构施工前采取的主要技术措施4.1 对隧道范围内圆砺层、砂层进行深孔注浆加固对20#、22#楼之间右线顶部圆砺层、砂层进行加固，加固长度15m，加固宽度9m，隧道两侧各3m，洞顶3m，入岩深度1.5m。孔排距1.01.0m，梅花型交错布置。注浆压力0.51.2MPa。注浆材料采 图3 房屋外深孔注浆平面图用水泥-水玻璃双液浆。具体布置见图3。4.2 浅层房屋基础加固根据现场情况，结合房屋周边管线、占地协调实际情况，对隧道左、右线影响范围具备加固条件的房屋，从外墙
9、1.5m2m范围内采用503.5m袖阀管注浆加固，下穿过程中，根据监测数据情况，及时进行跟踪注浆，减少盾构施工对建筑物的影响。具体布置见图4。图4 房屋基础浅层加固平面图 图5 换刀点布置平面图4.3 主动换刀根据详勘和补堪地质资料，区间建筑物地质条件复杂，上软下硬，为保证安全下穿，在进入20#楼前范围145环、158160环分别进行带压检查主动换刀和设备检查维修，同时，在右线福明新村20#、22#楼之间190193环设换刀点，并提前完成加固，为下穿22#楼进行第二次换刀。为防止砂层加固效果不佳，引起地表沉降和构筑物变形，采取带压检查换刀。完成22#楼穿越后到达接收井前，进行一次带压检查换刀，
10、计划为220环处，确保盾构机顺利进入接收井。具体布置见图5。4.4 设备维护与保养盾构穿越住宅楼前，利用停机换刀时间，加强对盾构机、门机、拌合站、电瓶车、冷却塔等主要施工设备进行检修保养，备足备用件，确保盾构均匀、快速穿越住宅楼，避免不必要的故障停机。5 盾构掘进施工主要施工方法5.1 施工流程根据住宅楼区域地质条件及本工程盾构施工特点，施工工艺流程如图6所示：可行盾构设备检修监测布点初始数据采集盾构姿态调整盾构穿越掘进施工监测结束物资应急跟踪监测继续掘进不可行启动应急预案或备选方案施工监测图6 盾构穿越福民新村住宅楼段施工流程图5.2 掘进关键技术控制5.2.1 盾构姿态调整在盾构掘进至距建
11、筑物50m前，严格控制、调整盾构姿态，对地下导线控制点进行严密复测；在盾构掘进至距建筑物10m处，对盾构姿态和地下导线控制点再次进行严密复测，严格平差。对盾构机MVT导向系统数据重新进行校核，以确保盾构机按隧道设计轴线方向顺利掘进。5.2.2 采取土压平衡模式施工5.2.2.1 土仓压力的确定盾构穿越建筑物段隧道埋深最大22.5m，根据朗肯定律进行计算，考虑建筑物安全系数增加0.2bar土压力，盾构下穿建筑物时土仓压力设定为2.22.4bar。5.2.2.2 土仓压力和出渣量的控制在采取土压平衡模式掘进时，必须密切关注土仓压力的变化，主要通过严格控制掘进速度与出土量关系，使进入土仓土量与出土量
12、之间达到一种动态平衡，从而保持土仓压力与掌子面之间处于平衡状态，保证掌子面的稳定。因此在掘进时，盾构司机必须密切关注土仓压力的变化，当实际土仓压力与设定理论压力不平衡时，及时调整螺旋机排土量或泡沫发泡率，使切削进入土仓土量与出土量之间达到一种动态平衡。掘进时每环出渣量严格控制在602m3，防止因超排土导致地层失稳造成沉降。5.2.2.3 停机土仓压力控制为保持土仓压力，停机时主要采用土仓堆积土和适当加注膨润土泥浆进行保压，使土仓压力不得小于最小设定压力值。5.2.3 推力、刀盘转速及掘进速度控制为最大程度降低下穿福民新村施工对周边土层的扰动以及控制施工震动，盾构机到达福民新村八层住宅楼桩基前，
13、根据实际施工情况调整推力和推进速度，减小刀具贯入度，控制出土量并时刻监视土仓压力值，避免较大的地表隆陷。到达桩基础前1环，进一步调整盾构掘进推力，下穿时掘进推力控制在15002000t、刀盘转速1.21.6r/min、贯入度510mm，掘进速度控制在620mm/min。下穿阶段密切关注盾构各系统参数使盾构快速平稳通过建筑物。5.2.4 预防结泥饼措施盾构机穿越5号粗砂砾石、8号全微风化花岗岩软硬不均地层，该地层粘性较强。采用土压平衡模式掘进容易产生泥饼，从而导致刀具非正常磨损，降低刀具破岩效率甚至无法掘进。在施工过程中严密监视渣土的成分变化，预判前方地层情况，及时调整掘进参数，同时关注渣土流塑
14、状态和渣温变化，防止渣土过干（塌落度2025cm为宜）、渣温过高（不大于38）形成泥饼。如出现结泥饼现象，可加大舱壁加水或泡沫用量，使仓内渣土符合要求后方可掘进。5.2.5 同步注浆与二次注浆在盾构掘进时，严格按照“不注浆、不掘进”的原则进行控制同步注浆，及时对管片壁后空隙填充饱满，减少土层沉降。注浆材料：选用可硬性混合浆液，浆液凝固时间不大于10h，28天抗压强度不小于2.5MPa。注浆压力：注浆压力达到土仓设定压力的1.52倍，即3.55bar。注浆量：每环同步注浆量为理论注浆量的150200， Q=6.5m38.7m3。为保证注浆质量，同步注浆量控制在8.5m3以上。二次注浆在盾尾脱出盾
15、构机5环及时进行二次注浆，二次注浆压力一般为0.50.8MPa，宜采用水泥-水玻璃双液浆，及时填充同步注浆由于凝固收缩或注浆不饱满时造成的空隙，有效控制地面沉降。5.2.6 刀具配置与维护盾构施工段地层复杂，刀具磨损较大，为减小盾构掘进时在住宅楼底换刀机率、减少停机换刀对穿越地层的扰动，在过各住宅楼前先选择适当位置进行主动刀盘检查更换。20#楼穿越距离长，距离下一换刀点约28环，岩面较高，大多在一隧道直径一半以上，超出正常刀具寿命范围，该地段使用全新进口优质刀具。22#楼穿越段岩面较低，在隧道直径半径以下，距离下一换刀点长度约22环，因此边缘刀具采用进口优质刀具，正面滚刀采用国产优质刀具。另外
16、，盾构掘进过程中加强渣土改良，防止结泥饼导致刀具偏磨。严格按照掘进参数，尤其扭矩和刀盘转速不能过大，防止滚刀刀圈断裂或刀体变形。发现参数异常应及时分析原因，必要时开仓检查，确保刀具完好。5.2.7 施工监测在原施工监测的基础上对住宅楼监测点进行加密，监测点布置如图7所示，盾构 图7 房屋监测点平面图穿越时需24h进行监测并及时发布，出现异常情况后进行加密至每天35次。5.2.8 主要应急准备工作盾构穿越住宅楼风险较大，必须做好足够的应急准备工作。本段施工期间，成立了应急指挥小组，实时收集地面监测数据和盾构掘进参数变化，当发生异常时及时进行控制，如进行洞内多次注浆、加大同步注浆量、进行地面跟踪注
17、浆、以及人员撤离等各项演练，确保人员、财产安全。6 施工体会福皇区间右线盾构穿越此段住宅楼共计用时20个天，其中组织带压换刀2次，共用时8天，盾构日平均掘进6环，实现了快速、平稳穿越该住宅楼，达到了预期施工强度目标，盾构穿越期地面沉降量最大值仅9mm，未对建筑物造成任何影响，没有发生安全事故。总结深圳地铁7号线复杂地层中盾构穿越建筑物的成功经验，主要有以下几个方面：（1）盾构施工前，做好现场环境调查和地质补勘工作，详细掌握地质条件和建筑物状况，编制详细的施工专项方案，采取有效的地面加固、换刀点布置等前期准备工作是成功穿越的前提。（2）组织专业设备管理队伍，做好盾构施工各类设备的维护保养工作，配备足够的刀具、备用件等物资，减少和避免施工期故障，确保施工连续性是成功穿越的关键。（3）盾构掘进施工参数选择与控制至关重要，严格按照方案要求进行施工，发现异常及时采取措施进行处理，杜绝盲目施工是成功穿越的基础。（4）准确进行地面沉降监测，技术人员根据数据变化及时、准确、快速分析，制定洞内同步注浆、二次注浆、地面注浆等措施，对确保穿越建筑物安全，起到了保驾护航的作用。（5）做好现场各项安全应急准备工作，保证在重大风险工程施工期间万无一失，使风险管控得心应手,临危不乱。