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1、复杂地层条件下盾构始发下穿建筑物安全影响研究 高晨 海军北海工程设计院 摘 要： 通过沉降监测点对盾构始发过程中始发井周边地面及建筑物的沉降进行监测, 显示地层旋喷加固能有效控制复杂地层条件下盾构始发下穿建筑物的影响, 对类似工程具有指导意义。关键词： 复杂地层; 盾构始发; 下穿建筑; 地基加固; 收稿日期：2017-09-19Received： 2017-09-19前言随着城市轨道交通快速发展, 盾构隧道施工技术凭借自动化程度高、施工安全性好、环境扰动小等特点得到日益广泛的应用1-3。同时, 由于地层条件复杂以及建筑物沉降控制严格等因素, 对盾构施工技术提出了更高的要求4-6。盾构始发是指
2、盾构机从始发井初始进入开挖地层的施工阶段, 属于盾构施工过程中最重要的部分之一。盾构始发过程中常遇到由涌水突泥造成的地层损失过大以及由盾构机“磕头”效应造成地表沉降过大等问题, 将严重影响盾构工程顺利施工, 威胁地表建筑安全使用, 同时可能造成巨大的社会经济损失7-9。例如:上海地铁 1 号线盾构始发过程中曾因地层加固不足导致盾构涌水突泥;南京地铁 2 号线也曾发生过始发“磕头”造成盾构机掩埋等事故。目前, 针对盾构始发相关技术主要包括:旋喷加固、切削临时墙、双层钢板桩以及冻结加固等方法10-12。本研究结合工程地质条件及施工要求, 采用旋喷加固法, 应对复杂地层条件下盾构始发下穿建筑物造成的
3、施工难点, 为其他类似情况提供经验参考。1. 工程概况某盾构隧道工程全长 2.93 km, 盾构外径 8.83 m, 隧道拱顶埋深约为 10.5 m37.0 m。隧道所在地区属于冲击平原、剥蚀丘陵及丘间谷地, 地形略有起伏。盾构隧道沿线既有建筑物密集, 需下穿居民区、厂房、市政道路等。盾构始发井周围施工环境如图 1 所示。场区内电力电缆, 通信线缆、给排水水管、煤气管等地下管线较多, 且埋深不等。因此, 在盾构始发施工时对地表沉降控制提出了较高的要求。根据区域地质资料及既有勘察成果资料可知, 施工影响范围内的主要地层包括:第四系人工堆积层、第四系全新统冲积层、第四系坡残积层以及震旦系混合片麻岩
4、层。盾构始发井影响范围内的地层分布如图 2 所示。其中, 人工堆积层以人工填筑土为主, 土体较为松散且含水率较高, 压缩性能较好。第四系全新统冲积层中粉砂层及中砂层分布较为广泛, 淤泥质粘土和粉质黏土则以层状分布为主, 具有流变性及触变性。第四系坡残积层以粉质黏土为主, 可塑性较好, 压缩性中等。混合片麻岩层根据风化程度分为:全风化、强风化以及微风化三种。全风化混合片麻岩层顶埋深 3.8 m25.0 m。强风化混合片麻岩呈片麻状构造, 节理裂隙发育, 岩心成碎块状。微风化混合片麻岩层岩心成柱状及短柱状, 少量块状, 锤击声脆, 强度较高。始发井所在区域含水层主要分布于第四系人工堆积层素填土、第
5、四系全新统冲积淤泥质黏土及砂层中。砂层中的孔隙水由于上部被人工填土和冲积淤泥质黏土所覆盖, 一般具微承压性。图 1 盾构始发井周边建筑物分布 下载原图图 2 盾构始发井地层分布 下载原图2. 施工难点由于场地内水文地质条件较为复杂, 且盾构隧道工程对沉降控制要求较高, 因此在进行盾构始发施工时存在以下难点:(1) 由于始发井周围存在不良地质条件, 可能造成盾构始发过程中遇到涌水突泥等工程地质灾害。根据水文地质勘察, 不良地质条件主要有扰动后易变形的软弱地层和承压富水砂层两种。盾构始发施工时, 由于盾构机直径较大, 在开挖过程中势必对地层造成较大扰动。当盾构始发后进入富水砂层时, 充沛的承压地下
6、水将大量涌入盾构机造成涌水事故。同时, 剧烈的地下水冲刷也将夹带大量泥沙, 造成地层的侵蚀, 如图 3 所示。图 3 施工扰动造成涌水突泥 下载原图(2) 由于盾构机自重大, 当盾构始发遇到软弱地层时容易发生“磕头”现象, 从而导致地层发生较大变形。场地内的淤泥层塑性较低且富含有机质, 由于孔隙比较大具有高压缩性, 在扰动作用下容易发生较大变形, 属于承载力较低的软弱地基土。盾构始发的“磕头”现象, 容易导致地面沉降, 从而影响地面建筑的安全使用。此外由于软弱地层作为富水砂层的隔水层存在, 当软弱地层发生较大变形时容易造成富水砂层与盾构开挖面的连通, 从而加大发生涌水突泥的风险, 如图 4 所
7、示。图 4 盾构“磕头”引起地层变形 下载原图3. 施工技术方案(1) 施工要点为确保复杂地层条件下盾构始发施工的顺利完成, 防止在盾构出洞始发完全进入地层之前与防止盾构进洞到达完全脱出地层后其端头井塌方以及涌水突泥的出现, 提出以下应对措施:1) 针对开挖地层强度较低的现象, 采用盾构机凿除洞门技术。在盾构始发先进行洞门密封, 再将盾构机抵靠掌子面, 利用刀盘切割破除洞门, 从而避免掌子面暴露太久发生失稳坍塌。洞门密封过程中应先将围护结构破除, 割掉盾构机通过范围内的钢筋, 使盾构机顺利进入地层。盾构向洞门土体逐渐靠拢过程中, 使盾构机头部快速切入土体, 使得经刀盘旋转切削下的土体能迅速充满
8、盾构机土仓, 开始建立正面土压力以平衡盾构正面土压, 确保土体的位移量降至最小值。2) 针对富水砂层可能造成的开挖面突涌水以及盾构机“磕头”造成的地面沉降, 应在盾构始发前对始发井周边地层进行旋喷加固。旋喷桩分布如图 5 所示。洞口前部施做 3 排旋喷桩, 形成一个整体加固体, 旋喷深度为刀盘顶上 10 m 至刀盘底部, 实桩长为 18.9 m, 总计施做 103 根。在加固区内推进时, 采用快速通过原则。同时应在始发前做好盾构机姿态调整工作, 避免在盾构机刚进入地面后就进行姿态调整, 防止出现不可纠正的偏移, 降低发生“磕头”现象的风险。3) 由于盾构机始发后立即需要下穿既有建筑物, 在盾构
9、机通过加固体后, 应降低推力和掘进速度, 严格控制切削土量, 减少掘进过程中周围土体的扰动, 从而减少对地表建筑物等的影响。严格控制好管片背衬注浆, 以减少后期沉降。在局部涌水量的地段, 采用分段注入活性浆液止水, 同时调整同步注浆的浆液配合比, 使用凝胶时间较短的浆液, 严格控制注浆程序, 确保注浆效果。此外, 盾构姿态变化不可过大、过频、不急纠、不猛纠, 以减少盾构施工对地面的影响。图 5 始发井周边土体旋喷加固 下载原图(2) 施工流程复杂地层盾构始发技术主要分为两部分, 包括始发前地层加固处理以及始发后盾构掘进控制。根据始发洞口周边地层分布特点, 确定地层加固方法以及加固范围。随后破除
10、洞口基坑围护, 并进行洞口人工封堵防止出现土体失稳。待加固效果达到要求后, 进行盾构机安装及始发操作。始发过程中严格控制盾构掘进参数, 谨慎调节盾构姿态。同时对地面建筑进行监测, 防止由于地面沉降对建筑物的安全使用造成影响。(3) 施工效果为确保地面沉降在盾构始发施工过程中满足设计要求, 本工程对地面建筑进行严密的沉降监测, 监测点分布如图 1 所示。从盾构始发开始至盾构机盾尾通过建筑物, 期间监测得到的沉降数据如图 6 所示。图中, 当盾构机进入地层后, 由于前期切削下的土体需填充土仓从而形成平衡土压力, 但由于旋喷加固使得地层强度大大增强, 土层的损失并未造成显著的地面沉降。当盾构机靠近建
11、筑物时, 由于地层扰动等因素, 建筑物出现轻微沉降。但由于此时盾构掘进较为谨慎, 掘进速度较慢, 因此地面及建筑物的沉降均处于可控状态。图 6 地面及建筑物沉降监测数据 下载原图4. 结束语本文针对复杂地层条件, 分析盾构始发过程中可能遇到的涌水突泥以及地面沉降问题, 针对盾构始发后近距离下穿建筑物的情况提出利用注浆加固的方法来控制地面沉降风险, 根据实际监测数据证明效果显著。具体结论如下:(1) 复杂地层使得盾构始发施工中易发生工程地质灾害。盾构始发进入富水砂层使得发生地下水渗流的风险增加, 渗流侵蚀不利于开挖面止水更可能引发地层侵蚀、涌水突泥等事故, 从而造成地层损失过大不利于控制地面沉降
12、。软弱地层强度较弱, 在大直径盾构掘进扰动作用下易发生触变软化, 增加地层变形的风险。同时, 由于盾构机自重较大, 始发进入软弱地层时容易发生盾构“磕头”现象, 不利于始发阶段对盾构姿态的控制。(2) 盾构始发施工难度较大, 始发过程中下穿建筑物对沉降控制提出了更高的要求。盾构始发过程中可能遇到的涌水突泥、地层扰动以及姿态偏离都会加大盾构机周围地层的变形, 从而增加地面及周边建筑物的沉降, 过大的地面沉降以及建筑物差异沉降都将影响建筑的安全使用。(3) 为确保盾构始发施工正常进行, 同时确保地面及建筑物沉降满足要求, 提出利用旋喷加固的方法, 对始发井周边地层进行加固处理。同时在始发过程中对地
13、面及建筑物进行严密的沉降监测。监测结果显示, 地层旋喷加固的方法能有效增加地层强度以及抗渗漏、抗变形能力。旋喷加固后, 在复杂地层条件下的盾构始发下穿建筑物施工并未造成过大沉降, 有效降低建筑物发生差异沉降的风险。参考文献1黄宏伟, 张冬梅.盾构隧道施工引起的地表沉降及现场监控J.岩石力学与工程学报, 2001, 20 (10) :1814-1820. 2朱合华, 丁文其.盾构隧道施工力学性态模拟及工程应用J.土木工程学报, 2000, 33 (3) :98-103. 3陈龙, 黄宏伟.软土盾构隧道施工期风险损失分析J.地下空间与工程学报, 2006 (1) :74-78. 4竺维彬, 鞠世健
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