水电站设计 第２７卷第３期 Ｄ Ｈ Ｐ Ｓ ２ ０ １ １年９月 盾构机穿越建筑物等不良地层的技术措施 廖 屹，王东冬，陈万强 （四川二滩国际咨询有限责任公司，四川成都６１００７２） 摘要：介绍成都地铁２号线盾构穿越建筑群的施工技术措施。由于所采取的地层加固措施安全可靠、施工方案合理、正确、有 效，使盾构机得以顺利穿越不良地层。 关键词：地铁；不良地层；盾构法；施工；加固措施；施工技术 中图法分类号：Ｕ２３１．３ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１００３—９８０５（２０１１）０３—０１０７一Ｏ５ 卵石黏土（约５％）。上覆主要为粉质黏土 １ 前 言 ＜４—３＞、黏土＜４—２＞，素填土＜１—２＞。 ２．２水文情况 盾构工法早已普及在世界各地的地铁施工中， 根据区域水文地质资料及地下水的赋存条件， 本穿越地层内地下水主要以埋藏于第四系砂卵石层 中的孔隙水、大气降水和区域地下水为其主要补给 源。砂、卵石层为主要含水层，厚度约为４．３～ 但盾构机在下穿建筑物等不良地层的施工过程中的 安全技术保证措施一直是盾构施工中的一个难点。 盾构施工时既需要对已有建（构）筑物进行保护，又 要确保盾构本身的安全性和进展顺利，因此对不同 的情况采用相应的应对技术十分必要。如果没有因 ９．６ｍ，具强渗透性，渗透系数为１５～２０ ｍ／ｄ。场地 内黏土为微透水层，透水性、富水性均较差。岩石强 地制宜地制定合理、正确、有效的盾构穿越施工方 案，容易造成建筑物坍塌、人员伤亡等重大安全事 故。成都地铁２号线盾构施工中的一个重要难点就 是１ １号盾构机穿越秀水苑建筑群，经专家评审为特 风化带裂隙发育，局部可能赋存少量裂隙水，但岩石 的透水性、富水性均较差。 ２．３气象特征 成都市属亚热带湿润气候区，四季分明，气候温 和，雨量充沛，夏无酷暑，冬少严寒。多年平均气温 １４．１ ｏＣ，别重大危险源。本文以成功完成的秀水苑小区盾构 穿越建筑物的实例为基础，研究分析相应的技术措 施。 极端最高气温３７．３℃，极端最低气温一 ５．９℃；多年平均降雨量９４７．０ｍｍ，年降雨日１０４ 天，最大日降雨量１９４．１ｍｍ，降雨主要集中在５～９ 月，占全年的８４．１％；多年平均日照时间１ ２２７．３ｈ； 多年平均风速１．３５ｍ／ｓ，最大风速１４．８ｍ／ｓ，极大风 速２６．４ｍ／ｓ，主导风向ＮＮＥ。 ２．４地质评价 ２工程概况 ２．１ 房屋基础及地质情况 盾构下穿的秀水苑小区，特别是盾构机正下穿 的秀水苑４、５号楼为６层砖混凝土结构，修建于 ２００３年。基础持力层为黏土层，采用Ｃ１５素混凝土 本区间位于成都东部边缘构造带，区内断裂构 造和地震活动较弱。本次穿越主要在中风化泥岩地 层中穿过。泥岩属易风化岩，呈半岩半土、碎块状， 条基，基础埋深２．５ｍ，隧道顶距地基６．５ｍ。经监理 工程师组织相关单位的现场入户调查，建筑物结构 构件裂缝较多，个别构件裂缝宽度超过０．３ｍｍ。盾 构穿越该区域地质条件为：（５—３）中风化泥岩（约 ８５％）、（５—２）强风化泥岩（约１０％）、黏土层及含 软硬不均，并具有遇水软化、崩解强度急剧降低以及 含黏土卵石层偶夹高强度漂石等特点。围岩的均匀 性较差，自稳性差。本工程地质情况对盾构隧道掘 进主要有以下影响：泥岩遇水膨胀、失水收缩的特性 收稿日期：２０１１一Ｏ６—３０ 作者简介：廖屹（１９８１一），男，四川成都人，工程师，主要从事工程监理工作。 １０７ 对隧道施工极为不利，围岩因开挖而产生变形，或者 度为１５ｃｍ，并在基坑底部设管棚导向墙和导向管。 导向墙按设计厚度浇筑混凝土（依需要可加入早强 因浸水而膨胀，或因风化而开裂等现象，使隧道的顶 部及两侧向内挤入，底部鼓起，随着时间的增长导致 围岩失稳，支撑、衬砌变形和破坏，特别在地下水发 剂），并安装外径１５９ｍｍ的孔口管棚导向管，导向 管外插角０。～０．５。，并精确测量定位。 ３．２．２管棚施工 育、地表降水渗透的条件下，隧道土体极易失稳，具 体表现在隧道断面收敛急剧发展，拱顶下沉加大，甚 至坍塌。 （１）搭设钻机平台：作业平台搭建高度依预留 核心土高度按孔位变化进行调整。 （２）设备定位：平台搭建好和钻机设备就位后， ３盾构机穿越秀水苑小区的主要措施 ３．１ 盾构机穿越秀水苑小区施工方案 １１号盾构机从塔子山公园站东端下井始发。 由于盾构始发约２５ｍ后就开始穿越秀水苑小区房 屋，特别是将正穿秀水苑小区４、５号楼，１１号盾构 机又为新购置的德国海瑞克盾构机，各项施工参数、 出土量、盾构机的各种性能参数都未调校至最佳状 态，仅采用传统的管片同步注浆和二次注浆已不能 从导向墙两端对称施钻。施钻前，移动钻机至管棚 孔位，根据导向管位置调整钻机高度，用地质罗盘仪 及肉眼观察法检查钻机角度，以保证钻杆、钻具轴线 和隧道轴线一致。而后，用固定夹将钻机固定在平 台上。采用ＭＫ一５型坑道管棚钻机，钻头后加一 扶正器，用来托撑钻头以防钻头下垂。在钻孔时，应 随时观察岩石变化情况，发现钻头下垂应及ｕ，Ｌ￣ｑ正， 并安装第二台扶正器。 （３）钻孔：采用两台ＭＫ～５型全液压钻机钻 孔。钻孔时，当发现孔内岩石岩性发生变化时，采取 由高速转低压给进，钻进０．２—０．３ｍ后及时提钻， 通过岩石粉末判断岩性，针对岩性制定相应钻孔方 保证盾构此次穿越建筑物的安全。因此，在盾构机 通过时，除了以盾构掘进参数控制和同步注浆以及 二次注浆为主要控制手段，还将房屋基础预加固 （开挖面上层地层加固）及袖阀管跟踪注浆作为主 要处理措施（本文将作重点介绍），并辅以洞内钻孔 （含管片吊装孔）注浆加固。 ３．２房屋基础预加固处理 案。做好每个孔的详细钻孑Ｌ记录。 （４）扫孔：钻孔结束后，用高压风吹孔清扫孔内 残渣。扫孔采用４￣１０８ｍｍ—Ｔ４０型无缝钢管。节长２ ３ｍ。管前安装一合金钻头或金钢钻头轻压给进。 ～房基基础预加固采用大管棚和地面预注浆加固 相结合的方式。在秀水苑小区４、５号楼房屋受直接 影响范围的前后开挖工作坑，在两端工作坑内作导 向墙，导向墙两端作用于 １ ０００ｍｍ的钢筋混凝土 桩上，桩深达隧道底板以下，起到基础托换的作用。 扫孔时钻机钻速不超过５０ｒ／ｍｉｎ，如发现孑Ｌ内堵塞， 扫通后应再来回多次清扫。 （５）下管：钢管材料采用￣ｂｌ０８ｍｍ×６ｍｍ热轧 无缝钢管。钢管按４ｍ、６ｍ、２ｍ节长加工（４ｍ、６ｍ、 ６ｍ、６ｍ、６ｍ、６ｍ、６ｍ、２ｍ），接头之间相互错开距离 并从导向墙两端沿线路施作大管棚，在中部搭接，搭 接长度２ｍ，并在搭接处设水平后浇梁，将管棚连接 成整体。管棚在房屋基础下部５０～１００ｃｍ，间距 ２５ｃｍ，多层梅花形布置，管径为￣ｂｌ０８ｍｍ，采用壁厚 ６ｍｍ的无缝钢管，分节安装，两节问用丝扣连接，丝 不小于５０ｃｍ，钢管之间采用丝扣连接。为了便于注 浆，奇数孔管棚钢管采用有孔花管（钢花管）；孔眼 为￣ｂｌ５ｍｍ，间距３０ｍｍ，呈梅花形布置；偶数孔采用 无孔钢管。为了便于下管，将其最前端钢管做成锥 形（钢花管加工见图１）。 扣螺纹段长大于１５０ｍｍ，相邻两根钢花管的接头错 接，错接长度不小于１．０ｍ。花管上注浆孔孔径为 ＋１０ｍｍ，孔间距２００ｒａｍ，呈梅花形布置。钢管尾部 （孔口段）２．０ｍ不钻花孔作为止浆段。 ３．２．１ 套拱及导向管施做 每钻完一孔后，经监理工程师检查合格后方可 进行下管作业。下管前应认真检查钢管丝扣质量， 丝扣加工不好或钢管弯曲时不得使用。下管应按设 计节长顺序采用钻机液压顶进。如遇孔内缩孔或掉 块时，可加装酒瓶接头轻压钻进。在下管困难时，应 拔出钢管，重新扫孔。 ３．２．３注 浆 管棚工作坑开挖完成后，对坑周边坡进行挂网 喷护，挂网采用６１ｏ钢筋１５×１５布置，喷混凝土厚 图１钢花管示意 １０８ 注浆管和排气管采用２ｃｍ塑料软管，注浆管沿 管棚全长布置，排气管设于管棚孔内上方。注浆前， 为防止浆液从钢管及其与导向管间的间隙内外流， 注浆前先将孔口用高标号砂浆进行密封处理。浆液 采用普通硅酸盐纯水泥浆，水灰比为０．８：１～１：１。 浆液必须搅拌均匀，然后经滤网放入储浆桶内，再由 注浆泵经管路注入到管棚钢管内。注浆作业时采用 钻一注一、后退式注浆方法，注浆时在注浆泵及钢管 孔口处设专人操作，操作人员应认真观察压力表和 孔口有无异常现象，正常注浆压力为１．２～１．５ＭＰａ。 按不小于单孔设计注浆量和注浆压力注浆，持压时 间１５ｍｉｎ作为结束标准。 大管棚施工工艺见图２。 图２大管棚施工工艺框图 ３。３袖阀管跟踪注浆加固 为尽量降低施工风险，将袖阀管跟踪注浆加固 作为盾构下穿建（构）筑物的技术措施。盾构通过 前，在建（构）筑物基础下方预埋袖阀管，并根据盾 构施工过程中的监测反馈信息，采用跟踪注浆方式 对管棚下部受扰动土体进行填充，避免因超挖或注 浆量不足引起的空洞向上发展，造成房屋沉降，影响 房屋安全。在注浆过程中注意控制注浆压力不超过 ２．ＯＭＰａ，以防压力过大而破坏建（构）筑物基础。注 浆后及时冲洗袖阀管，以便重复使用。跟踪注浆管 以１．５～３ｍ间距布置，深度至隧道上方ｌｍ。 ３．３．１ 钻 孔 加固既有建筑物，一般情况下选用ＸＹ一１００型 钻机。该钻机具有体积小、成孔快的特点，因此采用 此种钻机。结合本区土层特点采用合金钻具回转钻 进方法成孔。对于硬土层和破碎岩层采用风动潜孔 锤冲击钻进。该钻机重量轻，利于迁移，并有较高的 钻进效率。钻机安装就位后，采用优质泥浆护壁，反 循环钻进成孔。当砂层较厚、孔内易塌孔时，用 ４，１０８ｍｍ套管护孔，待孔内注入套壳料并下入袖阀 管后才将套管提出孔外。在钻进过程中还应注意钻 孔布置应避开原建筑物埋设的管线，并不得破坏既 有建筑物的基础。 ３．３．２ 浇注套壳料、安装袖阀管及固管止浆 钻孔至设计深度并采用清水洗孔后，立即将套 壳料通过钻杆泵送至孔底，自下而上灌注套壳料至 孔口溢出符合浓度要求的原浆液为止。依次下人按 注浆段配备的袖阀花管。在袖阀管外花管与孔壁之 间的环状间隙处下人注浆管，在孔口上部２ｍ孔段 压入止浆固管料，直至孔口返止浓浆为止。止浆固 管料采用速凝水泥浆，水：水泥＝１：１．５，可采用水玻 璃或氯化钙作速凝剂。 ３．３．３ 注浆异常现象的处理 （１）在注浆过程中发生串浆时，在有多台注浆 机的条件下，应同时注浆；无条件时应将串浆孔及时 堵塞，轮到该管注浆时，再拔下堵塞物，用铁丝或细 钢筋将管内清除并用高压风或水冲洗（拨塞后向外 流浆的注浆管不必进行此工序），然后再注浆。 （２）如单液注水泥浆压力突然升高，则可能发 生堵管，应停机检查。当堵管时，要敲打或滚动以疏 通注浆管，无法疏通时要补管。 （３）如水泥与水玻璃双液注浆压力突然升高， 则关停水玻璃泵，进行单液注浆或注清水，待泵压正 常时，再进行双液注浆。 ３．３．４套壳料施工 套壳料以膨润土为主、水泥为辅组成，主要用于 封闭袖阀管与钻孔孔壁之间的环状空间，防止灌浆 时浆液到处流窜，在橡胶套和止浆塞的作用下，迫使 在灌浆段范围内挤破套壳料（即开环）而进入地层。 套壳料施工质量的好坏是保证注浆成功与否的 关键。它要求既能在一定的压力下压开填料进行横 向注浆，又能在高压注浆时阻止浆液沿孔壁或管壁 流出地表。要求套壳料脆性较高，收缩性要小，力学 强度适宜，既要防止串浆又要兼顾开环。 套壳料采用黏土和水泥配制，配比范围为水泥： 黏土：水＝１：（１～１．５）：（１．５～１．８８），浆液比重约 为１．５，漏斗粘度２４～２６ｓ。实际施工时应通过多组 室内及现场试验，选取最佳配比。根据秀水苑小区 的实际情况，套壳料凝固时间和强度增长速率控制 在２～５ｄ内可灌浆。 ３．３．５待 凝 待孔口段止浆料凝固后才能灌浆。待凝时间控 制在２—５天以内。 ３．３．６ 注 浆 将双栓塞芯管插入孔底，双栓塞芯管要连接牢 １ ０９ 固，经气密性试验合格后才能使用。在灌浆的前期 阶段，使用稀浆（或清水）加压挤破套壳料（即开 环）。在加压过程中，一旦出现压力突降进浆量剧 增，表示已经“开环”。开环后即按设计配比开始正 式注浆。根据各组注浆参数的要求，从孔底自下而 上进行注浆，每排孔眼作为一个灌浆段，段长为 ５０ｃｍ。注浆液采用３２．５普硅水泥，注浆时按先灌 人稀浆后灌入浓浆的原则逐渐调整水灰比。开环压 力为０．３５ＭＰａ左右，正常注浆压力为０．４— ０．８ＭＰａ，并由下而上逐渐减小。每次都必须进行跳 孔注浆，以防止发生窜浆现象。全孔段注浆完成后， 间歇一段时间再进行第二次注浆，间歇时间控制在 １０—３０ｍｉｎ之内。 ３．３．７终灌及加固标准 当注浆压力大于或等于１．０ＭＰａ，吸浆量小于 ２．５Ｌ／ｍｉｎ、稳定时间２５ ｍｉｎ时停止注浆。经加固的 土体达到以下的目的：经取芯检测其无侧限抗压强 度应大于１．０～１．２ＭＰａ，渗透系数应小于１．０ Ｘ １０～ｃｍ／ｓ。综合判断检测结果，看质量是否满足要 求。对不合格的，进行二次补强注浆。 ３．３．８ 注浆时的监测措施 在注浆过程中，要密切监测地面及建筑物的沉 降情况，如发现被加固建筑物有上抬的趋势，立即停 止注浆，严格控制注浆前后建筑物的上抬量不得超 过２ｍｍ。 ３．３．９灌注材料及配比 用３２．５Ｒ普通硅酸盐水泥作为灌注主料，确定 各种灌注材料的合理配比，在施工中使用的材料配 比（重量比）如下： （１）袖阀管套壳料：水泥：黏土：水＝１：１．５： １．８８。 （２）固管料为单液水泥浆：水：水泥＝１：１．５。 （３）袖阀管注浆的浆液配比：水泥：水＝１：１、 ０．６：１，先稀浆后稠浆。 （４）速凝剂：如发现地下有水流通到孔内漏浆 严重时，可掺入适量的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。 ３．４施工监测控制 监控量测项目主要包括隧道结构的内力变形、 地层变形，地表沉降、建（构）筑物及地下管线外观 观察、变形变位等。盾构隧道施工引起的地面隆降 控制在（＋１０ｍｍ，一３０ｍｍ）以内，并以最大值的 ７０％（＋７ｍｍ，一２１ｍｍ）作为安全警界值；地面建筑 物沉降控制在１５ ｍｌｎ以内，并以１０ｍｍ作为其警戒 １１ ０ 值。在秀水苑小区４、５号楼附近加密监测点，并增 加监测频率，每隔４ｈ进行跟踪测量。在待盾构穿越 后变形趋于稳定时，逐渐减少监测次数，并恢复正常 监测，至地面变形稳定后停止监测。在盾构穿越过 程中，将每一次监测成果及时反馈至施工现场，并适 时调整相关施工参数，确保盾构“安全、连续”穿越 该区域，保证房屋安全。 ３．４．１测点布置 盾构在推进过程中会对临近土体产生扰动，进 而在盾构推进面附近产生接近椭球形的地面凹槽， 从沿隧道中线的横断面看，会形成所谓的沉陷槽，为 此进行地面沉降和隆起监测具有重要意义。为了使 监测点能够真实反映地面的沉隆关系，监测点必须 深入到土体中。监测点埋设时在地面钻挖一个直径 １０ｃｍ左右、深１ｍ的柱状孔（超出硬化层），在孔中 灌入细沙插入钢筋。在每个点位埋设一根大约１ｍ 长的光圆钢筋，顶部略微底于地面，并在旁边用红色 油漆标注里程号（见图３）。 图３ 地面沉降观测点埋设结构 （１）地表沉降点总体上沿盾构隧道轴线每１０ｍ 布设一个；盾构掘进试验段、秀水苑４、５号楼每１０ｍ 处，设置地表沉降横向沉陷槽断面。 （２）地表建构筑物的水平位移及倾斜监测，每 一测区布设３～４个控制点。 （３）监测点的布设在能够反映地铁施工对地层 影响的原状土中，埋设深度大于１ｍ，其测头为半球 形不锈钢沉降测头。 （４）地层水平位移、垂直位移、土层压应力监测 通过设置１０个典型断面进行监测。 （５）隧道三维观测通过在隧道内每隔一定距离 的埋点监测。 ３．４．２监控项目控制值 ３．４．２．１ 监测精度 在施工期问，秀水苑小区的沉降观测、倾斜观 测，地面的沉降、隆起变形观测等，都严格按照国家 测量规范（ＧＢ１２８９７）的一等精度进行。其余量测项 目参照国家相关规范确定量测精度。各项监测项目 精度见表１。 表１监测精度 监测项目 精度 水平位移监测 ±Ｏ．３ｍｍ 地面沉降监测 土０．３ｍｍ ３．４．２．２监测控制值和预警值（见表２） 表２监测控制值和预警值 ３．４．３ 量测频率及相关要求 监测时间根据施工时间决定，初始值测定于施 工到达前１周内进行，且不少于２次，过程监测随施 工的进行按ＧＢ５０２９９—１９９９（（地下铁道工程施工及 验收规范》、ＧＢ５０４４６—２００８《盾构法隧道施工验收 规范》规定频率进行观测。随施工结束延长１～２ 周观测时间或根据所监测的项目在观测值已经稳定 的情况下可提前结束该项目的监测。在监测过程中 将以上各类监测结果及时反馈到设计、业主和有关 部门，以确保地表建（构）筑物的安全和施工顺利安 全进行。 ３．５洞内注浆加固 为避免盾构机通过时对地层扰动产生空洞或地 层原有空洞受扰动后传递至地表造成坍塌，当盾构 机向前推进后管片与土层之间形成建筑间隙时，及 时采取洞内注浆加固的处理措施，有利于防止和减 少地层变形，提高结构的稳定性。 ３．５．１ 注浆材料及配合比 采用水泥砂浆（可硬性浆液）作为注浆材料，具 有凝结时间较短、强度高、耐久性好和抗腐蚀性好等 特点。注浆浆液配合比见表３。 表３注浆浆液配合比 ｋｇ／ｍ 该配合比浆液的物理力学指标如下： （１）胶凝时间：一般为３～１０ｈ，根据地层条件和 掘进速度，加入速凝剂及变更配比来调整胶凝时间； （２）固结体强度：１天不小于０．２ＭＰａ，２８天不 小于２．５ＭＰａ； （３）固结收缩率：＜５％； （４）浆液稠度：８～１２ｃｍ； （５）浆液稳定性：倾析率小于５％。 ３．５．２注浆参数 ３．５．２．１注浆压力 Ｐ＝ｙｈ／９８０＋（０．１２～０．１３） 式中Ｐ——浆液出口压力，ＭＰａ； ｈ——隧道上部覆土厚度，ｍ； ——覆土层的平均容重，ｋＮ／ｍ 。 由于是从盾尾圆周上的几个点同时注浆，上部 每孔的压力应比下部每孔的压力略小０．０５— ０．１０ＭＰａ。根据该段地质和隧道的覆土厚度情况， 注浆压力控制在０．２～０．５ＭＰａ间。 ３．５．２．２注浆量 每环同步注浆量Ｑ计算如下： Ｑ＝Ｋ×ｎ×（Ｄ２～ｄ２）Ｘ Ｌ／４ 式中 ——注浆率（１．３—１．８）； Ｄ——盾构机的切削外径； ｄ——管片外径。 则Ｑ：４．０５ Ｘ（１．３～１．８）＝５．２７～７．２９（ｍ ） 注浆量根据地质情况和地表隆陷监测情况进行 调整和动态管理。 ３．５．２．３注浆结束标准 采用注浆压力和注浆量双指标控制标准，即当 注浆压力达到设定值、注浆量达到设计值的８５％以 上时，即可认为达到了质量要求。 ３．６盾构机姿态控制 注意保持盾构机姿态良好，当其姿态出现偏差 时，采取“勤纠缓纠”，即及时纠偏并适当降低纠偏 幅度，有效避免管片错台或破损，并在一定程度上减 少超挖及对地层扰动，控制地层变形。 ４结束语 通过对常规的盾构施工方法，如掌握盾构掘进 施工参数（每环理论出渣量、注浆压力、土仓压力、 刀盘转速、掘进速度和推力等）、作好同步注浆以及 二次注浆工作外，本次盾构穿越不良地层还将房屋 基础预加固及袖阀管跟踪注浆作为主要技术措施， 并进行认真细致的监测工作，最终顺利进行了穿越。 通过对穿越前后反馈的地层参数比较，表明所采用 的地层加固措施安全可靠，取得了盾构穿越的成功， 但埋设跟踪注浆管及设置导向墙成本较高、耗时较 长，盾构穿越建筑物技术方案应进行进一步的优化。 本次穿越所积累的房屋基础预加固及袖阀管跟踪注 浆的相关技术参数也将对以后盾构在刚始发就穿越 建筑物提供重要的技术依据。 １ １ １
