04软土地层中盾构穿越建筑物施工技术.docx

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04软土地层中盾构穿越建筑物施工技术

软土地层中盾构穿越建筑物施工技术

中铁十三局集团第二工程有限公司梁峰

内容提要：

文章以苏州市轨道交通1号线“苏州乐园站-塔园路站”区间隧道工程为背景,介绍了盾构在软土地层中下穿建（构）筑物推进施工。

通过对盾构施工过程中关键施工技术的研究以及采取了有效的建（构）筑物保护措施,确保了盾构成功穿越,为今后同类工程施工提供了有益的借鉴。

关键词：

盾构法施工软土地层下穿建（构）筑物保护措施

1工程概述

1.1线路设计情况

苏州市轨道交通一号线Ⅰ-TS-05标苏州乐园站～塔园路站区间隧道出塔园路站西端头井后，自东向西沿邓尉路两侧走行，在邓尉路1号桥附近以曲线转弯穿过金山浜河过渡至长江路东侧，再过长江路后沿长江路西侧向南行走，最后进入苏州乐园站。

区间隧道起讫里程为DK5+024.500～DK6+070.950，区间单延米总长度2112.526m，其中左线长度1066.076m,右线长度为1046.450m，在区间右DK5+538设联络通道、电缆竖井及泵房一处。

隧道覆土厚度最小约8.72m，最大14.06m，隧道最小埋深在塔园路站西端头井附近约8.85m，最大纵坡22‰，最小曲率半径R＝350m。

区间隧道采用单圆盾构法施工，建筑限界为Ф5200mm，装配式单层衬砌结构，采用两台Ф6340型土压平衡式盾构由塔园路站西端头井始发至苏州乐园站。

1.2沿线建（构）筑物情况

区间隧道主要在长江路和邓尉路下穿行，上方地下管线密集，计有电信、有线电视、污水、雨水、路灯、燃气等主要管线。

沿线穿越的主要建（构）筑物包括汽车西站、110kv高压线杆3根（苏州乐园站北端头转角线杆、隧道右侧线杆和隧道正上方线杆）、新区实验中学食堂、寒舍饭店、海威综合楼和门卫房等。

表1沿线穿越的主要建（构）筑物

建筑物名称

建筑物描述

与隧道关系

里程

苏州汽车西站

汽车西站为地上3层，基础为扩大基础，基底标高2.5m，基础埋深1.76m。

区间左线结构外轮廓距基础的水平最小净距约为1.44m，最近点为左DK5+112.684，垂直净距约8.8m。

平行侧穿

DK5+110～DK5+166

苏州实验中学食堂

食堂为地上3层，采用扩大基础，基底标高0.45m，基底距离隧道结构顶的垂直净距为10.66m。

左线侧穿，右线正下方穿过

DK5+355～DK+378

寒舍饭店

地上单层结构

正下方

右线DK5+464～DK5+492

左线DK5+458～DK5+485

海威船用设备

公司办公楼

该搂为地上3层，基础为扩大基础，基底标高1.5m，基础埋深2.3m，与隧道最小水平净距约1.6m

右线侧下方穿过

右线DK5+585～DK5+640

水警、派出所、交警、消防大队门卫房

一层结构，基础不详

下穿及侧穿

沿线主要建（构）筑物及其与隧道空间位置的示意图。

1.2.1苏州乐园站北端头转角线杆

高压线杆高压线杆与隧道平面关系图

高压线杆钻孔桩基础与隧道断面关系图

1.2.2苏州汽车西站

苏州汽车西站建筑物

平面关系图剖面关系图

1.2.3隧道正上方线杆

110kV高压线杆

高压线杆与隧道平面关系图高压线杆与隧道剖面关系图

1.2.4新区实验中学食堂

新区实验中学食堂实景图

食堂与隧道平面关系图区间线路下穿食堂处纵剖面

1.2.5寒舍饭店

寒舍饭店

1.2.6海威综合生产办公楼

海威综合生产办公楼

平面关系图纵剖面关系图

1.2.7交警支队变电房

交警支队变电房

1.3工程地质及水文地质

1.3.1工程地质

从地质勘察资料来看，苏州乐园站～塔园路站区间土层主要有以下几个土层:

①工程地质层（填土层）：

黄褐～褐灰～灰黄色，松软，以粘性土为主，含少量碎石、碎砖，含腐植物根茎。

层厚0.80～4.50m，层底标高0.24～2.63m。

该层压缩性高。

③工程地质层（粘土、粉质粘土层）：

根据其沉积顺序和工程地质特征可分二个工程地质亚层，分别描述如下：

③1粘土层:

黄褐色～褐黄色，硬塑，局部为可塑，均质致密，含铁锰质结核，夹青灰色条纹，无摇振反应，刀切面具油脂光泽，干强度、韧性高。

层厚1.70～4.20m，层底标高-1.92～-0.79m。

压缩性中等。

③2粉质粘土层:

灰黄色，软塑为主，局部流塑，含铁锰质斑点，局部夹青灰色条纹，下部夹少量粉土薄层，无摇振反应，刀切面稍有光泽，干强度、韧性中等。

层厚1.30～3.60m，层底标高-4.81～-2.58m。

压缩性中等。

④工程地质层（粉土、粉砂层）

根据其沉积顺序和工程地质特征可分二个工程地质亚层，分别描述如下：

④1粉土层:

灰色，松散～稍密，湿～很湿，夹薄层粉质粘土，摇振反应中等，刀切面无光泽，干强度、韧性低。

层厚1.00～5.50m，层底标高-8.26～-4.36m。

压缩性中等，矿物成分以石英、长石为主，含少量云母碎片。

④2粉砂层:

灰色，局部青灰色，中密为主，局部为稍密，饱和，夹薄层粉质粘土，摇振反应迅速。

层厚3.00～9.80m，层底标高-16.85～-8.78m。

该层压缩性中等偏低，矿物成分以石英、长石为主，含少量云母碎片。

场地内分布广泛。

⑤粉质粘土层（粉质粘土、粉质粘土夹粉土）

根据其沉积顺序和工程地质特征可分为四个工程地质亚层：

⑤1粉质粘土:

灰色，软～流塑，夹薄层粉土，无摇振反应，刀切面稍有光泽，干强度、韧性中等。

层厚1.60～6.60m，层底标高–11.19～-10.38m。

该层压缩性中等。

⑤2粉质粘土:

灰色，流塑为主，局部软塑，夹少量粉土，偶见含有机质，及贝壳碎屑，无摇振反应，刀切面稍有光泽，干强度、韧性中等。

层厚1.00～1.90m，层底标高–12.46～-11.76m。

该层压缩性中等。

⑤3粉质粘土:

灰色，流塑，偶夹少量薄层粉土，无摇振反应，刀切面稍有光泽，干强度、韧性中等。

层厚4.70～13.10m，层底标高-23.60～-16.89m。

该层压缩性中等～高。

⑤4粉土夹粉质粘土:

灰色，稍密～中密，偶夹少量薄层粉质粘土，局部互层,摇振反应缓慢～中等，刀切面无光泽，干强度、韧性低。

层厚5.30～13.50m，层底标高-36.30～-28.02m。

压缩性中等。

区间主要土层的地基土物理力学性质如下：

表2苏州乐园站～塔园路站区间岩土物理力学指标设计参数建议值表

层号

含水量

ω（%）

重度

γ（kN/m3）

孔隙比

e

基床系数

K（MPa/m）

静止侧压力系数K0

直剪（快剪）

直剪（固快）

三轴（UU）

渗透系数

垂直

水平

C（KPa）

φ（度）

C（KPa）

φ（度）

CUU（KPa）

φUU（度）

垂直Kv（cm/s）

水平KH（cm/s）

①素填土

31.3

19.1

0.907

0.6

26.2

11.6

30.6

7.6

③1粘土

24.7

20

0.71

23

25

0.43

52.5

11.4

56.2

9.1

84

0.6

3.1×10-7

4.1×10-7

③2粉质粘土

31.5

19.1

0.867

16

20

0.56

17.6

16.6

18.5

13

31.4

0.5

1.3×10-6

1.1×10-5

④1粉土

30.7

19.2

0.831

10

12

0.41

13.4

22.4

7.4

22.8

25.6

0.7

4.34×10-3

④2粉砂

28.8

19.3

0.73

18

25

0.39

7.9

27.5

8.3

25.6

18.4

0.3

⑤1粉质粘土

30.2

19.4

0.807

10

12

0.58

8.8

26

14.6

11.4

5.3×10-5

5.0×10-5

⑤2粉质粘土

29.6

19.6

0.739

12

14

0.52

7

11.3

14.4

18.4

1.3×10-5

1.6×10-5

⑤3粉质粘土

31.7

19.1

0.876

8

10

0.56

15.5

17.4

11.3

14.5

23

0.54

7.1×10-5

⑤’4粉土夹粉质粘土

30.9

19.3

0.781

14

20

0.48

10.2

18.0

2.1×10-5

4.7×10-5

⑤4粉质粘土

30.2

18.8

0.876

10

12

0.56

13.8

11.4

9.6

7.4

7.7×10-6

⑥1粘土

23.6

20.3

0.67

20

28

0.46

46.8

13.3

19.6

9.4

56.4

0.4

2.1×10-7

4.7×10-7

⑥2粉质粘土

29.2

19.2

0.828

16

24

0.54

18.2

18.7

16.8

15.4

4.3×10-5

6.2×10-5

⑥3粉质粘土

31.7

18.9

0.908

12

16

0.55

12.7

15.1

10.4

12

12.8

0.6

9.0×10-6

1.1×10-6

1.3.2水文地质

苏州市地处江南水网区，属长江流域太湖水系，区内地表水系及其发育，主要有太湖、阳澄湖群及大小规模不等的河渠组成。

（1）地表水

地表水主要为左DK5+380.0～DK5+435.0的金山浜河，左DK5+660.0～DK5+680.0的无名河水。

据苏州市枫桥水文站观察资料，历史最高洪水位2.63m，最低河水位标高0.01m。

（2）地下水

①孔隙潜水:

潜水含水层主要由填土层组成，填土层由粘性土夹碎石组成，其透水性不均匀。

主要接受大气降水的入渗补给，同时接受沿线污水、自来水的渗漏补给。

据区域水文资料，苏州市历年最高潜水位标高2.63m，最低潜水位标高0.21m。

②微承压水:

微承压含水层由晚更新世沉积成因的土层组成，主要为④1粉土、④2粉砂层，其中④1粉土、④2粉砂层为良好的赋水和透水地层。

该含水层组埋深6.0～8.0m，厚度约为1.0～13.5m，其中汽车西站附近厚度较薄，④2层缺失，其余地段分布较稳定，④1粉土、④2粉砂层为对区间施工影响较大的含水层。

据区域水文资料，苏州市历年最高微承压水头标高1.74m，最低微承压水头标高0.62m。

③承压水:

承压含水层为⑦粉质粘土夹粉土层，埋深较大（达35m以上），厚度3～5m，可塑状，粉土含量较高，承压水头埋深4～5.00m，承压水头标高-1.50m，补给来源为相邻含水层越流。

据区域资料，苏州市1990年以前最高承压水头标高在-2.70m左右，最低承压水头标高在-3.00m左右。

地表水对钢结构有弱腐蚀性，微承压水对钢结构有弱腐蚀性，潜水干湿交替时对混凝土结构中钢筋有弱腐蚀性，对钢结构有弱腐蚀性。

场地土对建筑材料无腐蚀性。

2盾构施工地表沉降的预测分析及施工控制理论

2.1地表沉降的规律

在软土层中采用盾构施工时,隧道横向所产生的地表变形范围受隧道的埋深和其所处的地质土层状况影响较大,基本上接近土的破坏棱体范围,大致上近似于peck提出的沉陷槽形状,即概率论中的正态分布曲线。

同时隧道纵向所产生的地表变形可分为五个阶段,即初始沉降、开挖面前的变形、盾尾沉降、盾尾空隙沉降、后续固结沉降,见下图。

⑴初始沉降。

距开挖面还有几十米（通常为大于2.5D,D为隧道直径）的地面观测点,从开挖面到达该点之前所产生的沉降,是随盾构机掘进造成的地下水流动和水位降低产生的。

⑵开挖面前的变形。

自开挖面约几米（0～2.5D）时起直至开挖面到达观测点正下方之间所产生的沉降或隆起现象,多由于土体的应力释放或盾构开挖面的反向土压力、盾构机周围的摩擦力等的作用而产生的地基塑性变形。

⑶盾尾沉降。

从开挖面到达观测点的正下方之后直到盾尾通过该观测点为止这一期间所产生的沉降,主要是盾构扰动土体所致。

⑷盾尾空隙沉降。

盾构机的尾部通过观测点的正下方之后所产生的沉降,是盾尾空隙的土体应力释放所引起的弹塑性变形。

⑸后续固结沉降。

由于施工过程中对周围土体的扰动,土中孔隙水压力上升,随着孔隙压力的消散,地层会发生主固结沉降;在孔隙水压力趋于稳定后,土体骨架仍会蠕变,即次固结沉降。

上述沉降阶段多非同时产生,且其表现形式也是综合性的。

地基条件和施工状况不同,沉降的类型也会有所不同。

2.2地层变形原因分析

盾构法隧道施工引起地层变形的基本原因可归纳为以下几个方面。

⑴开挖面土体的移动:

当隧道掘进时,开挖面土体的水平支护应力可能大于或小于原始侧压力,开挖面前方土体从而会产生下沉或隆起。

⑵建筑空隙引起的沉降:

土体挤入盾尾空隙,由于向盾尾后面隧道外围建筑空隙中压浆不及时、注浆量不足、压浆压力不适当,使盾尾后坑道周边土体失去原始三维平衡状态,引起地层损失;盾构在曲线中掘进,或纠偏掘进过程中实际开挖断面不是圆形而是椭圆形,故引起地层损失;盾构在土体中移动,盾壳表面粘附着一层粘土,推进时盾尾后隧道外围形成的空隙大量增加,如不相应增加注浆量,地层损失将增加。

⑶衬砌变形和沉降:

在土压力作用下,隧道衬砌产生的变形也会引起少量地层损失,当隧道衬砌沉降较大时会引起不可忽略的地层损失,衬砌渗漏也引起沉降。

⑷受扰动土体的固结再沉降:

由于盾构掘进过程中的挤压作用和盾尾注浆作用等因素,使周围地层形成超孔隙水压区,需经过一段时间后才能消散复原。

在此过程中因地层发生排水固结变形引起地面沉降。

2.3地层沉降控制方法

2.3.1地层状况及沿线建构筑物调查

若要在施工过程中达到有效控制地层沉降的目的,首要的先决条件就是在盾构隧道掘进之前对隧道施工影响范围内的地层状况及沿线建（构）筑物进行调查,在获得相关的原始资料后,对地层条件及沿线建（构）筑物的状态进行评价分级,并结合相关规范要求,进而确定其在施工过程中为确保地层及建（构）筑物的稳定而应达到的控制标准。

2.3.2优化匹配盾构掘进参数

在确定了沿线地层及相关建（构）筑物的控制标准之后,就要根据控制目标调整盾构掘进参数,使盾构在施工过程中达到最优控制掘进状态。

盾构最优掘进是指:

掘进时对周围地层及地面的影响最小,地层强度下降小,受到的扰动小,超空隙水压力小,地面隆沉小,盾尾脱出时的突沉幅度小,这些是盾构施工中控制地面沉降、保护环境的首要条件和治本方法。

要达到上述最优状态,必须在盾构掘进过程中根据隧道埋深、地质条件、地面荷载、设计坡度、转弯半径、轴线偏差及盾构姿态等情况,选取合理的参数指导施工。

为此必须进行沿线监测地表变形值,据此不断进行优化组合,指导下一步的掘进施工,使之真正达到优化施工参数的目的。

2.3.3试掘进确定参数指导施工

盾构施工所面对的主要工作介质是岩土体,再加上在施工影响范围内建（构）筑物与岩土体的相互作用,因而很有必要根据沿线地层条件、建（构）筑物情况,以一定的掘进区段作为掘进试验段。

通过试掘段掘进参数与地层变形规律的摸索,为整个掘进过程中施工参数的确定奠定良好的基础。

2.3.4土仓压力的设定

在整个隧道掘进过程中,土仓压力的设定是一个非常关键的参数,土压设定值如果偏小则导致地层下沉量增大,土压设定值如果偏大则会导致地层发生隆起现象。

基于土力学原理，当土质渗透系数较大时，正面水土压力的理论值采用水土分算：

式中：

Pc—土压力；Pw—水压力；

；

-为土的有效内摩擦角；H-盾构工作面中心处深度；

-土的有效重度；q-地面超载。

土质渗透系数较小时，土仓可以采用水土合算:

式中：

—土的饱和重度；

实际盾构推进过程中为了补偿后期的沉降，考虑到土仓压力的波动及衰减，以及为了弥补盾尾沉降损失造成的沉降。

一般来说土压力的设定要稍高于理论土压力，但也不宜于过大，过大则使地层产生隆起变形。

根据类似工程经验，土压力设定值一般为理论土压力值的1.1～1.3倍。

2.3.5确定盾尾同步注浆参数的最佳值

盾构掘进过程中,以适当的注浆压力和浆量、合理配合比的注浆材料等,在脱出盾尾的衬砌背面环形建筑空隙进行同步注浆,这是控制或减小地层变形的关键措施。

盾尾同步注浆过程中的关键参数控制主要包括如下几点。

①合理配合比的浆料:

稠度值控制在10.5～11.0,容重近似于原状土。

②注浆压力:

合适的注浆压力约为0.3～0.4MPa,因实际注浆量大于计算注浆量,超体积浆液必须用适当高于计算注浆压力方可注入盾尾土体空隙。

③注浆时间:

盾尾注浆的压入时间对于注浆施工效果影响明显。

浆液的注入时间应以管片拖开盾尾同步为最佳,匀量注入浆液的时间应与管片推进一环的时间相同。

④注浆量:

一般来说,盾尾同步注浆量的控制可根据盾尾间隙的计算而求得。

但在实际注浆过程中,由于盾尾土体不密实或存在空隙等情况,同时由于盾构施工对于周边土体的扰动作用,从而导致实际的盾尾同步注浆量要远大于理论计算量。

根据经验,在粉质土、粘质土地层中合适的注浆量应为理论注浆量的180%～240%。

⑤注浆位置的分配:

有目的地选择等角度分布于盾尾外壳的注浆管进行注浆,根据不同的地质条件及控制标准确定各个注浆管的注浆压力与注浆量,能使“漂浮”于浆液中的隧道尾端产生可控位移,既可改善隧道轴线原有的偏差,又可有效改善管片与盾尾的挤卡状况。

2.3.6信息化施工的指导

在盾构掘进过程中,根据监测结果与各项施工参数之间的对照分析,可对施工参数进行进一步修正,达到优化匹配掘进参数、有效控制地层变形的目的。

3盾构机主要参数

表3苏-塔区间左线盾构机参数表

表4苏-塔区间右线盾构机参数表

盾构机型号:

小松TM634PMX

盾构机型号:

上海隧道股份公司Φ6340土压平衡式D1型

主部件

名称

细目部件名称

参数

主部件

名称

细目部件名称

参数

适应工作条件

土层土质

种类

淤泥质粘土、粘土、粉质粘土、砂质粉土、粉砂、细砂

适应工作条件

土层土质种类

淤泥质粘土、粘土、粉质粘土、砂质粉土、粉砂土

最小转弯曲线半径

300mR

最小转弯曲线半径

300mR

最大坡度

40‰

最大坡度

44‰

整

机

综

述

主机直径

Φ6340mm

整

机

综

述

主机直径

Φ6340mm

壳体长度

8680mm

壳体长度

8032mm

总重

330吨

总重

398吨

开挖直径

Φ6340mm

开挖直径

Φ6340mm

开口率

40%

开口率

35%

装备总功率

1100kW

装备总功率

729kW

推进速度

0～8.5cm/min

推进速度

0～6cm/min

最大推力

37730kN

最大推力

34208kN

铰接角度

上下1°左右1.5°

盾尾密封

钢丝刷3道

盾尾密封

钢丝刷2道+钢板刷1道

管片拼装机

盘式环型油马达驱动

管片拼装机

齿环式油马达驱动

切削刀盘

面板×中间支撑×变频电动机驱动

切削刀盘

面板×中间支撑×电动机驱动（双速）

螺旋输送机

有轴叶片式×液压驱动，最大排土量233m3/h

螺旋输送机

有轴叶片式×液压驱动，最大排土量260m3／h

皮带输送机

500m3/h

皮带输送机

176m3/h

推进油缸

22根×2150mm

推进油缸

10根×2240mm+22根×1490mm

同步注浆系统

280L/min,注浆管4根

同步注浆系统

200L/min,注浆管4根

泡沫/膨润土注入系统

泡沫泵2台，加泥泵2台，注入口3个

加泥加水系统

4套

导向系统

ROBOTEC测量设备

导向系统

ROBOTEC测量设备

4区间下穿建筑物保护方案及技术措施

4.1侧穿及下穿楼房

4.1.1苏州汽车西站

苏州汽车西站位于本线路左线DK5+105～DK5+169段西侧，为地上3层建筑楼，基础为扩大基础，基底标高2.5m，基础埋深1.76m，区间左线结构外轮廓距基础的水平最小净距约为1.44m，最近点为建筑物东南角，垂直净距约8.8m。

区间从汽车西站东侧近距离穿过，考虑现场条件限制，结合类似工程经验，采用盾构推进同步注浆、壁后二次和多次补压浆，并结合地层袖阀管跟踪注浆的方案穿过该建筑。

在汽车西站东侧与隧道间，用工程钻机垂直钻孔（局部斜孔），钻孔至隧道底以下1m，插入注浆袖阀管。

待盾构区间施工至影响区后，根据监测结果必要时采取分层注浆，以补偿地层土体缺失，达到控制沉降的目的。

据平面布置情况，共设68根注浆阀管，注浆阀管平面布置及剖面示意图如下。

平面布置图剖面图

4.1.2新区实验中学食堂

区间隧道在里程约DK5+350～380从新区实验中学食堂下方穿过，食堂为地上3层，采用扩大基础，基底标高0.45m，基底距离隧道结构顶的垂直净距为10.66m。

区间隧道从食堂下方穿过，为确保盾构施工时食堂的安全，且尽量减小对食堂的影响，采用盾构推进同步注浆、壁后二次和多次补压浆结合地层袖阀管注浆的方案穿越该建筑。

由实验中学食堂室外南侧、西侧和北侧，采用工程钻机斜向钻孔，钻孔至独立基础底、区间隧道上（高于隧道顶500mm以上），插入注浆袖阀管。

待盾构区间施工至影响区后，根据监测结果必要时采取分层注浆，以补偿地层土体缺失，达到控制沉降的目的。

据平面布置情况，共设25根注浆阀管，注浆阀管平面布置及剖面示意图如图。

注浆阀管平面布置

注浆阀管布置剖面示意图

4.1.3海威综合楼

海威综合楼为地上3层，基础为扩大基础，基底标高1.5m，基础埋深2.3m，基础距离隧道的水平净距约为1.67m，最近点为建筑物西北角，右线DK5+585～DK5+640侧下方穿过。

采用盾构推进同步注浆、壁后二次和多次补压浆，结合地层袖阀管跟踪注浆的方案穿过该建筑。

在办公楼北侧与隧道间，采用工程钻机垂直钻孔，钻孔至隧道底以下1m，然后下入注浆袖阀管。

待盾构区间施工至影响区后，根据监测结果，必要时采取分层注浆，以补偿地层土体缺失，达到控制沉降的目的。

根据平面布置情况，共设39根注浆阀管，注浆阀管平面布置及剖面示意图如图。

袖阀管平面置图

袖阀管与隧道位置关系图袖阀管结构见附图

4.1.4袖阀管施工方法及注意事项

4.1.4.1袖阀管工法简述

袖阀管法注浆是在PVC管上钻注浆孔作为注浆外管（即袖阀管），注浆孔外用橡胶圈包好，注浆时把两端都装有密封橡胶塞的注浆芯管插入袖阀管，浆液在压力作用下胀开橡胶圈进入地层，逐次提升或下降芯管即可实现分段注浆，橡胶圈的作用是当孔内加压注浆时，橡胶圈胀开，浆液从小孔中进入土层，停止注浆时橡胶封闭，阻止土和地下水逆向进入注浆管内。

袖阀管结构见附图。

袖阀管法注浆易于操作，设备占地小，配套设施简单，能实现分段注浆，可根据需要重复注浆，也可根据地层的不同有选择地进行分层注浆，注浆效果易保证；钻孔注浆平行作业，施工效率高。

4.1.4.2袖阀管施工所需的机具设备及材料

（1）钻孔机械：

采