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盾构穿越倾斜楼房的微扰动控制技术研究

摘 要：目前针对盾构近距离穿越地面建筑物，尤其是对于沉降敏感性极高的倾斜楼房等工况的研究相对较少。本文结合上海轨道交通11号线盾构区间推进工程，从各技术角度对盾构穿越倾斜楼房的微扰动控制技术进行全面研究。通过此方面的研究，不仅对今后同类工况的施工具有非常重要的指导作用，在工程实践中也将创造巨大的社会效益和经济效益。
关键词：盾构；近距离穿越；倾斜楼房；后期沉降；二次补浆

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1、 引言
随着城市轨道交通建设的不断深入，地铁盾构穿越城市密集区域的机会越来越多和范围也越来越大，且沿线一般均存在大量的地面建、构筑物，盾构不可避免地需要从其下部或旁侧近距离穿越。以往的工程实践以盾构近距离穿越正常地面建筑物居多，而对于沉降敏感性极高的严重倾斜的陈旧楼房的情况，经验较少，也缺乏相应的深入分析研究。
盾构穿越倾斜楼房时，由于楼房自身已经处于不安全状态，基础的不均匀沉降和倾斜楼房的附加变形很可能会对楼房造成破坏性的影响，施工具有很大的风险。这就对盾构法施工在减少对土层的扰动等方面提出了更高的要求。
在盾构穿越倾斜楼房的特殊条件下，如何确保楼房的安全就成为了地铁盾构工艺中的难题。在经济方面，对这些建筑采取拆迁或加固保护措施的费用也是相当高的。因而，对该特殊情况进行深入而细致的研究，显得非常必要和紧迫，对于我国的地铁建设和城市地下空间开发利用，具有非常重要的指导作用，在工程实践中将会创造巨大的社会效益和经济效益。
2、 工程概况
上海市轨道交通11号线某区间在盾构出洞推进30米后，下行线、上行线将先后穿越一幢倾斜居民楼，且在倾斜方向一侧穿越，穿越距离长达72米左右，其中有15米左右范围盾构将在基础下部经过（见图1），盾构顶部距楼房基础最近距离为8.5m（见图2），穿越土层为④淤泥质粘土层、⑤1-1粘土层。

图1 隧道和倾斜楼房相对位置平面图

图2 隧道与倾斜楼房相对位置剖面图
3、 倾斜楼房情况
倾斜楼房为某居民楼，建于1960年，五层砖混结构建筑，底层下设有0.5m厚的防潮层。
砖墙厚度为220mm，底层地格栅以下墙厚330mm。采用预制混凝土楼板。共设3道钢筋砖统
圈梁。
基础为＃150级钢筋混凝土条形基础，基础底面绝对标高为+2.900m，埋置深度H=1.1m，（H为设计室外地面至基础底面的距离）。
砖标号：底层地格栅以下均用330厚＃100砖，底层用＃100机八五砖，二、三、四层用≥＃75砖，五层用≥＃50砖。砂浆标号：大方脚及头层用＃100，二、三用＃50，四、五层用＃25。
测量结果显示：该居民楼整体向北侧倾斜，由房顶至地面平均倾斜22cm左右，最大处倾斜达26cm，倾斜率达17.2‰，具体见图3、图4。

图3 倾斜楼房照片及倾斜方向

图4 倾斜楼房各角点水平倾斜量
此外，还对楼房周围土层进行了补充勘探，未发现暗浜等不良地质。
4、 盾构穿越引起的沉降影响预估
沉降影响预估的目的是预测盾构施工引起的地表沉降量、沉降范围，判断盾构施工对倾斜楼房的影响程度。
本文采用派克法（peck法）估算盾构施工引起的地表沉降。地表沉降量计算考虑上下行线两条隧道叠加结果。根据以往的施工经验，分别取3组地层损失率（vl1=－0.2％，vl2=0.7％；vl1=0，vl2=0.5％；vl1=－0.2％，vl2=0.5％），对房屋纵向与横向沉降进行计算分析。假设条形基础为柔性，即把基础下地基的沉降作为基础的沉降。得到外纵墙与承重墙由于基础不均匀沉降引起的主拉应力分布如图5、图5所示。
由图可见，墙体大于抗拉强度的最大主拉应力分布较广，预计在外纵墙面的中部产生大量的倒八字形裂缝。

图5 外纵墙主拉应力图
承重墙下部大部分最大主拉应力大于抗拉强度，也可能将会产生较多裂缝。

图6 承重墙主拉应力图
由于地下工程存在较多的不确定因素，因此还需在正式穿越前，设置一定范围的模拟试验段，加强监测，并及时地进行数据分析，优化施工参数。
5、 模拟段盾构施工情况
为了顺利穿越上述倾斜楼房，首先在离倾斜楼房较远的下行线进行了模拟试验推进，采集参数为上行线穿越倾斜楼房做好准备。
模拟段推进长度为20米，前影响区20米，后影响区10米，共计50米，区域内有一幢与倾斜楼房同年建造、结构相同的居民楼（见图7），并且上、
下行线均选用日本小松盾构，提高模拟施工的针对性。

图7 下行线与穿越房屋的相对位置
模拟推进从下行线30～50环，推进期间各项施工参数、施工步骤严格按预定方案实施。
盾构在穿越此幢居民楼的过程中，沉降变化控制在+5～-10mm范围内。配合二次补浆施工，后期沉降极小。
通过下行线穿越楼房的模拟推进，总结出以下几点施工经验：
（1）通过精心施工，全过程的有效控制，对土压力、推进速度、注浆量及注浆压力等施工参数的合理设置，盾构穿越前后，楼房的沉降变化能够控制在+5～-10mm范围内。
（2）通过模拟段的施工，我方初定了上行线盾构穿越倾斜楼房的各项施工参数，土压力范围0.20～0.24Mpa，总推力小于9000KN，扭矩小于1000KN·m，推进速度范围15～25mm/min，注浆量范围2.4～2.8m3，注浆压力范围0.16～0.19Mpa。
（3）根据模拟段施工经验，发现此区域土质极软、流变特性明显，一旦在盾构推进中出现漏浆的情况，将迅速造成楼房局部的突变沉降，这对楼房的结构危害极大，因此在上行线穿越倾斜楼房的施工中，将采取以下措施，杜绝漏浆情况的出现：
①上行线盾构安装完成后，邀请专家对盾构各方面性能进行验收。
②盾构出洞前，对盾尾钢丝刷嵌油脂的工序进行严格把关，油脂采用90＃进口油脂，减小盾尾渗漏的几率。
③推进过程中，严格控制盾构姿态，提高管片拼装质量，保持正常的盾尾间隙。
④推进过程中，使用进口的盾尾油脂。
⑤严格掌握盾构的纠偏量，勤纠缓纠，有效减少对土体的扰动。
6、 正式穿越的施工技术控制
结合模拟试验段的施工经验，并对各项施工参数进行调整、优化，运用至上行线正式穿越倾斜楼房施工中：
（1） 使用特制管片
在穿越区段使用特制的多注浆孔管片，由通常的1个注浆孔增加至3个注浆孔，以便能从隧道内部多个位置进行二次补浆，及双液浆封环箍施工，起到对楼房的保护作用。
（2） 盾构土仓压力的合理设定
土压力设定考虑地面车辆动荷载和房屋荷载的影响，建立土压力值的初始设定（见图8），同时在实际施工过程中，根据实时的地面变化监测数据对预设土压力值进行调整。

图8 土压力值初始设定
对每环的实际出土量和理论出土量进行比较，严格保持开挖面的土压平衡，尽量减少平衡压力的波动，同时还应严格控制与切口平衡压力有关的施工参数，如出土量、推进速度、总推力、实际土压力围绕设定土压力波动的差值等。
（3） 高密度的监测点与监测频率
由于盾构出洞推进30米后即将穿越倾斜楼房，为了及早摸清沉降规律、优化正面土压设置、确定注浆量及注浆压力，在出洞段30米范围内布置了深沉沉降监测点，间距为每2米一组，以便及时了解土层损失情况。
由于现场条件的限制，无法布置高精度的自动监测系统，因此只能采取高密度人监测的方法。在楼房周围共布置23个监测点（见图9），监测频率为所有点每4小时1次，正处于盾构影响范围内的点每15分钟1次。

图9 倾斜楼房监测点布置图
监测现场、指挥中心（盾构数据采集系统办公室）与盾构中央控制室数据同步传递。监测现场将最新数据传递到指挥中心，指挥中心根据监测数据对照盾构数据采集系统显示的数据进行施工参数优化，向盾构中央控制室发出操作指令，盾构推进后又反映出对监测数据变化的控制效果。如此循环，做到动态管理。
（4） 优化浆液配比，合理设定注浆量及注浆压力
通过多年的工程实践，我们认为同步注浆的效果对于穿越施工而言具有决定性的影响，因此对于浆液配比、注浆量及注浆压力的确定尤为重要。此次穿越采用的可硬性浆液配比如下表所示。
表1 可硬性浆液配比
浆液投料量（公斤）／m3
水泥（普硅42.5级）
膨润土
粉煤灰
砂
水
50
100
500
400
500
在穿越过程中，每班对浆液取样测试，性能指标包括比重、稠度、初凝值、泌水率，并根据实际注浆效果，对浆液配比进行调整优化，确保浆液质量。
根据上行线施工经验，我方初定穿越时注浆量范围在2.4～2.8m3，并根据实际情况做适当调整，保证楼房变化在受控范围内。
注浆压力范围0.16～0.19Mpa，以控制地表变形与不漏浆为原则。
（5） 穿越后进行二次补浆
在盾构穿越倾斜楼房之后，后期沉降仍会对楼房的安全造成不利影响。因此必需持续对楼房的倾斜、沉降变化进行跟踪监测，并根据变化量及时对相应位置进行二次补浆，有效降低楼房的后期沉降，直至楼房沉降趋于稳定。
二次补浆施工以少量多次为原则，在测点刚脱出盾尾时，测点沉降速度较快，此时补浆每天施工1～2次，每次注浆量300～500L/孔。经过几次补浆后，测点沉降速度变缓，注浆补浆改为每2～3天施工一次，每次注浆量300～500L/孔。当测点稳定后，补浆施工不再进行。
同时，为避免二次注浆对盾尾设备的影响，在盾尾10米范围内，选用单液注浆；在离开盾尾10米以外，则选用双液注浆。
为尽量减少补浆过程对楼房及周边环境的影响，根据以往施工经验，选用了收缩率小的浆液配比，具体如下表所示。
表2 二次补浆浆液配比
甲液（Kg）
乙液（Kg）
水
水泥
（普硅42.5级）
粉煤灰
膨润土
35°水玻璃
100
100
66
5
30～50
单液浆施工时选用甲液，再加入少许水玻璃，双液浆施工时将甲液和乙液按上述比例同步注入。
施工技术参数：
注浆压力≤0.5Mpa，注浆流量10～15L/min，注浆量300～500L/孔，双液浆初凝时间30～60秒。
7、 穿越期间的倾斜楼房沉降变化
穿越期间，严格执行上述技术措施，倾斜楼房沉降变化基本控制在+5～10mm范围内，1小时内沉降变化小于1mm，楼房也未出现墙面开裂的情况。最大横向倾斜率控制在1‰以内，纵向曲线的各相邻点不产生较大的差异沉降。配合二次补浆施工，后期沉降也极小，变化趋于稳定。
部分监测点沉降变化曲线如下：

图10 F1沉降变化曲线图

图11 F10沉降变化曲线图

图12 F9′沉降变化曲线图

图13 F9沉降变化曲线图

图14 F7沉降变化曲线图
8、 结束语
通过本工程的实践研究，有理由认为：在没有不良地质条件的情况下，盾构的微扰动控制技术能够运用在对于沉降敏感性极高的建筑物穿越工程之中，并且穿越之后的后期沉降也可以通过长期的二次补浆得到有效的控制。
通过此课题的研究，不仅对今后同类工况的施工具有非常重要的指导作用，在工程实践中也将创造巨大的社会效益和经济效益。

参考文献：
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