北京地铁10号线盾构下穿既有建筑物的控制措施

田世文;杜新飞;张柏

【摘 要】盾构法是目前城市轨道交通建设施工中的主要方法之一.在施工过程中不可避免地会遇到下穿既有建构筑物等情况,这时对既有建构筑物的保护措施就很重要,本文主要以北京地铁10号线11标段过南、北小街8号楼(特级风险源)的施工控制措施为例进行分析,介绍盾构下穿既有建筑物施工中,监理对施工控制的体会和施工控制的重要环节.

【期刊名称】《铁道标准设计》 【年(卷),期】2008(000)012 【总页数】4页(P148-151)

【关键词】北京地铁10号线;盾构;施工风险;施工控制;建筑物保护 【作 者】田世文;杜新飞;张柏

【作者单位】北京希地环球建设工程顾问有限公司,北京,100044;北京希地环球建设工程顾问有限公司,北京,100044;北京希地环球建设工程顾问有限公司,北京,100044 【正文语种】中 文 【中图分类】U231

1 工程概况

1.1 工程与既有建筑的关系

(1)北京地铁10号线11标盾构区间与南、北小街8号楼的位置关系(表1) 表1 盾构区间与南、北小街8号楼的位置关系建筑物名称隧道埋深/m建筑物基础形式建筑物距隧道的水平距离/m最近距离最远距离北小街8号楼15 7垡板4 216 8南小街8号楼14 57垡板3 714 7 (2)管线情况

北小街8号楼段：隧道距北小街8号楼东0.3～1.6 m内共有6条电力管线，南北走向；距北小街8号楼3.6 m处有一条通信管线，南北走向，与隧道右线最小距离为1.1 m。

南小街8号楼段：隧道距南小街8号楼东0.3～1.6 m内共有6条电力管线，南北走向；距南小街8号楼3.6 m处有一条通信管线，南北走向，与隧道右线最小距离为1.0 m。

1.2 工程地质及水文地质条件 (1)工程地质条件 地层自上而下为：

①粉土填土①层，杂填土①层；层厚1.8～5.3 m； ②粉土③层， 粉质黏土③1层；层厚3.6～7.4 m；

③粉质黏土⑥1层，粉土⑥2层，中粗砂⑦1层，粉细砂⑦2层；层厚7.0～14.5 m；

④粉质黏土⑧层，卵石圆砾⑨层，中粗砂⑨1层，粉质黏土⑩层，黏土⑩1层。 (2)水文地质条件

①上层滞水：水位高程34.58 m，含水层为粉土层，局部为粉土填土①层； ②潜水：含水层主要为粉土⑥2层，透水性一般，水位高程为22.31 m； ③第三层地下水：该层地下水为承压水，含水层为卵石圆砾层、中粗砂层、粉细砂层。渗透系数大，为强透水层，水头高程为20.1 m，因受区域性地下水开采形成

漏斗影响，该层承压性较弱。 2 工程难点和特点

盾构隧道与南小街8号楼的距离近且旁穿距离较长，与楼房的最小水平距离仅为3.7 m，在盾构通过时所产生的沉降影响范围，与楼房为平行走向，旁穿距离长度为100 m；隧道右线与北小街8号楼房最近水平距离为4.2 m，水平长度为52 m。两栋楼房均为20世纪80年代建筑，结构老化且已有多处结构裂缝，当穿越时，由于不均匀沉降可能会加剧裂缝延伸，对建筑安全影响较大。 3 质量控制技术与监控重点

3.1 根据工程的难点，合理划分风险源，提高质量、安全风险意识

风险源的划分直接关系到施工单位对工程风险的重视程度，监理单位应该在工程伊始就要求施工单位对所经过的路线风险情况进行分析识别，对重点工程部位提前做好准备，对既有建筑物进行详细的调查，包括建筑物结构形式、基础现状等，必要时由有资质的评估单位进行质量评估，监理单位要对施工单位的调查情况进行监督，确保落实。

针对本工程的特点，确定盾构近距离旁穿南北小街8号楼为特级风险源，为了确保工程质量和安全，在盾构推进到该部位以前就针对此风险源进行专家论证，采纳专家意见并结合设计单位对建筑物的保护方案确定施工方案，确保方案的可行性和合理性，施工的方案要进行严格的审批，并制定详细的监理细则。 3.2 召开专项施工技术研讨会

在施工开始前，监理组织召开施工专题研讨会，对施工方案进行详细的了解和交底工作，使施工人员对施工的工序、工艺了解透彻，对控制要点清晰明了，落实责任制度和信息管理制度。在工程专项会议上明确以下的具体内容。 (1)分析沉降产生的原因

盾构法施工所需要考虑的问题都是如何控制土体(地面)沉降或变形，避免引起地面

建筑物下沉、倾斜、开裂或者避免造成相邻构筑物损坏。结合工程的实际情况对施工中存在的问题进行分析，找出工程控制的重点。本工程的施工难点在于盾构穿越时沉降的控制，所使用的工程机械为土压平衡盾构，在盾构的推进过程中，地层的变形主要由以下几方面引起。

①掘进引起的地层损失。盾构掘进时，由于开挖面土体受到的水平应力小于原始应力，开挖面土体侧向盾构内移动，引起地层损失从而导致盾构上方地面沉降；反之则土体向上、向前移动，引起负地层损失(欠挖)而导致盾构上方土体隆起。另外盾构在曲线段掘进纠偏时，实际开挖面呈椭圆形，也会引起一定的地层损失，并且盾构轴线与隧道轴线的夹角越大，则土体超挖量也越大，所造成的地层损失越大。 ②地层原始应力的变化，开挖隧道其结果必然导致土体介质初始应力的改变，并产生应力重新分布和相应的地层移动。

③盾构推进时的挤压作用以及盾尾的压浆等使周围形成超空隙水压力区，超空隙水压力将在一段时间内消散复原，地层发生排水固结变形，引起地层位移。同时土体受扰动后，其骨架还将产生很长时间的压缩变形，在次土体蠕变过程中产生次固结沉降。

④衬砌结构变形引起的地层位移，隧道衬砌变形必然导致相应的地层损失。 ⑤管片的渗漏水将会引起周围土体空隙水压力下降，导致土体固结产生的地层位移；注浆材料的凝固收缩也使隧道与周围土体产生间隙，引起相应的地层损失。 (2)针对沉降的特点采取的相应技术措施

根据工程前期的施工经验，结合分析的具体情况，本工程主要从以下的几方面进行技术控制。

①2台盾构机前后距离控制在200 m以上，以减少相互的干扰和影响，从而降低对土体位移的影响。

②合理设置土压力，防止超挖和欠挖。

在盾构推进过程中，根据监控的数据及时调整土压力值，从而科学合理地设置土压力值和适宜的推进速度等参数。该区间段的覆土厚度为16.54～17.35 m，根据计算和经验，压力控制在1.8～2.0 MPa。

③穿越时降低推进速度，盾构的推进速度对地面的隆、沉变形有明显的影响，推进的速度与正面的土压力、千斤顶推力、土体性质等因素都有关系，应综合考虑。本工程的推进速度控制在20～30 mm/min。 ④严格控制盾构推进方向，减少纠偏。

盾构推进及调整主要依靠盾构千斤顶，为了保持盾构姿态、方向、高程准确无误，要加强激光导向，并定期跟进中线控制桩，加密施工中线、高程的测量频率，并据以随时调整输入数据，保证激光导向的正确无误，使盾构的前进始终按预定目标进行。

在曲线段，主要依靠盾构机内不同方位千斤顶推力的调整，达到曲线线形的要求。为此要根据不同区段地层的力学特性，根据已有盾构推进的经验，精确地调整千斤顶的推力值，盾构机轴线与设计轴线的偏差，应始终控制在±50 mm范围内；管片拼装的允许最大偏差：径向相邻管片错台≤4 mm，环向≤5 mm；衬砌环的椭圆度控制在5‰D范围内(D为管片环外径)。

⑤在砂卵石地段，除刀头容易磨损外，由于卵石粒径不同，分布不均，容易产生较大扭矩，对盾构姿态、方向均会产生不利影响。此段地质情况，要加强超前探测，力求详细掌握卵石情况，提前制定可靠措施。

⑥穿越期间采用HSC超细水泥浆液同步注浆工艺，并确保注浆量。

由于旁穿的南、北小街8号楼属于20世纪80年代初的壁板楼，其整体性和刚度均较差，且楼房上部结构表面已经有多处裂缝。中国建筑结构研究院对该楼的安全评估报告表明，该楼的结构倾斜允许1%，外墙最大沉降控制在10 mm以内，对盾构引起的差异变形影响极为敏感。

考虑到此段的地面沉降要求高，除了对盾构参数的控制外，还必须加大注浆量并对注浆过程进行严格的控制，其中浆液的渗透率和早期强度对地表的沉降指标也起着重要的作用。为此，本工程同步注浆采用HSC超细水泥为主要材料的单液浆，每 m3浆液：HSC超细水泥75 kg；白灰70 kg；粉煤灰341 kg。 每推进一环的建筑空隙为 π[(D1/2)2-(D2/2)2]L

其中，D1为盾构外径(右线6.25 m、左线6.14 m)；D2为管片外径，取6 m；L为管片宽度，取1.2 m。

每环的压浆量一般为建筑空隙的120%～200%，根据以往盾构推进的相关经验，一般每环的注浆量为建筑空隙的180%，即右线4.8 m3、左线2.8 m3即可满足地面沉降的要求。但考虑到南、北小街8号楼区间地面沉降控制标准高，且HSC超细水泥渗透率高的特点，南、北小街8号楼期间盾构推进同步注浆量右线控制在5.0～5.5 m3、左线控制在3.0～3.2 m3。注浆压力控制在0.35 MPa。 同步注浆时要求在压入口的压力大于该点的静止水压及土压力之和，做到尽量填补而不是劈裂。注浆压力过大，管片外的土层将会被浆液扰动而造成较大的后期地层沉降及隧道本身的沉降，并易造成跑浆。而注浆压力过小，浆液填充速度过慢，填充不充足，也会使地表变形增大。 ⑦二次补注浆采用双液补浆

二次注浆选用HSC超细水泥-水玻璃浆液，每m3浆液配比为：水泥350 kg，粉煤灰350 kg，水玻璃50 kg。

每两环进行一次补浆，补浆量为同步注浆量的30%，注浆利用低压，少量、多次注浆的方式补充原有浆液固结收缩所产生的空隙。

盾构推进过后的5环进行一环环箍注浆，每环6个孔每孔注入1.0 m3。注浆压力为0.3 MPa。

⑧对该区段通道下方土体进行双液注浆加固

盾构穿越该区间过程中，通过不同部位的管片预留注浆孔对通道下方的土体进行注浆加固，加固深度约1 m，根据地面环境监测数据信息化施工。

浆液采用水泥-水玻璃双液浆，浆液配比为：水泥350 kg，粉煤灰350 kg，水玻璃50 kg。

⑨控制好盾构姿态，确保盾尾间隙均匀

盾构推进过程中的同步注浆及二次补浆是控制地面沉降的主要因素，以往的经验显示，盾构推进过程中的盾构姿态不好易造成盾尾处漏浆、地面沉降，因此在盾构旁穿南、北小街8号楼区间，确保盾构推进轴线与设计轴线相吻合，盾尾四周间隙均匀。另外通过加大盾尾油脂压注量来防止注浆液通过盾尾流失。根据以往施工经验，盾尾油脂量比正常推进每环多20 kg可以较好地控制盾尾的漏浆量。同时油脂全部采用进口油脂CONDAT。 ⑩加强施工过程管理，确保盾构连续穿越

盾构推进过程中长时间的停机易造成地面大量的沉降，为了确保24 h连续推进，在穿越前对盾构机及其他故障和缺陷，会同设备供应商和专家共同检测修理，并对可能产生的故障预先做好修理准备，对主要设备零件备件。 3.3 针对施工技术措施，确定监理控制重点 (1)盾构机施工参数控制

监理在监督过程中应根据地质条件情况、环境监测情况，通过信息反馈，动态掌握施工参数的变化，重点控制以下几点施工参数：合理确定土压力；监测出土量是否正常；掘进速度与出土速度是否协调；千斤顶推力是否符合盾构趋势。 (2)盾构掘进姿态控制

①盾构姿态测量数据：监理人员可对自动测量数据和人工测量复核数据综合分析、比较，动态掌握数据变化情况，正确指导盾构正确、安全地推进。

②纠偏控制：监理工程师应督促承包方合理地制定纠偏方案和纠偏量，及时采取纠偏措施，避免误差累积。 (3)管片拼装控制

①管片进场检查：重点检查进场管片规格，质量合格证明文件，管片外观质量；密封垫粘贴位置和粘贴质量。

②管片成环后检查：高程和平面偏差，纵、环向相邻管片高差和纵、环向缝隙宽度，纵、环向相邻管片螺栓连接。 (4)注浆作业监控

监理在监督过程中应通过分析监测资料(以控制地面和隧道结构变形为原则)、审查拌制和注浆施工记录、对每作业班拌制注浆液试块制作见证送检等手段来综合分析注浆作业的效果，判断注浆作业是否达到控制变形的成效，并重点监督浆液配合比、注浆量、注浆压力等主要技术指标。 3.4 加强监控量测

施工过程中的监控量测是指导施工的重要数据来源，在施工中要重点控制数据的及时性和真实性，对数据进行详细的分析和控制，建立信息反馈制度。在本工程中信息的反馈采取日报和周报相结合的管理制度，对沉降值进行周分析和日控制，以指导施工和全面调控。监控数据划分为安全值、报警值和临界值进行控制。在监控方面采取了以下措施：

(1)在盾构推进轴线上每10 m布设1个监控断面，每断面5～6个监控点；对隧道轴线每5 m布设1个监控点，频率为3次/d，如变形超过报警值则进行跟踪监测。 (2)监测点埋设钢筋的深度大于800 mm，保证数据的真实性，防止其他因素引起的监测点数据变化误导。

(3)对所有的基准点全面复测，保证检测数据的真实性。 3.5 必要时对建筑物采取加固

为了确保所经过的建筑物安全，还要对建筑物的社会和经济效果进行分析，必要时对建筑物采用加固措施。

本工程为特级风险源，建筑物为居民楼，地处繁华街段，社会影响、经济影响比较大，为了在盾构通过时保证建筑物的安全，除了在隧道内盾构施工过程中采取措施外，还对建筑物采用了隔离桩进行保护，即在右线隧道与楼房之间打1排隔离桩，桩间用冠梁连接，桩底压注水泥浆加固。

隔离桩相关参数：采用φ800 mm的混凝土灌注桩，长度26 m，中心距1.0 m。 4 结语

该工程经采取以上控制措施，盾构安全通过该特级风险源地带，各项数据表明控制良好，质量、安全得到了全面保证，建筑物差异沉降数值控制在3 mm以内。 参考文献：

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