建筑物下岩溶探测困难, 盾构下穿岩溶地区造成的建 (构) 筑物沉降变形预测和处理更为困难。盾构法具有施工速度快、对邻近地层扰动小等优点, 在城市地铁建设中盾构下穿建筑物时, 保证建筑物安全与正常使用是工程顺利施工的前提^[1,2,3]。

朱合华等^[4]结合实际工程中的微扰动施工控制技术体系, 指出施工过程中的监控量测与反馈控制是核心。范超等^[5]结合武深高速皮家岭隧道, 指出在地质条件复杂、构造作用强烈、裂隙发育、地下水丰富的条件下, 需通过合理的技术措施科学地组织施工。申兴柱等^[6]依托深圳地铁7号线下穿浅基础建筑物, 通过数值模拟与现场检测数据结合, 分析盾构隧道掘进对浅基础建筑物的影响。赵晓彦等^[7]结合长沙市地铁1号线某区间隧道, 采用数值模拟方法分析地表沉降对盾构机掘进的影响规律, 提出合理的盾构机掘进参数值。钱庄等^[8]依托广州市地铁某线路隧道工程, 分析盾构穿越砂土覆盖型岩溶地层施工面临的主要工程地质风险, 提出利用注浆处治岩溶的方法, 并取得优良效果。钱新等^[9]结合北京市地铁大兴线某区间盾构施工实例, 论述在无地表施工条件下通过洞内注浆的方式有效控制建 (构) 筑物沉降。

本文针对长沙市地铁4号线某地铁盾构下穿学校建筑物过程中引起的建筑物微小、不均匀沉降, 对沉降影响因素进行系统分析。考虑场地特殊性, 提出一种专门的注浆控制技术。通过实时监测对施工控制进行评估, 确保学校建筑物安全与正常使用。

长沙市地铁4号线某区间线路采用盾构法施工, 根据线路设计, 在左线第308～352环、右线第308～356环范围内下穿某教学楼。该教学楼为5层框架结构, 基础为天然地基扩大基础, 基础埋深约5.6m, 地面标高41.230m。隧顶距教学楼基础底部15.1m。

盾构施工中, 建筑物沉降相对较大的区段 (左线第306～331环) 地层依次为:杂填土、粉质黏土、强风化砂岩、全风化泥岩、中风化泥灰岩。隧道埋深约20.5m, 洞身地层为中风化泥灰岩。本区段地质勘察揭露多处岩溶, 岩溶分布情况及地质条件如图1, 2所示。

根据详勘及补勘资料, 该教学楼附近皆有溶洞揭露。由于建筑结构及场地条件限制, 常规钻探方法无法顺利实施, 难以完全揭露基底下岩溶发育情况。为保证施工安全, 对揭露岩溶及潜在发育区进行注浆预加固, 但受场地条件限制, 难以全面检测岩溶注浆效果。

现场施工中, 盾构隧道右线成功下穿, 沉降稳定后左线开始下穿。左线下穿段岩溶发育更为强烈、裂隙发育、地下水丰富, 在掘进过程中螺旋输送机频繁喷涌, 土仓压力仅能稳定在0.03MPa以内, 气压加至0.08MPa左右时, 地层被击穿, 地面出现冒气、冒泡沫现象, 刀盘扭矩突破4 000kN·m。

因建筑物出现沉降预警, 在左线第327环拼装完成后盾构机停机保压注浆, 左线第315环位置地表排水沟在气压达到0.076MPa左右出现冒气、未冒泡沫情况。加气保压至0.18MPa时, 地表在左线第335环位置冒泡沫。根据监测数据, 建筑物沉降预警区域主要分布在盾构机前方, 处于详勘和补勘揭露的溶洞区域。

根据区域地质图及勘察资料, 本区段属地层年代相对较老的褶皱丘陵, 断裂构造以北东向较发育, 张家咀-溁湾镇-新塘湾断裂 (F85) 和二里半断裂 (F35) 与本区段线路相交。

该教学楼附近M4Z3-HF-42～52号钻孔揭露的下伏基岩均为三叠系泥灰岩, M4Z3-HF-56～62号钻孔揭露的下伏基岩均为泥盆系石英砂岩, M4Z3-HF-53, 55号钻孔揭露的下伏基岩岩心年代分布有突变, 上部为三叠系泥灰岩、下部为泥盆系石英砂岩 (M4Z3-HF-54号钻孔因位于建筑物结构线内, 未能钻进) 。由此判断此处为不整合接触带, 构造作用明显, 地质条件复杂。

在构造作用影响下, 岩石完整性较差、节理裂隙发育, 为地下水排泄提供大量通道。该地位于岳麓山山脚, 地势西高东低, 地下水从西侧水头高的岳麓山向东侧湘江阶地排泄, 加剧了泥灰岩地层中的岩溶发育。

在地层岩体破碎、裂隙发育、地下水丰富、泥灰岩岩溶发育的条件下进行盾构下穿建筑物施工, 在采取预加固措施的前提下, 仍难免在施工过程中出现土仓保压困难、刀盘扭矩过高等情况。

根据勘察报告及相关资料, 建筑物附近地层中三叠系泥灰岩可溶性为中等;水质分析结果表明, 泥灰岩中地下水侵蚀性CO₂含量为10.25mg/L, 地下水具较强的溶蚀能力;地层受构造作用影响严重, 岩石破碎、裂隙发育、地下水流通性较好, 因此, 本区域具备良好的岩溶发育条件。

岩溶空间位置表明, 在洞身上下均有岩溶分布且相距较近;岩溶分布的空间位置相互接近, 具有一定的连通性。在盾构机掘进过程中, 容易造成土仓泄压, 地下水流失或沿岩溶通道流入土仓, 刀盘前、后方均出现冒气、冒泡沫等现象。

该教学楼浅基础位于三叠系强风化砂岩上, 岩性较复杂, 岩层软硬交替频繁, 岩土工程性状差别大。地下水较丰富, 由三叠系泥灰岩区域流向泥盆系砂岩区域。岩芯呈半岩半土状, 强度低, 岩石吸水使自身体积膨胀, 降低了颗粒间黏结力, 长时间暴露遇水后将发生软化崩解, 对地基均匀性和隧道围岩稳定性产生较大影响。

在构造和岩溶作用的影响下, 盾构机掘进过程中保压不稳定, 造成大量地下水通过裂隙及岩溶通道流失。受地下水运动、盾构机掘进扰动及气压、泡沫剂泄漏的影响, 本身不稳定的强风化砂岩强度在短时间内快速降低, 从而使地基稳定性降低, 导致地层变形, 上部建 (构) 筑物产生不均匀沉降。且该教学楼为浅基础框架结构, 对变形较敏感, 在不均匀沉降等因素作用下, 出现墙体开裂、原有裂缝加宽错动等现象。

该教学楼墙体存在较多旧裂缝 (左线隧道上部地下1层天花板位置的墙体存在有错动迹象的旧裂缝) , 可推测出, 该教学楼在盾构施工前已受岩溶等因素影响, 基础已出现不均匀沉降, 在岩溶、盾构施工的多重影响下, 加剧了基础沉降, 从而引起墙体旧裂缝错动, 并出现大量新裂缝。

结合对建筑物沉降的分析, 以保护既有建筑物为核心, 施工现场有针对性地实施“从重到轻、自上而下”的控制措施:首先对建筑物基础进行注浆加固, 保证建筑物沉降趋势得到缓解;其次对强风化砂岩和泥灰岩交界面进行加固, 截断上部地下水及软弱土层与岩溶通道及裂隙的联系;最后钻孔入岩, 对岩溶裂隙进行充填加固, 通过及时的监测反馈, 指导现场精细化、信息化施工。

对地表冒浆、岩溶发育区、沉降预警点进行分区加固, 共分为A, B, C 3个注浆区域。使用地质钻机在A区钻孔, 岩矿钻机进行B, C区钻孔工作, 施工顺序为A=B>C, 即A, B区同步施工, 均在C区施工前进行。

加固区钻孔位置距墙体1m左右, 平面按1.5m×1.5m梅花形布置, 可根据现场情况进行微调, 孔深均为隧道底部以下3m。A区钻孔全部为垂直孔, B, C区钻孔全部为斜孔。注浆分区布置如图3, 4所示。

1) 根据监测数据, 及时在洞内进行壁后补浆。往洞内3, 9点钟方向球阀注入膨润土+羧甲基纤维素浆液, 维持土压为0.18MPa。

2) 地表注浆孔套壳料达指定强度后通过袖阀管进行惰性浆液灌注, 达到设计初始压力后停止, 以保护盾构机。惰性浆液性能及配合比如表1所示。

3) 惰性浆液稳压后, 注入双液浆, 在惰性浆液上部形成保护壳。考虑地下水丰富, 单液浆难以达到快速稳定沉降的目的, 采用双液浆处理 (高水灰比水泥浆+高稀释比水玻璃混合注入) 。通过现场试验, 调节初凝时间为60～90s, 注浆作业以“低流量、低压力”为控制原则, 使浆液渗透范围尽量大。注浆过程中以注浆压力和监测数据进行双控, 采用跳孔、间歇注浆方式, 逐步完成注浆。钻孔、注浆过程中, 每隔30～60min对孔位附近监测点进行监测, 根据监测数据优化注浆参数。

盾构下穿该教学楼范围内的监测点中有10个出现沉降预警, 结合监测点位置关系, 为避免数据重复, 选取5个最具代表性的预警监测点分析, 如图5所示。

通过分析沉降监测数据, 发现沉降变形发展阶段与施工进度基本吻合, 将建筑物沉降分为以下5个阶段 (见图6) 。

1) 开始下穿:初始沉降阶段 (2017-10-06—2017-10-09)

最大累计沉降12.41mm, 最大沉降速率3.38mm/d, 盾构机掘进至左线第310环, 正式下穿建筑物, 由于地层扰动的影响, 建筑物开始出现沉降, 此阶段沉降基本属于正常扰动。

2) 洞内补浆:沉降控制阶段 (2017-10-09—2017-10-13)

最大累计沉降15.42mm, 最大沉降速率2.07mm/d, 盾构机于左线第327环停机, 进行二次补浆, 建筑物沉降趋势开始减弱并趋于稳定。

3) 岩溶影响:沉降加速阶段 (2017-10-13—2017-10-18)

最大累计沉降25.38mm, 最大沉降速率4.14mm/d, 盾构机从左线第327环开始掘进, 进入48号孔附近岩溶发育区, 监测点F22-14, F22-16, F22-18沉降累计值 (20mm) 及沉降速率 (3mm/d) 超过了警戒值, 随后现场进行加固保护施工, 在A, B区注浆液凝结后, 建筑物沉降趋势得到明显缓解。

4) 地面注浆:沉降收敛阶段 (2017-10-18—2017-10-23)

最大累计沉降25.3mm, 最大沉降速率4.09mm/d, 出现微弱抬升, 1层部分裂缝出现合拢现象。

5) 地面补浆:沉降稳定阶段 (2017-10-22—2017-10-25)

最大累计沉降25.2mm, 最大沉降速率1.08mm/d, 继续在C区注浆, 确保加固效果, 当盾尾离开建筑物区域后, 建筑物沉降基本稳定。

在场地条件受限的情况下, 监测数据可作为加固施工效果评估依据, 最终建筑物各监测点沉降数据收敛, 建筑物墙壁裂缝未继续发育, 盾构机成功下穿, 加固效果良好。

通过分析盾构下穿建筑物沉降影响因素、盾构掘进影响控制措施及沉降监测数据, 可得出以下结论。

1) 本工程盾构下穿引起的建筑物沉降主要由于建筑物附近存在不整合接触带, 建筑物下伏地层岩石破碎且裂隙发育;在具有较强侵蚀性地下水作用下, 泥灰岩地层中岩溶发育且贯通程度高, 地下水通过岩溶通道及裂隙流失。受地下水运动、盾构机掘进扰动及气压、泡沫剂的影响, 本身不稳定的强风化砂岩强度短时间内快速降低, 从而降低地基稳定性, 导致地层变形, 使上部浅基础框架结构建筑物产生不均匀沉降。

2) “从重到轻、自上而下”的处治思路与建筑物沉降的实时监测及针对性的注浆施工控制, 有效控制了建筑物沉降, 使盾构顺利下穿。

3) 在场地条件受限的岩溶发育区施工, 如果不能实现对岩溶精确探测及处治, 盾构下穿施工时需加强变形监测, 出现监测预警后及时对变形区域采取主动控制措施, 实时反馈监测数据, 实现信息化施工, 保证盾构下穿工程安全顺利。