在城市地铁盾构隧道施工过程中, 难免会遇到盾构下穿建筑物的情况, 而在下穿的同时盾构又需穿越复杂地层, 这就对地表沉降的控制带来巨大困难, 也增加地表建筑物破坏可能性。张旭东^[1]研究广州地铁6号线盾构穿越345m富水砂层实例, 通过室内试验进行渣土改良, 采用双螺旋输送机有效防止水土突涌现象。唐卓华等^[2]以深圳某地铁土压平衡盾构掘进施工为例, 针对富水砂层, 得出适合于该地层渣土改良的方案。对于广州典型的上软下硬地层, 王俊等^[3]采用ϕ800模型盾构开展室内掘进试验, 研究土压盾构对上软下硬地层的扰动特征。邓彬等^[4]在深圳地铁2号线东延侨香站—香蜜站区间给出盾构穿越上软下硬地层的具体掘进参数。郭海^[5]研究北京地铁6号线富水砂层中盾构掘进的设备性能配置、施工工艺参数、渣土改良等方面内容, 分析、论证在富水砂层中采用土压平衡盾构机下穿风险源的施工关键技术。张天明^[6]结合深圳地铁2号线盾构下穿景煜小学、翠海幼儿园等建筑物的工程实例, 研究分析盾构隧道下穿施工对城市建筑物的影响机理及变形控制基准值, 提出相应的盾构下穿建筑物施工的掘进参数和控制地层沉降的技术措施。

但对于盾构既要穿越全断面富水砂层和上软下硬地层, 又要下穿基础薄弱密集建筑物的案例非常少, 相应的施工技术措施还不够完善。如何设置试验段选取合适的掘进参数、采取何种恰当的建筑物保护措施以及运用准确的现场监测来指导施工并控制地表、建筑物沉降, 都需进一步分析研究。

水西站—长平站是广州市轨道交通21号线11标盾构区间, 采用2台土压平衡盾构机, 区间双线累计全长2 628.2m, 右线长1 551.25m, 左线长 1 076.96m;隧道平面线路基本呈曲线布置, 最小曲线半径为600m, 最小线间距为13.7m;中间风井为下坡始发, 坡度为-28‰, 线路最大上坡为27‰;管外径6m, 内径5.4m, 环宽1.5m。盾构在里程DK20+264.92—DK20+540处为下穿水西村段, 对应右线257～396环, 共140环 (210m) ;左线225～393环, 共169环 (253.5m) 。

线路正上方盾构轮廓线6m影响范围内房屋共85栋, 隧道2倍埋深影响范围内房屋共175栋, 房屋密集, 普遍加盖至5, 6层, 大多房屋为浅基础, 甚至无基础, 直接坐落在砂层地质上, 如图1所示。

盾构下穿水西村段, 隧顶埋深为10～20m, 地下水深度6.4～12.1m, 隧道开挖面以黏土层和富水砂层为主, 砂层渗透系数3.55～4.02m/d;右线 266～310 环、左线273～311环隧道开挖面为全断面富水砂层, 长度分别约65, 58.5m。右线上软下硬地层18m (384～396环) , 左线上软下硬地层34.5m (371 ～393环) 嵌入隧道内逐渐呈全断面走向, 最高单轴抗压强度达103MPa。隧道地质纵断面如图2所示。

当开挖地层主要以粉质黏土为主 (约80%) 时, 刀盘中心易发生结泥饼现象;当开挖地层主要以砂层为主 (60%～90%) 时, 易发生喷涌现象。这些均会导致出渣难以控制, 不利于控制地表沉降。在全断面砂层中掘进施工, 由于砂层内摩擦角较大, 在渣土改良效果不理想情况下, 盾构停机后砂土有沉降固结现象, 刀盘再次启动易造成启动扭矩过大出现刀盘抱死现象。当掌子面以全断面花岗岩 (下部为中微风化花岗岩、上部为强风化花岗岩) 为主时, 推力、扭矩明显增加, 刀盘振动明显, 易出现刀具异常磨损、失效等情况。

建筑物保护范围为隧道边线外扩50m, 保护措施主要以袖阀管跟踪补偿注浆为主, 根据具体监测情况, 必要时对建筑物预埋袖阀管进行跟踪补偿注浆。

根据建筑物的结构类型及对沉降敏感程度、沉降允许值, 制定建筑物及地面变形警界值, 对建筑物及地表进行监测, 及时反馈监测信息。提前预埋袖阀管, 当变形达到警戒值 (即允许值的80%) 时进行袖阀管注浆加固, 如图3所示。

袖阀管注浆压力一般取300～500kPa, 根据地质情况, 当地层渗透性差时, 注浆压力可提高到500～1 000kPa。但要加强地表监测, 防止注浆导致地面隆起。

盾构机刀盘的设计必须根据隧道的地质条件“量体裁衣”进行针对性设计, 即刀盘的地质适应性设计^[7]。为了减少刀盘在黏土掘进时中心结泥饼的几率, 新造刀盘采用焊接结构, 增大中心开口, 刀盘整体开口率约35%, 中心开口率约40%。由原来的双刃滚刀改为单刃滚刀, 4个驱动支撑臂为整体铸造, 刀盘总厚度为740mm、总重约59t。刀盘面板共有滚刀40把, 其中中心滚刀8把, 为17in (1in=2.54cm) 刀圈, 正面、边缘滚刀32把, 由原来的17in滚刀改为18in滚刀, 滚刀高出刀盘面板187.5mm, 齿刀、刮刀高出刀盘面板140mm;刀盘面板设计有5路泡沫注入口, 注入口轨迹从中心往边缘大致均匀布置, 尽量使泡沫注入更加均匀, 新造刀盘如图4所示。

螺旋输送机是土压平衡盾构的重要组件, 对维持盾构开挖面土压平衡起着至关重要的作用。通常1台土压平衡盾构中只配备1节螺旋输送机, 但在一些水土压力较大地区采用土压平衡盾构时, 1节螺旋输送机难以平衡地层压力^[8]。因此, 针对富水砂层中易发生喷涌现象, 采用双螺旋输送机结构设计。二级螺旋机前端通过铰接与一级螺旋机连接, 后端通过4根链条固定在连接桥上, 能够满足盾构机在600m曲线半径下螺旋机出土口和皮带机的有效对接, 保证正常的出土要求。

二级螺旋机筒体直径700mm, 功率90kW, 最高转速19r/min, 与一级螺旋机性能匹配, 两级螺旋机转速均单独可调。在易喷涌地层, 通过调节两级螺旋输送机的相对转速形成土塞调节一级螺旋输送机土压, 达到与土舱内土压的动态平衡。当土舱内土压过大时, 可通过交替开关一、二级螺旋机闸门, 循环进渣、出渣实现易喷涌地段连续安全掘进目的。突然断电时, 闸门均能在蓄能器的作用下自动关闭, 以保证隧道安全。

二级螺旋机理论通过最大粒径为590mm×250mm, 为了防止螺旋机卡死, 一级螺旋机设有5个检修口, 二级螺旋机设有2个检修口, 确保大孤石卡螺旋时方便处理。

为更好地防止泡沫注入管路的堵塞, 将盾构机的泡沫注入系统由原来的多管单泵改为单管单泵设计, 共6路泡沫系统, 每一路的泡沫流量和压力单独连续可调。同时, 增加泡沫混合液罐, 泡沫混合更加均匀, 发泡效果好;泡沫系统的任意一路或多路可切换成膨润土注入管路, 根据地层变化, 盾构操作人员可选择注入泡沫或膨润土。

在对刀盘、螺旋机、泡沫各系统的改造下, 又对注浆罐容量进行扩大。同步注浆罐容量增加至7m³、膨润土罐增加至6m³, 加大输送泵的泵入能力;并配备聚合物注入泵能力为10m³/h, 注入压力达0.8MPa, 配备0.5m³聚合物系统发生罐。当发生喷涌时, 在土舱底部及螺旋机内注入聚合物, 对防止喷涌有一定效果, 改造后的系统如图5所示。

盾构机在砂层掘进易出现载头, 因此在掘进过程中保持盾构机抬头掘进的趋势, 垂直趋势控制在4～5mm, 盾尾控制在-30mm左右, 姿态控制调整不宜过大、过频, 减小纠偏, 姿态纠偏做到“勤纠、缓纠”, 避免对土体超挖和扰动。确保盾构连续掘进, 停机时土压略比掘进土压高0.02MPa。

桩基础建筑物沉降最大变形允许值为10mm, 天然地基建筑物沉降最大变形允许值为30mm, 地表沉降最大为30mm, 隆起最大为10mm。当实际变形值达到设计允许值的80%时, 须向有关单位发出预警;当首次报警后, 若测点以较大速度继续下沉变形, 应视情况继续报警并加大监测频率, 且可通过同步注浆和二次注浆有效控制地表沉降。

盾构开始掘进时, 首先注下半部分, 对底部管片进行填充, 防止出现管片下沉现象。注浆时上部管注浆量约占总量的3/4, 注浆时采用4根管同时注浆, 注浆压力控制在0.2～0.3MPa。混合地层同步注浆量8m³/环, 全断面砂层同步注浆量10m³/环, 注入率为200%～250%, 初凝时间约6h, 固结率为95%, 浆液1d抗压强度达0.2MPa。

注浆环为脱出盾尾10环管片, 采取每4环1次, 在注浆环3, 9点位对称开孔, 注入浆液为双液浆, 注浆压力控制在0.2～0.4MPa。

对地表、房屋沉降较大点位所对应的管片位置, 采用钢花管深孔注浆方式注浆。在注浆前先选择合适的注浆孔位, 戴上注浆单向逆止阀后, 用电锤钻穿该孔位, 将钢花管插入管片注浆孔内0.8m, 再向外扩深0.15m, 接上三通及水泥浆管和水玻璃管。管片外周基本为原状土, 土体相对密实, 注浆压力控制在0.5～1.5MPa。

鉴于盾构下穿水西村时地质条件为黏土、全断面富水砂层以及上软下硬地层, 为了很好地控制地表沉降, 通过试验段确定盾构掘进参数, 现场试验段3个断面掘进时施工参数如表1所示。

选择右线15～20环为第1个监测断面, 监测结果显示, 最大沉降点位于右线隧道轴线, 累计沉降值为-26.05mm, 沉降明显集中在盾尾脱出管片后发生。沉降的主要原因为同步注浆量偏少导致沉降较大。

选择右线38～42环为第2个监测断面, 改进施工措施, 增加二次注浆, 最大沉降点位于右线隧道轴线, 停机后有较小沉降, 2d后趋于稳定, 累计沉降值为-14.79mm, 表明及时进行二次注浆对沉降有较大改善。

选择右线54～56环为第3个监测断面, 最大沉降仍然为右线隧道轴线, 盾尾脱出管片1.5d后监测数据反映严重超标, 单次沉降达-24mm, 累计沉降为-27.26mm。该地层为砂层地质, 可见砂层地质沉降反应迅速。其主要原因为同步注浆量不足, 二次注浆未及时跟进, 导致单次沉降远超过规范值。

1) 埋深在10.8～11.5m时, 以黏土层为主、砂层为辅的地质中, 盾构掘进施工土压控制在0.13～0.15MPa;以砂层为主、黏土层为辅的地质中, 土压控制在0.14～0.15MPa, 在盾构施工时地表沉降相对较稳定。

2) 隧道开挖面在以黏土层为主、砂层为辅的地质中掘进, 采用泡沫添加剂3%～5%、水95%～97%、压缩空气90%～95%和泡沫溶液5%～10%混合而成, 砂层中适当加大泡沫剂用量, 能有效改良黏土和易性, 降低渣土温度, 减少刀盘扭矩和结泥饼情况, 渣土改良较理想。

3) 试验段70～110环是该段砂含量最多地段, 在未采取注入膨润土浆改良的情况下, 也未出现喷涌现象。但在过水西村时有全断面砂层地段, 还应将地面膨润土池建好, 将膨润土注入系统检查试用, 采购质量较好的膨润土, 预计在全断面砂层掘进中每环注入4～5m³膨润土泥浆, 改良渣土。相比之下, 使用膨润土更能有效控制喷涌。

4) 脱出盾尾3～5环位置及时配合二次注浆 (双液浆) , 主要注上半部, 同步注浆与二次注浆同时进行, 及时填充和稳定管片上方的空隙, 避免同步注浆凝固前地层坍塌, 脱出盾尾10环后每3环进行二次注浆 (单、双液浆) , 填充因浆液固结收缩产生的空隙, 确保管片外周填充密实。

根据试验段沉降数据分析及实际掘进情况, 掘进参数正常, 土压正常, 出渣量正常, 未出现喷涌现象, 渣土改良效果良好, 地表沉降主要由同步注浆有效量偏少、盾尾漏浆导致。

盾构下穿水西村时, 施工主要掘进参数拟定如表2所示。

盾构在黏土层中下穿水西村时, 隧道埋深12～13m, 施工中掘进参数变化幅度较小, 在拟定盾构施工参数范围内, 出渣量控制稳定。具体掘进参数如表3所示。

黏土层泡沫注入参数:泡沫剂原液3%, 发泡率10倍, 注入流量700L/min, 注入率25%～30%;通过土舱后壁3, 9点位球阀, 往土舱内加水, 渣土流塑性较好, 出渣顺畅。

通过地表监测、房屋沉降监测数据反馈, 地表沉降右线最大点沉降为-9.2mm, 左线为-6.2mm, 都在沉降规定允许范围内, 可见选定的施工参数合理。

盾构在全断面富水砂层掘进时, 隧道埋深13～14m, 掘进参数控制值稳定, 出土量控制值稳定, 具体掘进参数如表4所示。

为防止出现刀盘抱死现象, 刀盘启动时应降低其转速, 严重时将刀盘正、反转, 停机时加入膨润土并缓慢转动刀盘, 均匀搅拌注入的膨润土浆, 刀盘抱死现象得到一定改善。

砂层中泡沫注入参数:泡沫剂原液2%～3%, 发泡率10～15倍, 注入流量600L/min, 注入率25%～30%;根据渣土中的含砂百分比, 往土舱内添加已膨化24h的膨润土泥浆 (黏度48～56Pa·s) 2～4m³进行渣土改良;掘进至1 600mm停止出土, 保持纯土压;通过以上措施, 渣土流塑性好, 有效避免螺旋机喷涌现象, 砂层中膨润土注入量如表5所示。

在黏土层进入全断面砂层掘进过程中, 由于地质变化, 掘进参数变化明显, 如图6所示。

为有效避免螺旋机喷涌、控制地表沉降, 采取一些措施:降低螺旋机转速和闸门开度;当盾构掘进至千斤顶油缸行程1 600mm时, 停止出土, 采用纯土压进行停机保压;由于全断面砂层中地下水流量大, 通过增加水泥用量缩短同步砂浆初凝时间和强度;施工过程中快速、平稳掘进, 避免、减少盾构异常停机时间;使用添加聚合物的泡沫剂, 增强止水性。

通过地表监测、房屋监测数据反馈, 地表沉降右线最大点为-5.5mm, 左线为-7.6mm, 很好地控制地表沉降。

盾构在掘进上软下硬地层时, 掘进参数的稳定控制值如表6所示。掘进过程中, 刀具磨损较大, 铰接拉力约占6 000kN。

上软下硬地层泡沫注入参数:泡沫剂原液2%～3%, 发泡率8倍, 注入流量100～150L/min, 注入率40%;往土舱内添加黏度在38～52Pa·s的膨润土浆2～4m³/环;盾构机姿态正常情况下控制盾尾在 -30mm, 具体根据管片姿态数据调整, 注意姿态变化, 调整4组分区油压, 防止盾构机姿态抬头造成管片上浮;提前将铰接伸长到120mm左右, 以便在刀具损坏或卡刀盘时将盾体退回, 避免刀具安装时因积岩凸起打刀槽, 增加施工风险。

在黏土层进入上软下硬地层掘进时, 推力、扭矩明显增加, 刀盘振动明显。易出现刀具异常磨损、失效等情况。为确保盾构正常掘进, 减少异常停机时间, 采取以下措施:刀盘贯入度严格控制在 3～8mm/min, 控制各组千斤顶油缸油压差, 降低盾构机总推力;适当采用气压对土舱的渣土进行置换, 减少刀具磨损, 置换过程中土舱压力波动控制在0.02MPa以内;每环进行2次渣温检测和渣样分析, 并对掘进参数变化情况进行动态调整。

通过以上措施, 刀盘启动扭矩平均下降0.4～0.7MN·m, 减少因刀盘扭矩过大造成的刀盘跳停, 降低渣温约3℃。

在对应右线294～300环处选择1个JM7监测断面进行分析, 共设置6个监测点, 监测数据如图7a所示。盾构在4月27日刀盘掘进至该断面, 28日管片脱出盾尾。最大沉降点为JM7-5, 监测点在右线隧道轴线左侧4m范围处, 累计沉降量为 -4mm。盾尾脱出管片1d后单次沉降数据较大, 砂层地质反应迅速。

掘进JM7断面时, 盾构主要施工参数:土压稳定在0.16～0.18MPa, 推力控制在 15 000～17 000kN, 推进速度30～50mm/min, 同步注浆量9m³/环, 二次注浆量1.2m³/环, 出土量控制在60m³。

在对应左线271～279环处选择1个D16监测断面进行分析, 共设置7个监测点, 监测数据如图7b所示。盾构在5月28日刀盘掘进至该断面, 30日管片脱出盾尾。最大沉降点为D16-4, 监测点对应左线隧道轴线, 累计沉降量为-4mm。盾尾脱出管片1d后单次沉降数据较大, 砂层地质反应迅速。掘进D16断面时, 盾构主要施工参数:土压稳定在0.16～0.18MPa, 全断面砂层推力控制在16 000～18 000kN, 推进速度40～60mm/min, 同步注浆量7.5m³/环, 出土量控制在60m³。

由现场监测数据看出, 采取跟踪补浆, 改造设 备, 将盾构参数选择在根据试验段拟定的掘进参数范围内, 并在复杂地层中采取如上相应施工措施, 便能有效控制地表沉降。

1) 盾构下穿基础薄弱的密集平房群时, 应对建筑物提前预埋袖阀管, 加强监测;根据相关规范中建筑物的沉降允许值, 制定建筑物及地表变形的控制标准, 当变形达到警戒值时, 进行袖阀管注浆加固, 能及时有效控制建筑物沉降。

2) 对于黏土地层, 适当增大刀盘开口率, 能有效减少刀盘结泥饼的几率, 而且将双刃滚刀改为单刃滚刀利于盾构机不开舱换刀一次性通过。

3) 对于盾构穿越全断面富水砂层地质, 增加二级螺旋输送机, 加长螺旋机长度, 使排渣阻力增加, 利用两段螺旋之内的空腔形成土塞效应, 增大刀盘前方抵抗土压力能力, 能有效防止喷涌发生。将泡沫注入系统改为单管单泵设计, 减少泡沫管堵塞几率, 并且扩大膨润土箱容量以有效防止喷涌发生。

4) 盾构穿越重大风险工程前, 提前设置试验段, 拟定合理的盾构下穿施工参数, 实测证明控制参数在拟定范围内, 可确保地表沉降在允许值以内。