浅埋破碎软岩地层盾构穿越老旧房屋施工关键技术研究

李永森

摘  要：土压平衡盾构在埋深浅、裂隙发育的破碎软岩地层中、地表分布年代久远以及结构老旧的浅基础房屋等工况条件下，施工存在较大风险。该文针对此类工况，从掘进模式、精细化管控措施等方面展开论述，形成一套行之有效的施工应用技术，为类似工程提供参考和借鉴。

关键词：盾构掘进；浅覆土；辅助气压；风险控制；地铁施工

中图分类号：U455.43      文献标志码：A          文章编号：2095-2945（2024）06-0176-04

Abstract： In the working conditions of shallow buried depth， broken soft rock strata with cracks， long-term surface distribution and shallow foundation houses with old structure， there are great risks in the construction of earth pressure balance shield. Aiming at this kind of working condition， this paper discusses from the aspects of tunneling mode， fine management and control measures， and forms a set of effective construction application technology， which can provide reference for similar projects.

Keywords： shield tunneling; shallow overlying soil; auxiliary air pressure; risk control; subway construction

地铁施工时常遇到浅覆土、破碎带以及下穿老旧房屋等叠加工况，使盾构施工面临较大风险。针对该问题有学者认为应采取全土压模式掘进以便最大限度降低施工风险，然而该方案对渣土改良、土仓进出土量动态平衡所对应的土仓压力、刀盘扭矩等参数的稳定输出均有较大挑战，还存在盾构运转负荷大、刀具磨损快、易结泥饼或喷涌和掘进效率低等问题。另一方案则采用“辅助气压”工法掘进，该工法虽要求地层具备一定气密性和自稳能力，但其优点基本克服了全土压模式所存在的问题。以往出现险情的案例基本是由于运用不灵活、操作不娴熟、保障不到位造成的。本文通过实际案例，以“辅助气压”工法为基础，加以优化总结形成一项在特定工况条件下行之有效的施工应用技术，以期为今后类似工程提供参考和借鉴。

1  工程概述

1.1  地面环境

本文以广州地铁十二号线烈东区间盾构工程为背景。距该区间始发端头约15 m处分布有人工湖以及二层砖混结构建筑（下文定名为“华艺廊”），为艺术品储存场所。房屋结构整体性差，基础为条形基础+松木桩，涉及陆域和水域两部分，如图1所示。条形基础分布于陆上区域，深度1.2 m；涉水部分以松木桩为基础，松木桩桩长4～4.5 m，如图2所示。桩底至隧道拱顶间距为6.26～6.91 m。隧道在该区域覆土约13 m，穿越长度约30 m。

1.2  地质分析

地勘资料揭示隧道拱顶与建筑基础间地层主要为淤泥质中粗砂、强风化粉砂质泥岩、中风化粉砂质泥岩，隧道断面范围内地层为中风化粉砂质泥岩，属于软岩类地层，广州地区俗称“红层”，强度低，约6～10 MPa。該区域还揭露有部分断裂破碎带即清泉街断裂带，裂隙发育，岩层RQD指标仅为20%～25%，地下水通道丰富，尤其接近拱顶处存在部分强风化层，破碎且夹泥。

2  施工风险

2.1  地层失水沉降引发地面房屋开裂坍塌风险

本区域中风化粉砂质泥岩岩面距隧道拱顶高度小，覆盖层薄，裂隙发育程度高，且隧道覆土浅，基岩裂隙水与地表水系连通的可能性极高。施工时易发生土体进一步扰动以及土仓汇水造成地层失水沉降过大的风险。

2.2  刀盘结泥饼风险

泥岩单体密实度高，与水融合慢，具有一定的隔水性。在“辅助气压”模式下掘进，盾体周边地下水被逼离，若渣土改良不及时以及仓内实土比例控制欠合理，极易出现渣土滞排和结泥饼的风险。

2.3  污染湖水的风险

施工区域范围内80%以上为涉湖段（图3）。湖水深度0.5～2 m，湖底以下地层渗透系数较高。掘进时土仓内高压气体易携带泥浆和泡沫透过基岩裂隙击穿上覆土层，自湖底冒出而污染湖水。

3  关键技术应用

3.1  施工前准备

3.1.1  房屋鉴定

施工前对房屋开展鉴定，共排查出既有裂缝约120处，宽度约5～40 mm。

3.1.2  房屋支顶

利用模板、槽钢、盘扣支架和方木等材料对隧道线路上方房屋结构进行支顶。

3.1.3  人员及艺术品临迁

穿越前将华艺廊内艺术品转移保护，施工期间安排场所内工作人员进行居家办公。

3.1.4  深层土体监测孔

在靠近建筑边及线路上方布设深层土体监测点共计3个，深度4 m，与木桩底齐深，确保更准备掌握地层动态变化情况。

3.1.5  工前地质雷达扫描

利用地质雷达扫描探测出3处雷达波异常段落，根据专业分析推断为一般疏松体和含水疏松體，病害长度为5 m，深度范围为6.8～7.8 m，对盾构施工无实质性影响。

3.2  施工过程控制

3.2.1  施工参数拟定及控制

以“辅助气压”工法为基础，通过精细化的管控措施，合理优化控制各项参数并不断拟合地层特性，使参数保持低于阈值状态稳定输出并维持动态平衡，确保盾构机“吃得近，排得出，推得动”，形成良性运转。

掘进过程密切关注刀盘转速、推力、扭矩、贯入度以及土仓压力等参数的相互关联性，表1为主要掘进参数。根据地层自稳性，可适当提高刀盘转速并降低贯入度，以“高转速，低贯入度”原则控制。凭借“软岩”的强度特点，刀盘转速适当提高并不会加剧地表振动，但却可通过提高刀盘单位时间土体切削率同时降低刀盘单转土体切削量，既保证掘进速度，还能有效避免刀盘因贯入度过大而“撕烂”开挖面，扩大地层扰动的问题。

其次通过改良渣土达到一定流塑性后（但避免一开闸门即喷的状态），积极利用螺旋机转动出土，以闸门开度和螺旋机转速为双控，使仓内出土形成定量，通过稳定的高频率出土对应高频率进土，在较低推力水平下即可达到预期贯入度，从而确保推进速度。因刀盘转速恒定时，土仓排土效率将直接影响仓内进土量，参数方面以推力和速度体现尤为明显。当螺旋机排土不畅或不稳定时，仓内易出现大量积渣从而阻碍新切削土体进入土仓，导致现有推力无法满足预期贯入度，最终形成推力大，速度小的恶性循环现象。对于“辅助气压”工法，利用上述方法保障土仓进出土量动态平衡，仓内气渣界面基本保持不变。排渣时灵活利用自然空气填补土仓，确保土仓压力的稳定。

3.2.2  精细化技术管控措施

1）合理控制仓内实土量。通过对仓内实土量的合理调整和控制，保持2/3仓实土和1/3仓自然空气的分配比例，确保一旦发生大量漏气失压突发险情时，可快速“逼土”推进，以最短时间将土仓保满实土，从而快速稳定开挖面。其次控制仓内气体空间比例有利于抑制高压气体携带泡沫污染湖水。再者相对全土压模式而言，因减少了仓内实土量，从而有助防止结泥饼并降低实土对开挖面土体的摩擦碰撞式扰动，且设备整体运转负荷也降至可控范围内。辅助气压模式示意图如图4所示。

2）合理控制土仓压力。土仓在进出土过程中，难免会引起部分参数波动，其中土仓压力尤为敏感，利用Samson自动保压系统维持土仓压力稳定显然事半功倍。Samson压力值设置适当低于额定土仓压力0.1～0.2 bar，剩余缺额利用泡沫发泡空气予以填补，使土仓压力始终维持稳定，控制更为精细。

3）渣土改良控制标准。渣土改良主要使用泥岩分解型泡沫和水，通过配比试验得出配比（单位为L）为泡沫原液：水=1∶22，膨胀率为1∶10～15时，发泡效果较好。使原本密实的块状土加速崩解而后在水的作用下（每环注水量约8～15 m3）形成流塑性较好的“稀泥”，排至皮带上，基本形成“塌落平铺”状态，如图5所示。此外在气压作用下，“稀泥”还能够封堵开挖面和盾体周边地层裂隙，抑制土仓漏气，保证仓压稳定的同时也有效控制泡沫污染湖水。

4）出土量控制。出土量以松散系数1.4计算虚方约为74 m3。利用容量18 m3的土斗按平斗装土，实际出土量控制在理论量的110%以内并记录每斗土所对应的推进油缸行程量。每完成掘进一环，须严控土仓内实土高度与起始基本保持一致。

5）盾体径向孔注入衡盾泥。每环同步定量向盾壳径向孔注入衡盾泥，抑制盾体上方地层沉降的同时封堵地层裂隙有助于保压，如图6所示。配比设置：A粉∶水=1.1∶2；A料∶B料=15∶1。经计算，起始阶段初次注入量为7 m3，后续注入量为1.2 m3/环。

6）同步及二次注浆。同步注浆量为建筑空隙的130%～150%。盾构开挖直径Φ6 700 mm，管片外径Φ6 400 mm，每环（环宽1.5 m）同步注浆量实际为7 m3/环。要求管片上、下方注浆比例为3∶2。注浆以表2、表3方式进行控制。

二次注浆摒弃了利用电瓶车载运注浆设备及材料的方式，利用同步注浆系统下部一路注浆管加装三通接长管后，接入指定管片顶部二次注砂浆，避免了二次注浆与盾构掘进的作业冲突。注浆位置为距离盾尾第6环，注浆间隔为每五环一注。

3.3  工后保护

当盾尾全面脱离华艺廊10环后，以施工阶段管片注砂浆的孔间进行加密开孔再次组织对管片壁后注水泥浆并且持续监测，根据监测情况进行补浆。

4  施工效果

穿越后，建筑物沉降监测点沉降累计最大为JC7（深沉土体监测点），累计0.7 mm，设计沉降最大控制值为-30 mm；建筑物隆起最大为JC13，累计2.00 mm，设计最大隆起控制值为30 mm。经工后鉴定，除原有裂缝外，未发现新增裂缝，且原裂缝宽度无明显变化。

通过本技术的应用，施工过程安全平稳顺利。经测算，为项目节省经费上千万元。同时也为今后类似工况的盾构施工提供参考和借鉴。

5  结论

本文通过实际施工案例分析，利用“辅助气压”工法，辅以精细化的技术管控措施，使盾构安全平稳地穿越华艺廊，总结形成一套实用性较强的盾构施工关键技术，但有以下几项关键点须注意。

1）地质研判及排查。地层须具备一定保压性。“辅助气压”工法允许地层存在一定程度的裂隙发育，但需利用其他辅助措施满足土仓的保压要求。其次施工前须排查区域范围内勘察钻孔记录，管线分布以及地层空洞等情况并提前封闭处理到位。

2）气压管理。在盾构掘进的起始阶段，各项参数平衡还未建立之时，须通过灵活调整泡沫空气流量或螺旋机转速，有效平衡仓内因地层裂隙或进出土而产生的瞬间压力波动，确保土仓压力平稳。

3）土仓渣土高度。地层气密性较好，可适当降低仓内实土高度，但不得低于1/3仓，确保渣土能够封住土仓出土口。若地层气密性欠佳，则须提高仓内实土高度，一则有助于应急时的“逼土”推进，二则有利于保压。且每环起推前和完成后仓内实土高度应基本不变，防止出土超方。

4）渣土改良。由于盾体周边地下水在气压作用下会被“逼离”，导致仓内渣土干燥需主动注水的情况。此时注水量的控制便考验着操作手的经验，如何避免因土仓注水过多而出现人为制造喷涌的情况显然至关重要。

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