CN108533277B - 非加固条件下大直径泥水盾构长距离穿越棚户区沉降控制施工工法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种非加固条件下大直径泥水盾构长距离穿越棚户区沉降控制施工工法，包括下列步骤：（一）盾构穿越前准备措施；（二）盾构穿越棚户区施工控制措施；（三）盾构穿越后沉降控制措施。本发明的工法不对地面建筑物进行加固处理。隧道施工扰动轻微，通过区域地表沉降较小，对相关区域地表密集棚户区影响极小。日掘进量可达到8环（16m），施工效率高。实现了盾构通过前、通过期间及通过后的全时段监测，确保了盾构通过密集棚户区的施工安全。
Description
技术领域
本发明涉及一种非加固条件下大直径泥水盾构长距离穿越棚户区沉降控制施工工法，属于建筑施工技术领域。
背景技术
随着我国城市化建设进程的不断推进，人口剧增引起的交通问题日益显著，城市交通压力逐年增加，越来越多的城市开始构建城市地铁网络。为最大程度上方便市民出行，城市地铁线路大多途径人口密集区或商业聚集地，这些地区建筑密集、人流量大，对于对于地铁施工扰动要求极高。泥水盾构施工技术因其机械化程度高、噪音小、扰动小、安全高效的特点，近年来广泛应用于城市地铁隧道工程施工中，极大地缩短了地铁隧道的建设周期，提高了地铁工程施工的安全性，一定程度上促进了地铁工程的发展。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种非加固条件下大直径泥水盾构长距离穿越棚户区沉降控制施工工法
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
本发明提供的非加固条件下大直径泥水盾构长距离穿越棚户区沉降控制施工工法，包括下列步骤：
(一)盾构穿越前准备措施
1建筑物现状评估及控制标准制定
盾构始发前，委托有经验、相应资质的第三方单位对棚户区沿线既有建(构)筑物进行安全风险评估，依据现状调查、检测成果、兼顾结构承载能力和正常使用要求，同时参考类似工程，对工程结构的剩余抗力指标进行分析和计算，从而得到现状评估成果文件，至少包括结构质量现状评估、结构剩余抗力指标评估(含剩余抗变形能力、剩余承载能力等)及建议处理措施，施工前对建筑物基本情况进行调查、核实，结合现状评估结果，制定安全控制标准。
2盾构掘进试验段
将盾构推进的初始75m作为试验段，根据地面变形监测数据及盾构施工所采用的参数，掌握盾构机掘进参数和地表沉降的相关关系，不断优化调整。对推进时的各项技术数据进行采集、统计、分析，争取在较短时间内掌握盾构机械设备的操作性能，确定盾构推进的施工参数设定范围。
(二)盾构穿越棚户区施工控制措施
1分析沉降形成的阶段和形成相应对策
盾构隧道开挖势必引起周围土体的松动和沉陷，它直观表现为沉降或***。受其影响隧道邻近地区的建构筑物将产生变形、沉降或变位，以至使构筑物机能遭受破损或破坏。盾构推进引起的地面沉降按地表沉降变化规律可分为初期沉降、开挖面沉降(或***)、通过时盾体顶部沉降、盾尾空隙沉降和长期延续沉降等五个阶段。
(1)初期沉降是盾构开挖面前方土体孔隙水降低，土体受挤压挤密而形成的沉降。
(2)开挖面沉降(或***)指开挖面正前方的那部分地面变形。由于工作面处施加泥水压力，可能形成工作面压力过大的***，或压力过小而产生的沉降，孔隙水压力增加，总应力增加形成地面的***。
(3)通过时盾体顶部沉降是盾构通过时产生的地面沉降。此阶段沉降分为两部分：一部分为掘进地层与机体之间的力学作用产生的沉降，一部分为掘进尺寸与机体直径间的锥度空隙引起的沉降。在整个盾构推进过程中，盾构受到总推力、表面摩擦阻力及正面土压力三个力的作用。由于摩擦阻力作用，机体周边滑动面的土层中就产生剪切应力，地层因受剪切而产生的拉应力导致土壤立刻向盾构后的空隙移动。要保持盾构能与隧道轴线一致，在推进过程中，盾构所经之处必须压缩一部分土壤，松弛另一部分土壤。压缩的部分抵挡了盾构的偏离，而松弛的部分则带来了地面沉降。
另外一部分为刀盘开挖直径与盾体盾尾之间的锥度差值，由于盾构机的开挖直径略大于盾体直径，且盾体直径略大于盾尾直径，本盾构机的开挖直径达12.55米，而前盾体的直径为12.51米，中盾直径为12.49米，盾尾直径为12.47米，因此开挖面和盾尾之间的空隙约为4cm，此空间在管片脱出盾尾未进行管片壁后注浆前为锥度空间，此空间目的是为了降低土体对盾构机的挤压力和摩擦力而设置的，但是在掘进过程中是可能形成顶部沉降的一个空间。
(4)盾尾空隙沉降发生在盾尾通过之后。引起沉降的原因是盾构尾部建筑空隙和隧道周围土层被扰动。该盾构机的盾尾直径12.47m，管片外径12.1米，空隙填充为22.5cm。当土体脱离盾构机机体外壳时将会突然的失去盾体的支撑，而转变到管片支撑，但在此突变过程中管片外侧与盾体的建筑间隙不会立刻填充密实，因此产生了周边土体松弛、应力释放，如盾尾注浆不能及时高质量的跟进，将会形成较大面积的地面沉降。
(5)长期延续沉陷
是指盾构通过后在相当长一段时间内仍延续着的沉降。粘土地基长期延续沉降明显大于砂质地基。因此，这类沉降归结于地基土的徐变特性的塑性变形。该阶段的沉降起因是土层的本身性质和隧道周围土体受扰动。它的滞后时间与盾构的种类、地质条件、施工质量等因素有关。
如何控制五个阶段中的每个阶段沉降达到最小，那么掘进及后续阶段的累计沉降量必定最小，因此制定相应的控制沉降和***的有效技术措施，才能保证棚户区的顺利穿越。主要的技术措施从掘进参数、泥膜质量、泥浆压力控制、克泥效的注入、一次同步注浆质量控制和必要的二次注浆控制及辅助监控量测手段完成。
2泥膜质量控制
为了加强对正面土体的支护能力，防止地面冒浆，采用高比重、高粘度的泥浆推进。普通软土层、砂性土层，泥浆比重为1.1～1.2g/cm3，粘度为17～20秒。在穿越棚户区建筑物时泥浆比重控制在1.2～1.25g/cm3，粘度控制在18～22秒。泥浆中适当添加堵漏材料，减少在该地层段(砂层)的失水率，维护掌子面的稳定。为确保泥浆质量，在推进过程中，泥水处理人员加大泥水的测试频率，及时调整泥水参数，保证掘进的顺利进行。
当盾构在常规粉细砂地层中需停机开展带压进仓检修作业时，需要加大泥浆比重，提高泥浆粘度，通常情况下泥浆粘度达到35～40秒即可满足带压进仓的要求。盾构掘进至水压力较高地段时，需要在高粘泥浆中掺加保压速成材料，确保规定时间内泥膜均具有良好的闭气性能。
3关键施工参数精细调控
掘进过程应结合地质情况及周边环境保护要求合理设定盾构掘进的各项参数。掘进中应监测和记录盾构运转情况、掘进参数变化、进排泥状况，并及时分析反馈，调整掘进参数，控制盾构姿态。在施工中严格管理，使实际泥水压略大于计算值。通过信息化施工及时调整和修正参数，使泥水压力值处于合理范围之内。
(1)切口压力控制
切口压力根据以下水土分算公式算得:
切口水压上限值：
P上＝P1+P2+P3
＝γw×h+K0×[(γ-γw)×h+γ×(H-h)]+20
式中：P上—切口水压上限值(kPa)；
P1—地下水压力(kPa)；
P2—静止土压力(kPa)；
P3—变动土压力，一般取20kPa；
γw—水的溶重(kN/m3)；
h—地下水位以下的隧道埋深(算至隧道中心)(m)；
γ—土的溶重(kN/m3)；
H—隧道埋深(算至隧道中心)(m)；
K0—静止土压力系数。
切口水压下限值：
式中：P下—切口水压下限值(kPa)；
P′2 ′—主动土压力(kPa)；
Ka—主动土压力系数；
cu—土的凝聚力(kPa)。
本工程在试验段掘进时，切口压力取值在计算值的基础上加上0.2bar的修正值，并根据掘进过程地表沉降监测数据的反馈，及时修正优化切口压力取值，确保盾构穿越棚户区建构物时切口压力与地层的匹配。
同时切口水压波动太大，会增加正面土体的扰动，导致正面土体流失。因此在施工中应将切口水压波动值控制在－10kPa～10kPa之间，保证土体稳定。
(2)刀盘转速
在软土层内推进，刀盘转速不宜过大，否则会引起刀具的磨损速度加快，高转速容易对软土层造成较大的扰动，盾构下穿棚户区地段刀盘转速控制在0.8rpm～1.2rpm，在推进速度增加时，锥入度超过50的情况下，可适当增大转速，但一般不超过1.2rpm。
(3)掘进速度控制
为确保盾构能正常切削土体加固区，防止排泥管路吸口堵塞、控制推进轴线、保护刀盘，始发时推进速度不宜过快，使盾构缓慢稳步前进，在主机全部进入加固区前掘进速度控制在3～5mm/min，在盾构机脱离加固区后可逐步提高掘进速度到30mm/min。
正常掘进条件下，掘进速度应设定为15～30mm/min；在盾构机特殊地层时，掘进速度应控制在10～20mm/min，穿越棚户区段速度适当控制不能过快，过快影响同步注浆的跟进速度，容易造成管片壁后的空洞，引起后期沉降，因此掘进速度的匹配对穿越棚户区至关重要。
(4)刀盘扭矩
刀盘转动所需的力矩，单位为MN.m,穿越棚户区时刀盘扭矩应控制在6～9MNm。在同一地质锥入度越大扭矩越大，如果在锥入度、速度等参数不变时，扭矩逐步明显增大时，要考虑到刀具是否磨损严重，刀具的磨损会直接造成扭矩明显增大，需停机检查刀具。
4盾体锥度空间克泥效填充
由盾构机的径向孔向盾体外注入克泥效，由11点钟和1点钟位置的径向孔轮流注入，及时填充开挖直径和盾体之间的空隙，注入率为120～130％，同时控制注入压力和注入量，地面同步监测地面的沉降，及时调整。
克泥效填充
(1)克泥效配比及用量
配比：克泥效：水玻璃＝20：1
克泥效每立方米用量：400公斤
水玻璃波美比：Be40，比重：1.38-1.39
刀盘开挖直径为12550mm，盾构机盾体外径为12470mm，每环宽度为2000mm，则每环理论空隙为：2×3.14×(12.55×12.55-12.47×12.47)/4＝3.14m3
每环实际注入量(设定注入率为120％)为：3.14×120％×20＝3.7m3
每环克泥效实际用量为：3.7×400＝1480kg
每环水玻璃实际用量为：3.7/20×1.38＝255.3kg
5壁后同步注浆
(1)注浆材料配比设计及基本性能要求
采用水泥砂浆作为同步注浆材料，浆材应具有结石率高、结石体强度高、耐久性好、防止地下水侵蚀、良好的抗水分散性以及可注性等特点，胶凝时间根据地层条件确定，并与掘进速度、注浆作业相匹配，通过现场试验确定。一般不超过6h(终凝)，以获得早期强度，保证良好的注浆效果。固结体强度一天不小于0.2MPa，28天不小于1.0MPa，盾构穿越棚户区地段同步注浆配比见下表。
表同步注浆材料配比和性能指标表(每方用料)
(2)注浆压力
为保证达到对环向空隙的有效充填，同时又能确保管片结构不因注浆产生变形和损坏，根据经验，注浆压力按照略大于切口压力0.5bar计算，设定为0.3～0.5MPa。
(3)注浆量
盾构机开挖与管片外径形成的空隙为17.41m3/环，根据类似工程施工经验，盾构穿越棚户区地段注浆量充填系数取130％～180％。同时，考虑到覆土较浅，且盾构的上浮影响，盾构机上部和底部注浆量应按2:1控制。当曲线段掘进时，曲线段外侧注浆量应稍大于内侧注浆量。
注意：穿越风险工程过程中，连续2环同步注浆量高于控制范围，且注浆压力低于控制范围时，应暂停掘进，分析原因并制定处理措施。
(4)注浆速度
同步注浆速度应与掘进速度相匹配，按盾构完成一环2m掘进的时间内完成当环注浆量来确定其平均注浆速度。
(5)注浆结束标准
采用注浆压力和注浆量双指标控制标准，当注浆压力达到设计压力、注浆量达到设计注浆量的80％以上时应结束注浆。
(6)浆液质量检验
检验数量：全数检验，即对每环砂浆均进行检测。
检验方法：检查原材料出厂合格证、质量检验报告、计量措施、试验报告和注浆检查记录。利用稠度仪检测浆液稠度，利用量筒检验浆液初凝时间及结石率。
6二次注浆控制
盾构穿越棚户区属强透水粉细砂地层，在该地层中盾构推进速度快，浆液注入后很难形成单独固化体，需对脱出盾尾的管片及时进行二次、多次补压注浆。
(1)工艺流程，如图1所示。
(2)注浆材料、配合比
注浆材料采用水玻璃+水泥砂浆双液浆，浆液配比及其相关参数指标如下表所示。
表二次注浆材料及配比表(每方)
| 注浆材料 | 配比 | 备注 |
| 水泥浆液 | 水灰比＝0.8:1 | 水泥采用P.O42.5(袋装水泥) |
| 水玻璃 | 30Be | 根据凝固时间调整 |
浆液配比：水泥浆水灰比(重量比)：0.8:1；注入时浆液与水玻璃体积比为：水泥浆：水玻璃＝1：1，浆液扩散半径0.7m。浆液初凝时间1分30秒；3天抗压强度7.8MPa，7天抗压强度11.2MPa，28天抗压强度13.3MPa。浆液种类及配比可根据穿越实际地层及现场试验情况进行相应调整。
(3)注浆施工
①注浆顺序
二次注浆宜在盾构通过约10环位置进行，同一环管片严格按‘先拱顶后两腰，两腰对称’的方法注入。
②注浆压力
二次注浆压力控制在0.8～1.0MPa。
③开孔点位
采用隔环开孔、每环开三个孔的方式进行二次注浆，开孔深度以打穿同步注浆层为宜，约50cm。
④注浆量
每个孔注入水泥浆液1～1.5m3，并根据实际注浆压力控制注浆量。
⑤注浆结束标准
采用注浆压力和注浆量双指标控制，即当注浆压力达到设定值时，和注浆量达到设计值的85％以上时，即可认定达到二次注浆质量要求。但如果压力未达到设定值，而注浆量达到设定值时，应根据监测数据分析判断进行合理控制。
⑥二次、多次补强注浆工艺
注浆前先在吊装孔装上注浆单向逆止阀后，用电锤钻穿吊装孔位厚5cm保护层，开孔深度不低于50cm为宜，接上三通及水泥浆管和水玻璃管。注双液浆时，先注纯水泥浆液1min后，打开水玻璃阀进行混合注入，终孔时应加大水玻璃的浓度。在一个孔注浆完结后应等待5～10分钟后将该注浆头打开疏通查看注入效果，如果水很大，应再次注入，至有较少水流出时可终孔，拆除注浆头并加盖闷头盖。如监测数据反映沉降仍不稳定，可采取多次补强措施控制沉降。
注浆过程中应有排气孔，排气孔原则上设在预注浆孔上，并安装注浆单向逆止阀，同时打开球阀，直至出现冒浆时关闭球阀，10分钟后检查注浆效果，如有水溢出，应对该孔进行注浆。
7实时监测，信息化管理
在盾构穿越棚户区的过程中，加强棚户区的监控量测，对受影响的地表建筑物进行实时沉降监测、不均匀沉降监测、地表建筑物倾斜监测和裂缝开展观测等，安排专人昼夜24小时进行建(构)筑物周边情况观测，根据监测数据对建筑物安全进行动态评估，同时基于评估结果对盾构施工参数进行精细调控，最后通过监测确定效果，从而反复循环、验证、完善，确保穿越安全。
为研究大直径泥水平衡盾构机施工对地表沉降及穿越棚户区弱基础构建筑物的影响，提前设定为盾构推进试验段，在试验段内对盾构施工诱发的地表沉降进行原位监测，并将记录数据用于进一步研究。试验段内监测断面间距为10m，每断面根据周边情况布设8-10个测点，测点间距3-5m；棚户区内监测点布置原则同上。
项目部成立专门的测量监测6人小组，每日24小时完成6次连续测量，每4小时必须出监测分析成果数据以及时反馈指导盾构施工。掘进完成后维持1个月的不间断测量，后期根据沉降变化曲线稳定程度，确定一周一次的监控测量数据分析，直至沉降稳定。
(三)盾构穿越后沉降控制措施
盾构机穿越后在一定时间内仍需继续开展监控量测工作，考虑到环境保护和隧道稳定的要求，如壁后雷达注浆检测或者发现地面沉降仍有较大的变化趋势或局部地层较软，应通过管片中部以上的注浆孔再次进行补注浆，补充一次注浆未填充部分和浆液收敛体积减少部分，从而减少盾构机过后土体的后期沉降，减轻隧道的防水压力。同时对盾构推力导致的剥离状态(管片、注浆材料、围岩之间)进行填充，提高止水效果。补压浆工艺同二次注浆工艺。本发明的有益效果：
(1)不对地面建筑物进行加固处理。
(2)隧道施工扰动轻微，通过区域地表沉降较小，对相关区域地表密集棚户区影响极小。
(3)日掘进量可达到8环(16m)，施工效率高。
(4)实现了盾构通过前、通过期间及通过后的全时段监测，确保了盾构通过密集棚户区的施工安全。
本工法适用于非加固条件下大直径泥水盾构长距离穿越扰动敏感建筑施工。
武汉地铁8号线土建施工部分BT项目三标段采用大直径泥水平衡盾构施工，自始发站起长距离穿越高密集棚户区(全长754.618m)。通过严格控制盾构掘进参数、管片安装标准、注浆参数以及实时的地表监测，在泥水平衡盾构施工穿越棚户区过程中，地表建(构)筑物没有发生明显的位移、沉降、开裂。降低了施工风险，减少了与周围居民的纠纷，具有良好的经济效益和社会效益。
附图说明
图1是二次注浆工艺流程图。
具体实施方式
实施例1
本实施例提供的非加固条件下大直径泥水盾构长距离穿越棚户区沉降控制施工工法,包括下列步骤：
(一)盾构穿越前准备措施
1建筑物现状评估及控制标准制定
盾构始发前，委托有经验、相应资质的第三方单位对棚户区沿线既有建(构)筑物进行安全风险评估，依据现状调查、检测成果、兼顾结构承载能力和正常使用要求，同时参考类似工程，对工程结构的剩余抗力指标进行分析和计算，从而得到现状评估成果文件，至少包括结构质量现状评估、结构剩余抗力指标评估(含剩余抗变形能力、剩余承载能力等)及建议处理措施，施工前对建筑物基本情况进行调查、核实，结合现状评估结果，制定安全控制标准。
2盾构掘进试验段
将盾构推进的初始75m作为试验段，根据地面变形监测数据及盾构施工所采用的参数，掌握盾构机掘进参数和地表沉降的相关关系，不断优化调整。对推进时的各项技术数据进行采集、统计、分析，争取在较短时间内掌握盾构机械设备的操作性能，确定盾构推进的施工参数设定范围。
(二)盾构穿越棚户区施工控制措施
1分析沉降形成的阶段和形成相应对策
盾构隧道开挖势必引起周围土体的松动和沉陷，它直观表现为沉降或***。受其影响隧道邻近地区的建构筑物将产生变形、沉降或变位，以至使构筑物机能遭受破损或破坏。盾构推进引起的地面沉降按地表沉降变化规律可分为初期沉降、开挖面沉降(或***)、通过时盾体顶部沉降、盾尾空隙沉降和长期延续沉降等五个阶段。
(1)初期沉降是盾构开挖面前方土体孔隙水降低，土体受挤压挤密而形成的沉降。
(2)开挖面沉降(或***)指开挖面正前方的那部分地面变形。由于工作面处施加泥水压力，可能形成工作面压力过大的***，或压力过小而产生的沉降，孔隙水压力增加，总应力增加形成地面的***。
(3)通过时盾体顶部沉降是盾构通过时产生的地面沉降。此阶段沉降分为两部分：一部分为掘进地层与机体之间的力学作用产生的沉降，一部分为掘进尺寸与机体直径间的锥度空隙引起的沉降。在整个盾构推进过程中，盾构受到总推力、表面摩擦阻力及正面土压力三个力的作用。由于摩擦阻力作用，机体周边滑动面的土层中就产生剪切应力，地层因受剪切而产生的拉应力导致土壤立刻向盾构后的空隙移动。要保持盾构能与隧道轴线一致，在推进过程中，盾构所经之处必须压缩一部分土壤，松弛另一部分土壤。压缩的部分抵挡了盾构的偏离，而松弛的部分则带来了地面沉降。
另外一部分为刀盘开挖直径与盾体盾尾之间的锥度差值，由于盾构机的开挖直径略大于盾体直径，且盾体直径略大于盾尾直径，本盾构机的开挖直径达12.55米，而前盾体的直径为12.51米，中盾直径为12.49米，盾尾直径为12.47米，因此开挖面和盾尾之间的空隙约为4cm，此空间在管片脱出盾尾未进行管片壁后注浆前为锥度空间，此空间目的是为了降低土体对盾构机的挤压力和摩擦力而设置的，但是在掘进过程中是可能形成顶部沉降的一个空间。
(4)盾尾空隙沉降发生在盾尾通过之后。引起沉降的原因是盾构尾部建筑空隙和隧道周围土层被扰动。该盾构机的盾尾直径12.47m，管片外径12.1米，空隙填充为22.5cm。当土体脱离盾构机机体外壳时将会突然的失去盾体的支撑，而转变到管片支撑，但在此突变过程中管片外侧与盾体的建筑间隙不会立刻填充密实，因此产生了周边土体松弛、应力释放，如盾尾注浆不能及时高质量的跟进，将会形成较大面积的地面沉降。
(5)长期延续沉陷
是指盾构通过后在相当长一段时间内仍延续着的沉降。粘土地基长期延续沉降明显大于砂质地基。因此，这类沉降归结于地基土的徐变特性的塑性变形。该阶段的沉降起因是土层的本身性质和隧道周围土体受扰动。它的滞后时间与盾构的种类、地质条件、施工质量等因素有关。
如何控制五个阶段中的每个阶段沉降达到最小，那么掘进及后续阶段的累计沉降量必定最小，因此制定相应的控制沉降和***的有效技术措施，才能保证棚户区的顺利穿越。主要的技术措施从掘进参数、泥膜质量、泥浆压力控制、克泥效的注入、一次同步注浆质量控制和必要的二次注浆控制及辅助监控量测手段完成。
2泥膜质量控制
为了加强对正面土体的支护能力，防止地面冒浆，采用高比重、高粘度的泥浆推进。普通软土层、砂性土层，泥浆比重为1.1～1.2g/cm3，粘度为17～20秒。在穿越棚户区建筑物时泥浆比重控制在1.2～1.25g/cm3，粘度控制在18～22秒。泥浆中适当添加堵漏材料，减少在该地层段(砂层)的失水率，维护掌子面的稳定。为确保泥浆质量，在推进过程中，泥水处理人员加大泥水的测试频率，及时调整泥水参数，保证掘进的顺利进行。
当盾构在常规粉细砂地层中需停机开展带压进仓检修作业时，需要加大泥浆比重，提高泥浆粘度，通常情况下泥浆粘度达到35～40秒即可满足带压进仓的要求。盾构掘进至水压力较高地段时，需要在高粘泥浆中掺加保压速成材料，确保规定时间内泥膜均具有良好的闭气性能。
3关键施工参数精细调控
掘进过程应结合地质情况及周边环境保护要求合理设定盾构掘进的各项参数。掘进中应监测和记录盾构运转情况、掘进参数变化、进排泥状况，并及时分析反馈，调整掘进参数，控制盾构姿态。在施工中严格管理，使实际泥水压略大于计算值。通过信息化施工及时调整和修正参数，使泥水压力值处于合理范围之内。
(1)切口压力控制
切口压力根据以下水土分算公式算得:
切口水压上限值：
P上＝P1+P2+P3
＝γw×h+K0×[(γ-γw)×h+γ×(H-h)]+20
式中：P上—切口水压上限值(kPa)；
P1—地下水压力(kPa)；
P2—静止土压力(kPa)；
P3—变动土压力，一般取20kPa；
γw—水的溶重(kN/m3)；
h—地下水位以下的隧道埋深(算至隧道中心)(m)；
γ—土的溶重(kN/m3)；
H—隧道埋深(算至隧道中心)(m)；
K0—静止土压力系数。
切口水压下限值：
式中：P下—切口水压下限值(kPa)；
P2′—主动土压力(kPa)；
Ka—主动土压力系数；
cu—土的凝聚力(kPa)。
本工程在试验段掘进时，切口压力取值在计算值的基础上加上0.2bar的修正值，并根据掘进过程地表沉降监测数据的反馈，及时修正优化切口压力取值，确保盾构穿越棚户区建构物时切口压力与地层的匹配。
同时切口水压波动太大，会增加正面土体的扰动，导致正面土体流失。因此在施工中应将切口水压波动值控制在－10kPa～10kPa之间，保证土体稳定。
(2)刀盘转速
在软土层内推进，刀盘转速不宜过大，否则会引起刀具的磨损速度加快，高转速容易对软土层造成较大的扰动，盾构下穿棚户区地段刀盘转速控制在0.8rpm～1.2rpm，在推进速度增加时，锥入度超过50的情况下，可适当增大转速，但一般不超过1.2rpm。
(3)掘进速度控制
为确保盾构能正常切削土体加固区，防止排泥管路吸口堵塞、控制推进轴线、保护刀盘，始发时推进速度不宜过快，使盾构缓慢稳步前进，在主机全部进入加固区前掘进速度控制在3～5mm/min，在盾构机脱离加固区后可逐步提高掘进速度到30mm/min。
正常掘进条件下，掘进速度应设定为15～30mm/min；在盾构机特殊地层时，掘进速度应控制在10～20mm/min，穿越棚户区段速度适当控制不能过快，过快影响同步注浆的跟进速度，容易造成管片壁后的空洞，引起后期沉降，因此掘进速度的匹配对穿越棚户区至关重要。
(4)刀盘扭矩
刀盘转动所需的力矩，单位为MN.m,穿越棚户区时刀盘扭矩应控制在6～9MNm。在同一地质锥入度越大扭矩越大，如果在锥入度、速度等参数不变时，扭矩逐步明显增大时，要考虑到刀具是否磨损严重，刀具的磨损会直接造成扭矩明显增大，需停机检查刀具。
4盾体锥度空间克泥效填充
由盾构机的径向孔向盾体外注入克泥效，由11点钟和1点钟位置的径向孔轮流注入，及时填充开挖直径和盾体之间的空隙，注入率为120～130％，同时控制注入压力和注入量，地面同步监测地面的沉降，及时调整。
克泥效填充
(1)克泥效配比及用量
配比：克泥效：水玻璃＝20：1
克泥效每立方米用量：400公斤
水玻璃波美比：Be40，比重：1.38-1.39
刀盘开挖直径为12550mm，盾构机盾体外径为12470mm，每环宽度为2000mm，则每环理论空隙为：2×3.14×(12.55×12.55-12.47×12.47)/4＝3.14m3
每环实际注入量(设定注入率为120％)为：3.14×120％×20＝3.7m3
每环克泥效实际用量为：3.7×400＝1480kg
每环水玻璃实际用量为：3.7/20×1.38＝255.3kg
5壁后同步注浆
(1)注浆材料配比设计及基本性能要求
采用水泥砂浆作为同步注浆材料，浆材应具有结石率高、结石体强度高、耐久性好、防止地下水侵蚀、良好的抗水分散性以及可注性等特点，胶凝时间根据地层条件确定，并与掘进速度、注浆作业相匹配，通过现场试验确定。一般不超过6h(终凝)，以获得早期强度，保证良好的注浆效果。固结体强度一天不小于0.2MPa，28天不小于1.0MPa，盾构穿越棚户区地段同步注浆配比见下表。
表同步注浆材料配比和性能指标表(每方用料)
(2)注浆压力
为保证达到对环向空隙的有效充填，同时又能确保管片结构不因注浆产生变形和损坏，根据经验，注浆压力按照略大于切口压力0.5bar计算，设定为0.3～0.5MPa。
(3)注浆量
盾构机开挖与管片外径形成的空隙为17.41m3/环，根据类似工程施工经验，盾构穿越棚户区地段注浆量充填系数取130％～180％。同时，考虑到覆土较浅，且盾构的上浮影响，盾构机上部和底部注浆量应按2:1控制。当曲线段掘进时，曲线段外侧注浆量应稍大于内侧注浆量。
注意：穿越风险工程过程中，连续2环同步注浆量高于控制范围，且注浆压力低于控制范围时，应暂停掘进，分析原因并制定处理措施。
(4)注浆速度
同步注浆速度应与掘进速度相匹配，按盾构完成一环2m掘进的时间内完成当环注浆量来确定其平均注浆速度。
(5)注浆结束标准
采用注浆压力和注浆量双指标控制标准，当注浆压力达到设计压力、注浆量达到设计注浆量的80％以上时应结束注浆。
(6)浆液质量检验
检验数量：全数检验，即对每环砂浆均进行检测。
检验方法：检查原材料出厂合格证、质量检验报告、计量措施、试验报告和注浆检查记录。利用稠度仪检测浆液稠度，利用量筒检验浆液初凝时间及结石率。
6二次注浆控制
盾构穿越棚户区属强透水粉细砂地层，在该地层中盾构推进速度快，浆液注入后很难形成单独固化体，需对脱出盾尾的管片及时进行二次、多次补压注浆。
(1)工艺流程，如图1所示。
(2)注浆材料、配合比
注浆材料采用水玻璃+水泥砂浆双液浆，浆液配比及其相关参数指标如下表所示。
表二次注浆材料及配比表(每方)
| 注浆材料 | 配比 | 备注 |
| 水泥浆液 | 水灰比＝0.8:1 | 水泥采用P.O42.5(袋装水泥) |
| 水玻璃 | 30Be | 根据凝固时间调整 |
浆液配比：水泥浆水灰比(重量比)：0.8:1；注入时浆液与水玻璃体积比为：水泥浆：水玻璃＝1：1，浆液扩散半径0.7m。浆液初凝时间1分30秒；3天抗压强度7.8MPa，7天抗压强度11.2MPa，28天抗压强度13.3MPa。浆液种类及配比可根据穿越实际地层及现场试验情况进行相应调整。
(3)注浆施工
①注浆顺序
二次注浆宜在盾构通过约10环位置进行，同一环管片严格按‘先拱顶后两腰，两腰对称’的方法注入。
②注浆压力
二次注浆压力控制在0.8～1.0MPa。
③开孔点位
采用隔环开孔、每环开三个孔的方式进行二次注浆，开孔深度以打穿同步注浆层为宜，约50cm。
④注浆量
每个孔注入水泥浆液1～1.5m3，并根据实际注浆压力控制注浆量。
⑤注浆结束标准
采用注浆压力和注浆量双指标控制，即当注浆压力达到设定值时，和注浆量达到设计值的85％以上时，即可认定达到二次注浆质量要求。但如果压力未达到设定值，而注浆量达到设定值时，应根据监测数据分析判断进行合理控制。
⑥二次、多次补强注浆工艺
注浆前先在吊装孔装上注浆单向逆止阀后，用电锤钻穿吊装孔位厚5cm保护层，开孔深度不低于50cm为宜，接上三通及水泥浆管和水玻璃管。注双液浆时，先注纯水泥浆液1min后，打开水玻璃阀进行混合注入，终孔时应加大水玻璃的浓度。在一个孔注浆完结后应等待5～10分钟后将该注浆头打开疏通查看注入效果，如果水很大，应再次注入，至有较少水流出时可终孔，拆除注浆头并加盖闷头盖。如监测数据反映沉降仍不稳定，可采取多次补强措施控制沉降。
注浆过程中应有排气孔，排气孔原则上设在预注浆孔上，并安装注浆单向逆止阀，同时打开球阀，直至出现冒浆时关闭球阀，10分钟后检查注浆效果，如有水溢出，应对该孔进行注浆。
7实时监测，信息化管理
在盾构穿越棚户区的过程中，加强棚户区的监控量测，对受影响的地表建筑物进行实时沉降监测、不均匀沉降监测、地表建筑物倾斜监测和裂缝开展观测等，安排专人昼夜24小时进行建(构)筑物周边情况观测，根据监测数据对建筑物安全进行动态评估，同时基于评估结果对盾构施工参数进行精细调控，最后通过监测确定效果，从而反复循环、验证、完善，确保穿越安全。
为研究大直径泥水平衡盾构机施工对地表沉降及穿越棚户区弱基础构建筑物的影响，提前设定为盾构推进试验段，在试验段内对盾构施工诱发的地表沉降进行原位监测，并将记录数据用于进一步研究。试验段内监测断面间距为10m，每断面根据周边情况布设8-10个测点，测点间距3-5m；棚户区内监测点布置原则同上。
项目部成立专门的测量监测6人小组，每日24小时完成6次连续测量，每4小时必须出监测分析成果数据以及时反馈指导盾构施工。掘进完成后维持1个月的不间断测量，后期根据沉降变化曲线稳定程度，确定一周一次的监控测量数据分析，直至沉降稳定。
(三)盾构穿越后沉降控制措施
盾构机穿越后在一定时间内仍需继续开展监控量测工作，考虑到环境保护和隧道稳定的要求，如壁后雷达注浆检测或者发现地面沉降仍有较大的变化趋势或局部地层较软，应通过管片中部以上的注浆孔再次进行补注浆，补充一次注浆未填充部分和浆液收敛体积减少部分，从而减少盾构机过后土体的后期沉降，减轻隧道的防水压力。同时对盾构推力导致的剥离状态(管片、注浆材料、围岩之间)进行填充，提高止水效果。补压浆工艺同二次注浆工艺。实施例2工程实例
武汉地铁8号线土建施工部分BT项目三标段，主要包括一站一区间，即徐家棚站及黄浦路站～徐家棚站越江盾构区间。盾构区间采用直径12.51m的复合式泥水平衡盾构机进行施工，自徐家棚站始发，长距离穿越高密集棚户区(全长754.618m)，下穿长江达到汉口黄浦路站接收，区间全长3185.545m。
盾构机子徐家棚站以R＝700m的曲线始发后即下穿高密集棚户区，纵断面坡度由平坡变为27‰的下坡，掘进地层为全断面粉细砂地层。该棚户区原定在掘进前进行拆除，但因种种原因拆除未果。棚户区绝大部分为90年代以前的砖混结构建筑，这部分建筑外观古老陈旧，多数存在墙体开裂、墙皮脱落的现场，存在严重安全隐患。盾构穿越棚户区施工以“高粘优浆、精细控制、平稳推进、快速拼装、禁止停机、一次通过”为原则，以地表沉降控制为核心，以确保沿线建(构)筑物安全为目标。
在施工前，对所有既有建(构)筑物进行了调查、核实，并对沿线重要建筑进行拍照、测量便于留证。并在地表建筑物设置了众多沉降、开裂、倾斜、位移以及地下水位等观测点，在后期进行实时监测。复杂环境地表监测为后期施工安全与沉降控制发挥了重大作用。
本工程将盾构初始的75m作为掘进试验段，根据试验段掘进参数以及地表沉降监测情况确定了掘进参数与地表沉降之间的联系，从而确定了在控制地表沉降前提下合理的掘进参数，保障施工安全顺利地进行。
在盾构施工中，严格控制盾构掘进参数与管片安装标准。同时为减少对土体的扰动，减少纠偏，将平面位置控制在设计轴线±30mm之内；考虑到覆土较浅，且盾构的上漂影响，盾构在穿越构建筑物时实际高程控制在设计轴线-30mm左右。掘进速度控制在15mm/min左右，防止因掘进速度过快对正面土体产生较大冲击。
盾构施工中的同步注浆材料采用水泥砂浆，其优点在于具有结石率高、结石体强度高、耐久性好以及耐地下水侵蚀性好。通过现场试验确定。一般不超过6h(终凝)，以获得早期强度，保证良好的注浆效果。固结体强度一天不小于0.2MPa，28天不小于1.0MPa。注浆压力设定为0.3～0.5MPa，注浆量充填系数取130％～180％，注浆速度与掘进速度匹配，当注浆压力达到设计压力、注浆量达到设计注浆量的80％以上时结束注浆，注浆后及时检验注浆效果，本项目二次注浆为应急和备用注浆，由于一次注浆的成型质量高，未进行二次注浆。
通过严格控制盾构掘进参数、管片安装标准、同步注浆以及实时地表监测等措施，武汉地铁8号线越江隧道长距离穿越棚户区段地表建(构)筑物没有发生明显的位移、沉降、开裂，未收到居民一例投诉，施工顺利完成。
Claims (1)
1.非加固条件下大直径泥水盾构长距离穿越棚户区沉降控制施工工法，其特征在于，包括下列步骤：
(一)盾构穿越前准备措施
1建筑物现状评估及控制标准制定
盾构始发前，委托有经验、相应资质的第三方单位对棚户区沿线既有建筑物进行安全风险评估，依据现状调查、检测成果、兼顾结构承载能力和正常使用要求，对工程结构的剩余抗力指标进行分析和计算，从而得到现状评估成果文件，至少包括结构质量现状评估、结构剩余抗力指标评估及建议处理措施，施工前对建筑物基本情况进行调查、核实，结合现状评估结果，制定安全控制标准；
2盾构掘进试验段
将盾构推进的初始75m作为试验段，根据地面变形监测数据及盾构施工所采用的参数，掌握盾构机掘进参数和地表沉降的相关关系，优化调整；对推进时的各项技术数据进行采集、统计、分析，争取在较短时间内掌握盾构机械设备的操作性能，确定盾构推进的施工参数设定范围；
(二)盾构穿越棚户区施工控制措施
1分析沉降形成的阶段和形成相应对策
2泥膜质量控制
为了加强对正面土体的支护能力，防止地面冒浆，采用高比重、高粘度的泥浆推进；普通软土层、砂性土层，泥浆比重为1.1～1.2g/cm3，粘度为17～20秒；在穿越棚户区建筑物时泥浆比重控制在1.2～1.25g/cm3，粘度控制在18～22秒；泥浆中适当添加堵漏材料，减少在该地层段的失水率，维护掌子面的稳定；为确保泥浆质量，在推进过程中，泥水处理人员加大泥水的测试频率，及时调整泥水参数，保证掘进的顺利进行；
当盾构在常规粉细砂地层中需停机开展带压进仓检修作业时，需要加大泥浆比重，提高泥浆粘度，通常情况下泥浆粘度达到35～40秒即可满足带压进仓的要求；盾构掘进至水压力较高地段时，需要在高粘泥浆中掺加保压速成材料，确保规定时间内泥膜均具有良好的闭气性能；3关键施工参数精细调控
掘进过程应结合地质情况及周边环境保护要求合理设定盾构掘进的各项参数；掘进中应监测和记录盾构运转情况、掘进参数变化、进排泥状况，并及时分析反馈，调整掘进参数，控制盾构姿态；在施工中严格管理，使实际泥水压略大于计算值；通过信息化施工及时调整和修正参数，使泥水压力值处于合理范围之内；
(1)切口压力控制
切口压力根据以下水土分算公式算得:
切口水压上限值：
P上＝P1+P2+P3
＝γw×h+K0×[(γ-γw)×h+γ×(H-h)]+20
式中：P上—切口水压上限值(kPa)；
P1—地下水压力(kPa)；
P2—静止土压力(kPa)；
P3—变动土压力，取20kPa；
γw—水的溶重(kN/m3)；
h—地下水位以下的隧道埋深算至隧道中心(m)；
γ—土的溶重(kN/m3)；
H—隧道埋深算至隧道中心(m)；
K0—静止土压力系数；
切口水压下限值：
式中：P下—切口水压下限值(kPa)；
P′2—主动土压力(kPa)；
Ka—主动土压力系数；
cu—土的凝聚力(kPa)；
在试验段掘进时，切口压力取值在计算值的基础上加上0.2bar的修正值，并根据掘进过程地表沉降监测数据的反馈，及时修正优化切口压力取值，确保盾构穿越棚户区建构物时切口压力与地层的匹配；
同时切口水压波动太大，会增加正面土体的扰动，导致正面土体流失；因此在施工中应将切口水压波动值控制在－10kPa～10kPa之间，保证土体稳定；
(2)刀盘转速
在软土层内推进，刀盘转速不宜过大，否则会引起刀具的磨损速度加快，高转速容易对软土层造成较大的扰动，盾构下穿棚户区地段刀盘转速控制在0.8rpm～1.2rpm，在推进速度增加时，锥入度超过50的情况下，增大转速，但不超过1.2rpm；
(3)掘进速度控制
为确保盾构能正常切削土体加固区，防止排泥管路吸口堵塞、控制推进轴线、保护刀盘，始发时推进速度不宜过快，使盾构缓慢稳步前进，在主机全部进入加固区前掘进速度控制在3～5mm/min，在盾构机脱离加固区后逐步提高掘进速度到30mm/min；
正常掘进条件下，掘进速度设定为15～30mm/min；在盾构机掘进到棚户区时，掘进速度应控制在10～20mm/min，穿越棚户区段速度适当控制不能过快，过快影响同步注浆的跟进速度，容易造成管片壁后的空洞，引起后期沉降，因此掘进速度的匹配对穿越棚户区至关重要；
(4)刀盘扭矩
刀盘转动所需的力矩，单位为MN.m,穿越棚户区时刀盘扭矩应控制在6～9MN.m；在同一地质锥入度越大扭矩越大，如果在锥入度、速度不变时，扭矩逐步明显增大时，要考虑到刀具是否磨损严重，刀具的磨损会直接造成扭矩明显增大，需停机检查刀具；
4盾体锥度空间克泥效填充
由盾构机的径向孔向盾体外注入克泥效，由11点钟和1点钟位置的径向孔轮流注入，及时填充开挖直径和盾体之间的空隙，注入率为120～130％，同时控制注入压力和注入量，地面同步监测地面的沉降，及时调整；
克泥效填充
(1)克泥效配比及用量
配比：克泥效：水玻璃＝20：1
克泥效每立方米用量：400公斤
水玻璃波美比：Be40，比重：1.38-1.39
刀盘开挖直径为12550mm，盾构机盾体外径为12470mm，每环宽度为2000mm，则每环理论空隙为：2×3.14×(12.55×12.55-12.47×12.47)/4＝3.14m3
设定注入率为120％，每环实际注入量为：3.14×120％×20＝3.7m3
每环克泥效实际用量为：3.7×400＝1480kg
每环水玻璃实际用量为：3.7/20×1.38＝255.3kg
5壁后同步注浆
(1)注浆材料配比设计及基本性能要求
采用水泥砂浆作为同步注浆材料，浆材应具有结石率高、结石体强度高、耐久性好、防止地下水侵蚀、良好的抗水分散性以及可注性，胶凝时间根据地层条件确定，并与掘进速度、注浆作业相匹配，通过现场试验确定；不超过6h，以获得早期强度，保证良好的注浆效果；固结体强度一天不小于0.2MPa，28天不小于1.0MPa，盾构穿越棚户区地段同步注浆配比见下表；
表 同步注浆材料配比和性能指标表
(2)注浆压力
为保证达到对环向空隙的有效充填，同时又能确保管片结构不因注浆产生变形和损坏，根据经验，注浆压力按照略大于切口压力0.5bar计算，设定为0.3～0.5MPa；
(3)注浆量
盾构机开挖与管片外径形成的空隙为17.41m3/环，根据类似工程施工经验，盾构穿越棚户区地段注浆量充填系数取130％～180％；同时，考虑到覆土较浅，且盾构的上浮影响，盾构机上部和底部注浆量应按2:1控制；当曲线段掘进时，曲线段外侧注浆量应稍大于内侧注浆量；注意：穿越风险工程过程中，连续2环同步注浆量高于控制范围，且注浆压力低于控制范围时，应暂停掘进，分析原因并制定处理措施；
(4)注浆速度
同步注浆速度应与掘进速度相匹配，按盾构完成一环2m掘进的时间内完成当环注浆量来确定其平均注浆速度；
(5)注浆结束标准
采用注浆压力和注浆量双指标控制标准，当注浆压力达到设计压力、注浆量达到设计注浆量的80％以上时应结束注浆；
(6)浆液质量检验
检验数量：全数检验，即对每环砂浆均进行检测；
检验方法：检查原材料出厂合格证、质量检验报告、计量措施、试验报告和注浆检查记录；利用稠度仪检测浆液稠度，利用量筒检验浆液初凝时间及结石率；
6二次注浆控制
盾构穿越棚户区属强透水粉细砂地层，在该地层中盾构推进速度快，浆液注入后很难形成单独固化体，需对脱出盾尾的管片及时进行二次、多次补压注浆；
(1)注浆材料、配合比
注浆材料采用水玻璃+水泥砂浆双液浆，浆液配比及其相关参数指标如下表所示；
表二次注浆材料及配比表
浆液配比：水泥浆水灰重量比：0.8:1；注入时浆液与水玻璃体积比为：水泥浆：水玻璃＝1：1，浆液扩散半径0.7m；浆液初凝时间1分30秒；3天抗压强度7.8MPa，7天抗压强度11.2MPa，28天抗压强度13.3MPa；浆液种类及配比根据穿越实际地层及现场试验情况进行相应调整；
(2)注浆施工
①注浆顺序
二次注浆宜在盾构通过约10环位置进行，同一环管片严格按‘先拱顶后两腰，两腰对称’的方法注入；
②注浆压力
二次注浆压力控制在0.8～1.0MPa；
③开孔点位
采用隔环开孔、每环开三个孔的方式进行二次注浆，开孔深度以打穿同步注浆层为宜，约50cm；
④注浆量
每个孔注入水泥浆液1～1.5m3，并根据实际注浆压力控制注浆量；
⑤注浆结束标准
采用注浆压力和注浆量双指标控制，即当注浆压力达到设定值时，和注浆量达到设计值的85％以上时，即认定达到二次注浆质量要求；但如果压力未达到设定值，而注浆量达到设定值时，应根据监测数据分析判断进行合理控制；
⑥二次、多次补强注浆工艺
注浆前先在吊装孔装上注浆单向逆止阀后，用电锤钻穿吊装孔位厚5cm保护层，开孔深度不低于50cm为宜，接上三通及水泥浆管和水玻璃管；注双液浆时，先注纯水泥浆液1min后，打开水玻璃阀进行混合注入，终孔时应加大水玻璃的浓度；在一个孔注浆完结后应等待5～10分钟后将该注浆头打开疏通查看注入效果，如果水很大，应再次注入，至有较少水流出时终孔，拆除注浆头并加盖闷头盖；如监测数据反映沉降仍不稳定，采取多次补强措施控制沉降；
注浆过程中应有排气孔，排气孔原则上设在预注浆孔上，并安装注浆单向逆止阀，同时打开球阀，直至出现冒浆时关闭球阀，10分钟后检查注浆效果，如有水溢出，应对该孔进行注浆；
7实时监测，信息化管理
在盾构穿越棚户区的过程中，加强棚户区的监控量测，对受影响的地表建筑物进行实时沉降监测、不均匀沉降监测、地表建筑物倾斜监测和裂缝开展观测，安排专人昼夜24小时进行建筑物周边情况观测，根据监测数据对建筑物安全进行动态评估，同时基于评估结果对盾构施工参数进行精细调控，最后通过监测确定效果，从而反复循环、验证、完善，确保穿越安全；
为研究大直径泥水平衡盾构机施工对地表沉降及穿越棚户区弱基础构建筑物的影响，提前设定为盾构推进试验段，在试验段内对盾构施工诱发的地表沉降进行原位监测，并将记录数据用于进一步研究；试验段内监测断面间距为10m，每断面根据周边情况布设8-10个测点，测点间距3-5m；棚户区内监测点布置原则同上；
成立专门的测量监测6人小组，每日24小时完成6次连续测量，每4小时必须出监测分析成果数据以及时反馈指导盾构施工；掘进完成后维持1个月的不间断测量，后期根据沉降变化曲线稳定程度，确定一周一次的监控测量数据分析，直至沉降稳定；
(三)盾构穿越后沉降控制措施
盾构机穿越后仍需继续开展监控量测工作，考虑到环境保护和隧道稳定的要求，如壁后雷达注浆检测或者发现地面沉降仍有较大的变化趋势或局部地层较软，应通过管片中部以上的注浆孔再次进行补注浆，补充一次注浆未填充部分和浆液收敛体积减少部分，从而减少盾构机过后土体的后期沉降，减轻隧道的防水压力；同时对盾构推力导致的剥离状态进行填充，提高止水效果；补压浆工艺同二次注浆工艺。
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