中铁隧道集团三处有限公司 广东深圳 518000
摘要：深圳地铁6号线二期深梅区间盾构法隧道施工期间出现了地层复杂多变的现象，一条隧道同时穿越软土、硬岩、上软下硬、孤石等多种地层，各种地层变化频率高，往往3～5m之间地层就会有所不同。现依托深梅盾构区间结合施工案例对超厚杂填土覆土以及上软下硬地段中穿越既有建筑物过程中刀具的损耗和管理技术进行研究，为类似工程施工提供借鉴。
关键词：上软下硬；下穿建筑物；刀具管理
引言
深圳市作为沿海城市中修建地铁比较早的城市，地貌主要为冲积平原、丘陵、山间沟谷、台地地貌，在地铁隧道建设中广泛采用盾构法，本文以深圳地铁6号线二期深圳北站~梅林关站区间盾构施工中的经典案例为依托，介绍盾构机超厚杂填土覆土及上软下硬段下穿越既有建筑物的施工管理及技术方面的得失，分析盾构在上软下硬地层中掘进时的下穿重要构建筑物存在的问题，总结盾构施工过程的的经验教训，为后续盾构施工管理及参数设置提供参考。
1.在超厚杂填土覆土及上软下硬段下穿学校建筑物
1.1 小学概况
深梅区间盾构隧道左线在ZDK12+983.02~ZDK13+046.02（489环-530环）下穿学校，实际下穿距离约为58.6m，右线在YDK12+983.02~YDK13+046.02（496环-502环）下穿学校，正穿教学楼长为9m。本次下穿只影响教学楼2区，其中左线穿越范围有23根桩基，右线穿越范围有6根桩基，具体见图1所示。
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图1 下穿学校平面图
深梅区间盾构左线在463环-523环下穿学校建筑物，右线在470环-530环下穿学校建筑物，具体见表1所示。
表1下穿小学环号统计表
1.2 下穿学校地质情况
通过地质补勘报告发现，本次下穿段地质（小学前院至后院）从上至下为杂填土、砾质粘性土、全风化粗粒花岗岩、中风化粗粒花岗岩、微风化粗粒花岗岩。根据对小学方面的资料调查，在该学校未建立之时，该地段原为山谷，地势偏低，后在小学原始位置及附近回填了将近16米深的杂填土，通过地质详勘报告以及前期钻孔取芯，芯样中夹杂有树叶、塑料等杂物，进一步证实了该地段地层的不稳定性，具体见图2、图3所示。
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图2 左线地质剖面图 图3 右线地质剖面图
1.3 学校二区教学楼结构及基础情况
左、右线盾构机主要下穿小学二区教学楼，二区教学楼为四层混凝土框架结构，基础形式为承台+预应力管桩。承台厚1200m，有单桩、双桩、三桩、四桩4种形式的结构尺寸预应力管桩直径Φ400，采用静压形式施工。其中左线盾构主要下穿12个承台、24根桩基，右线下穿2个承台、6根桩基，具体见图4、图5所示。
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图4 小学教学楼桩基平面示意图 图5 承台平面结构尺寸图
1.4 小学预加固
为保证盾构机能够顺利下穿小学，对小学教学楼采取了预加固措施，并利用小学暑假期间完成了对小学教学楼的加固。具体加固措施如下：
1）加固方式：
（1）加固范围1：在左、右线盾构下穿的桩基础周围采用袖阀管预注浆加固，加固深度为地面下3m至强风化下1m；其他部分采用三重管旋喷桩加固，加固范围为盾构顶上6m至中风化岩面。
（2）加固范围2：对左线隧道上方桩基采用袖阀管预注浆加固，加固深度为地面下3m至填土层下1m。
2）加固目的：
提高盾构施工影响范围内管桩侧摩阻力，满足桩基承载力要求，具体见图6所示。
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图6 加固平面图
1.5 盾构下穿小学施工情况
左线盾构下穿期间带压开仓2次，分别在489环（10月3日）和509环（10月18日）进仓检查更换刀具情况。
右线盾构下穿期间带压开仓1次，在509环（11月22日）进仓检查更换刀具情况，具体见表2所示。
表2 盾构下穿小学时间统计
1）下穿前准备措施
（1）完成下穿段专项施工方案（包括应急预案）已编审并经过专家论证、审批、齐全；
（2）完成下穿段范围监测点的布设取值；
（3）与小学校方及各相关单位建立联动机制，并制定下穿小学期间值班表；
（4）按照不同预警等级成立了相应应急抢险领导小组，并确定了应急抢险实施人员且完成安全培训教育及技术交底工作；
（5）对下穿范围预注浆加固效果进行检测。
（6）将盾构机上的刀具全部更换为新刀具，将光面刀具更换为扁齿滚刀，尽量减少盾构在穿越建筑物期间进行带压开仓作业的次数，减少次生风险，具体见表3所示。
表3下穿期间掘进参数卡控表
2）掘进过程中控制措施：
（1）掘进中控制好盾构姿态，确保盾尾管片与盾壳间隙均匀。
（2）在盾构下穿建筑物期间，进行24h人员不间断巡视，一旦发现异常迹象，立即上报各级领导，并根据情况采取适当措施进行处理；下穿期间现场实行领导带班制度。
（3）管片脱出盾尾后采用二次补强注浆来满足工程质量要求：二次补强注浆根据始发时地层情况选择材料和浆液配比。
（4）下穿期间加大地面建构筑物监测频率。
3）下穿小学期间曾发生三次沉降预警
盾构下穿小学期间共发生沉降预警三次，局部地表最大沉降值预警值达到65mm，但下穿总体可控未对学校上学造成影响，具体见表4所示。
表4 三次沉降监测折线统计
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（1）第一次于11月2日；当时左线盾构累计掘进至531环，盾构机已脱出小学教学楼10环，停机准备带压开仓；右线累计掘进至480环，刀盘位于484环位置。刀盘距教学楼11环（16.5m），右线盾构机正在掘进中，具体见图7所示。
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图7 学校沉降监测
沉降原因分析
A.该段隧道拱顶覆土为杂填土其厚度较厚（16米以上），该地层对盾构施工扰动敏感，地表沉降反应速度快；
B.该段隧道范围地层上部为全风化花岗岩，中下部为岩土分界面，地层水丰富，掘进过程反馈出渣较稀，地层失水较多引起地表沉降。
C.地层裂隙水较丰富，管片背后填充的浆液不能及时固结，初凝时间增长，同时在盾构施工中由于盾尾注浆孔的布置问题同步注浆浆液很难对隧道拱顶的空袭填充密实，导致管片脱出盾尾后沉降速率较大。
随后采取了隧道内二次补充注浆跟进的措施，对因同步注浆未能填充密实的空隙或因浆液收缩形成的空虚进行填充；同时在洞内施注止水环箍，封堵汇水通道，并加强建筑物监测。
（2）第二次于12月2日：右线于11月22日停机带压开仓检查更换刀具，于11月30日晚开始复推，复推各项掘进参数正常；具体见图8所示。
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图8 小学沉降监测
沉降原因分析
A.监测点预警位置与右线盾构机停机带压开仓位置吻合，由于该段地层杂填土较厚（16米以上），地层的气密性较差，带压开仓期间土仓内的气体延地层中的孔隙溢出对地层造成扰动。
B.带压开仓期间盾构机停机时间较长，盾体与围岩之间的间隙未能及时填充，在地层应力重新分布及释放时引起地表沉降。
C.前期左线下穿时对地层已有扰动，已造成一定的沉降，当前右线通过该地段时会造成二次扰动，形成叠加沉降，同时致使地面沉降速率较大。
为了确保小学建筑物的安全，控制地面沉降，在随后的掘进过程中通过盾构机中的盾径向孔注入克泥效，使之填充盾壳与土体间的间隙。
（3）第三次于12月14日；当时左线开累掘进533环，盾构机已出小学教学楼11环，正在掘进中；右线盾构开累掘进536环，刀盘位于540环位置。目前盾构机已出小学教学楼6环，具体见图9所示。
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图9小学沉降监测
沉降原因分析
A.在12月11日右线盾构白班推进530环至1200mm的时候螺机壁因磨穿突然漏泥，土体水土流失约30m3（土仓内实际有24m3），因多水土流失引起刀盘前方局部坍塌，造成地表出现较大沉降。
B.左、右线隧道纵向距离过近，另外左、右线盾构机又在同时掘进，对地层的扰动加剧；
C.虽然左、右线盾构机的盾尾均已脱出小学，但因盾构掘进施工引起的地层固结沉降持续时间较长，该现象在杂填土地层中尤为明显。
采取了地面打孔注浆回填因水土流失造成的空洞，同时对土体进行加固，控制地表沉降；地表进行地质雷达探测密实情况，经探测，无异常；洞内及时采用二次注浆对管片背面填充。
2.下穿构建筑物期间施工遇到的困难及应对措施
上软下硬地层刀具非正常磨损多、贯入度低、易多出土、换刀须带压进仓。
2.1 盾构掘进过程中出现喷涌、漏渣等现象
上软下硬地层是深圳盾构施工的重难点，上部是软土，回填土较厚，地层较为敏感，下部是微风化粗粒花岗岩，软硬交界面裂隙水较多，掘进过程中易发生喷涌。
应对措施：
1）掘进时往土仓注入高分子聚合物，阻挡地下水的来源，减少螺旋机出渣时的喷涌；
2）掘进过程中通过盾体中盾径向孔注入克泥效，填充盾壳与土体的间隙；
3）适当提高仓压，使仓压大于水压，减少地层水流进土仓。
4）掘进过程中将自制的小土斗放到螺旋机出闸口下，减少清理时间。
2.2 下穿期间地面漏气、保压困难
下穿期间地面漏气严重，保压困难，地面沉降较严重，容易造成超挖、地面塌方，无法达到进仓条件，严重影响施工进度。
应对措施：
1）在掘进过程中通过膨润土系统加入膨化后的钠基膨润土浆液，提高地层的气密性；带压开仓时采用膨华后粘稠的优质钠基膨润土浆液造泥膜，并通过洗仓来减少漏气量。
2）已经出现塌方等特殊情况时，采用“衡盾泥”。
3）推进过程中采用满仓掘进模式，严格控制出土量。
2.3 上软下硬地层中刀具的管控
上软下硬地层是深圳盾构施工的重难点，上部是回填杂土较厚，地层较为敏感，下部是微风化粗粒花岗岩，强度最大可达140MPa，刀具经过软硬交界面时会发生撞击，造成刀具非正常磨损较多，带压开仓较为频繁，具体见图10所示。
应对措施：
1）上软下硬地层刀具磕碰较多，应适当降低刀盘转速。
2）定期对所使用的刀具进行检测，刀具应选用韧性较好，抗冲击能力强的刀具，可试用扁齿滚刀。
3）当正面滚刀磨损量达15mm必须更换；边滚刀磨损量达10mm必须更换。遵守“拆一装一”的换刀原则。
4）根据地质及掘进中刀具磨损周期情况，制定详细的换刀计划，并在过程中严格执行，减少因刀具非正常磨损耽误的时间，提高掘进效率。
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图10 扁齿滚刀
3.结语
（1）下穿前做好建构筑物调查，调查清楚建构筑物基础及结构形式，并采取针对性措施。
（2）利用周末和寒暑假期间提前做好学校地质补勘工作，摸清地质。
（3）下穿前做好相应地质的掘进参数优化，精细化管理。
（4）做好施工中工序衔接，避免下穿期间不必要的停机。
（5）下穿前提前做好易损配件的储备。
（6）盾构通过上软下硬地层时，最有效的解决方式是对基岩进行爆破。由于本次下穿小学，因场地限制与实际情况不允许不具备爆破条件，故只能采用地面预注浆方式，对地层进行加固，在保证安全的情况下勤开仓检查刀具，对刀具磨损大的及时更换，保证掘进的正常速度，匀速通过，降低下穿风险。
参考文献：
[1]竺维彬，鞠世健.复合地层中的盾构施工技术[J].中国科学技术出版社，2006.
[2]陈馈，洪开荣.盾构施工技术（第二版）人民交通出版社，2016.
[3]史海波.土压平衡盾构穿越软硬交接地层时的施工技术[J].建筑施工，2017，39（2）：208.
[4]王南昌，李广华，海占权.双液浆加固盾构穿越老旧建筑群施工工艺研究[J].建设科技，2016（13）：140.
[5]张厚美，盾构盘形滚刀损坏机理的力学分析与应用[J].现代隧道技术，2011，48（1）：61-65.
[6]王霆.南京轨交工程建设盾构下穿既有建筑物施工技术[J].地下工程与隧道，2014（1）：25.
[7]欧阳林，杨双发，张东民.高压旋喷桩联合袖阀管注浆加固法下盾构隧道施工过程路基沉降原因分析[J].铁道勘察，2016，42（4）：64.