地铁盾构下穿古建筑的地表沉降原因分析及控制措施

北京地铁四号线灵境胡同站～西四站区间位于西单商业区北部, 由两条单线隧道组成, 呈南北走向, 总长约690.379m。隧道采用土压平衡式盾构法施工。该区间地层基本情况由上而下依次为人工填土 (1) 、粉质粘土 (4) 、粉细砂 (4) 3 F X、中粗砂 (4) 4 Z C、卵石圆砾 (5) 、粉细砂 (7) 2 F X、中粗砂 (7) 4 Z C、粉土 (6) 2、粉质粘土 (6) 等。隧道断面范围内主要为卵石圆砾 (5) 、粉细砂 (7) 2FX、中粗砂 (7) 4ZC, 较易坍塌。勘察范围内见两层地下水, 分别为潜水和层间水。潜水的含水层为卵石圆砾 (5) 层、中粗砂 (5) 1层, 水位埋深1 8.5～1 8.9 7 m, 该层地下水在区间范围内不连续;层间水含水层为卵石圆砾 (7) 层、中粗砂 (7) 1层和粉细砂 (7) 2, 本层地下水连续分布, 渗透系数大, 为强透水层, 水位埋深2 0.5 4～2 2.2 1 m。

万松老人塔修建于元初, 是目前北京市仅存的一座砖塔, 通高1 5.9米, 塔身及基座砖体强度较低。由于历史久远, 万松老人塔已倾斜, 目前塔基础整体最大倾斜率为7.2‰, 塔体的倾斜率为2 4.9‰。万松老人塔东侧1.5米处地下有一1.5×2.0 m基础人防工事, 为拱顶直墙全砖结构, 覆土厚度约1.7～1.8米。在砖塔范围4米外存在埋深0.8～1.5米的自来水管线。盾构隧道左线距万松老人塔约7米, 右线与万松老人塔重叠1.2米, 自然地面距设计隧道顶部约1 6.5米。

1 盾构施工地表沉降影响因素分析

(1) 盾构土舱内土压力与围岩侧压力的平衡关系。 (2) 盾构壳体与土体间的摩擦。 (3) 土体挤入盾尾间隙。在盾构机尾部脱出后, 围岩和管片之间存在一定的间隙, 为土体下沉提供了空间, 尤其是盾构超挖时, 该空间会更大, 可能造成沉降速率较大的变化。 (4) 土体再固结。 (5) 人防工事及自来水、污水管线等渗漏造成的地下空洞。

2 盾构施工地表及建筑物沉降控制措施

2.1 前期控制措施

在盾构隧道掘进之前对隧道施工影响范围内的地层状况、人防、地下构筑物、空洞、自渗井和管线渗漏进行调查, 在获得相关的原始资料后, 对地层条件及古建筑的状态进行评价分级, 进而确定在施工过程中为确保地层及古建筑的稳定而应达到的控制标准。本工程按绝对沉降值和相对沉降双控标准制定预警值、报警值和极限值三级控制表1, 预警值为极限值的6 0%, 报警值为极限值的8 0%。

为增强古建筑的安全稳定性, 减少外界因素对其的扰动, 最大限度的保证古建筑的结构安全, 可对古建筑采取临时性支护保护措施。本工程采取了在塔周围搭设钢管脚手架保护措施。

2.2 土层加固及隔离措施

地基加固是保护地下管线和地面建筑物的一种最为有效的措施。正确地选用各种地基加固方法, 就能使地层蠕动趋势减少, 颗粒土被粘结, 孔隙被填充, 土体稳定程度增强, 从而达到减小地面沉降的目的。目前常用的一些保护建筑物方法有基础托换法、承压板法、地层加固法、截止墙法、管排护顶法等。本工程采用了两种加固方法, 分别为截止墙法和地层加固法。截止墙法采用了双排咬合高压旋喷桩的施工方法, 用以隔离左线隧道与古建筑下方土体;地层加固法采用注浆材料对盾构右线隧道上方3.9 m范围的粉细砂层进行加固处理, 注浆材料为改型水玻璃化学浆液 (注浆加固范围内部) 和水泥水玻璃双液浆 (注浆加固范围外部及底部) 。

2.3 盾构掘进过程控制措施

(1) 试掘进确定参数指导施工。将盾构机始发掘进的前1 0 0 m作为试掘段, 在试掘段盾构掘进过程中, 根据古建筑控制标准、隧道埋深、地质条件、地面荷载、设计坡度、转弯半径、轴线偏差及盾构姿态等情况, 选取合理的参数指导施工。 (2) 设定合理土仓压力。在整个隧道掘进过程中, 土仓压力的设定是一个非常关键的参数, 土压设定值如果偏小则导致地层下沉量增大。通过盾构机掘进参数采集, 分析土压曲线的稳定情况, 根据地层变形、地表沉降监测结果及施工经验, 将土压调整至合理范围。 (3) 合理确定盾尾同步注浆参数, 及时进行同步注浆及二次注浆。盾尾同步注浆与地表沉降直接相关, 因此对地表沉降监测数据的整理、归纳和分析是进行盾尾同步注浆参数调整和优化的最有效的手段, 然后按照总结出来的规律进行注浆效果的分析和判断, 并及时对注浆参数进行调整。盾构通过后要结合地表沉降监测及时进行二次注浆, 确保管片与地层之间的空隙被完全充填。盾尾同步注浆过程中的关键控制参数包括:合理配合比的注浆材料、注浆压力、注浆时间、注浆量及注浆位置的分配。本工程采用由水玻璃和水泥浆的双液浆材料, 注浆压力控制在0.22 Mpa～0.3 Mpa之间, 每环注浆量控制在2.8 m 3～4.0 m 3之间。 (4) 针对不同土质调整加泡沫和泥浆的比例, 并监测每环出土量。 (5) 严格控制推进的速度, 尽量保持速度均匀稳定、施工连续。盾构在掘进时稳定推进速度、螺旋输送机转速及加泥加泡沫的量, 通过这几个方面的协调控制可以把土压控制在一个较为稳定的范围内。同时要避免长时间停机, 如果停机时间过长, 土仓压力难以保持, 对地面沉降控制极其不利。 (6) 加强监控量测, 做到信息化施工。在盾构掘进过程中, 制定严密、有针对性的监控量测方案, 并根据监测结果与各项施工参数之间的对照分析, 可对施工参数进行进一步修正, 达到优化匹配掘进参数、有效控制地层变形的目的。

3 结语

在盾构施工过程中, 如何有效地控制地面沉降是一项系统性工作, 贯穿于整个盾构施工过程, 牵扯到地质条件、机械设备、施工参数、地层加固方法乃至人员、管理制度等各个方面, 但关键是对盾构掘进参数的控制。本工程通过采用综合控制方法, 达到了有效控制地层变形的施工目标:最终塔基最大沉降4.6 m m, 最大差异沉降2.8 m m, 远远小于设计极限值。

摘要：本文结合北京地铁4号线灵境胡同～西四区间盾构下穿万松老人塔的工程实践, 通过地层变形特点和原因分析, 提出盾构施工过程中控制地层变形的措施, 为地铁盾构下穿古建筑乃至其它建筑物施工提供一些借鉴。

关键词：地铁,盾构,下穿古建筑,控制措施

参考文献

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