雙線盾構穿越建筑群風險分析與控制

馬運康

(天津地鐵集團，天津 300051)

0 引言

近年來，城市軌道交通發展迅速，修建地鐵成為解決城市交通的一條有效途徑，但同時也造成施工線路近距離穿越既有建(構)筑物的不利工況大量出現，這要求既要確保建(構)筑物的穩定，又要兼顧工程本身的安全和順利。

目前國內外對盾構法隧道施工引起的沉降風險大多集中于地表變形計算，主要方法有參照Peck模型、Atwell模型、O’Rail－new模型的經驗公式法［1－4］，簡化邊界條件按線彈性介質材料考慮的力學簡化法［5］，利用FLAC 3D/2D和ATINA等有限元軟件的數值模擬分析法［6－8］等，上述方法大都涉及分析地表沉降，且往往附加條件較多，計算復雜，適用性很不理想。對于盾構線路上方建筑沉降的分析相對較少，其中，文獻［9］針對建筑物的沉降監測數據序列具有趨勢變化和隨機變化的特點分別建立相應的數學模型 ，再將其組合起來建立綜合模型，從總體上把握沉降數據序列的變化規律，更進一步細致分析盾構施工各環節的影響因素、影響程度、影響規律，為控制建筑沉降提供適用性廣泛的借鑒經驗十分必要。

本文以天津地鐵施工中雙線盾構穿越建筑物的成功案例為基礎，分析了穿越施工時影響沉降的各種因素及影響規律，提出了技術控制重點、難點。

1 工程概況

天津地鐵3號線水上北路—吳家窯區間(以下簡稱水—吳區間)范圍為CK8+743.00～CK9+561.38，全長818.38 m，起于擬建的水上北路站，橫穿衛津路、衛津河，到達吳家窯車站。線路穿過衛津河后過平山里、氣象里居民小區。水—吳區間盾構沿線穿越建筑見圖1。區間采用盾構法施工，底板埋深16.4～22.3 m，頂板埋深9.6～15.5 m。

本場地地層有第四系全新統人工填土層(Qml)、第Ⅰ陸相層(Q43al)、第Ⅰ海相層)、第Ⅱ陸相層)及第Ⅲ陸相層()，巖性主要為黏性土、粉土及粉砂。地表普遍分布第四系全新統人工填土層(Qml)，巖性為雜填土及素填土，土質不均，結構松散，密實程度差。

其中氣象里小區居民樓屬于特級風險區，沉降控制難度極大，主要難點為:工程位于天津市內繁華城區，地理位置顯著;建筑基礎埋深淺，基礎形式差(條形基礎)，所處土層較軟弱，易受擾動;結構老舊(磚混結構)，且曾經歷過1976年2次地震影響，可能有潛在損傷;建筑群密集，居民眾多，對居民生活影響巨大。

圖1 水—吳區間盾構沿線穿越建筑簡圖Fig.1 Surface buildings along shield-bored running tunnel from Shuishang North Road Station to Wujiayao Station

2 盾構穿越密集建筑群沉降風險因素

盾構在不同地層掘進時引起的地表變形可分為早期沉降、開挖面前變形(沉降或隆起)、盾構通過時沉降、盾構空隙沉降、后期沉降5個階段［10］，其產生的原因如表1所示。

表1 盾構施工引起變形的原因Table 1 Causes for deformation induced by shield boring

盾構施工引起地面沉降的因素比較復雜，其與地層條件、土倉壓力、出土量、掘進速度、注漿時間、壓力、注漿量等都密切相關［11］，沉降量難以準確計算。盾構施工時，必須進行信息化施工，實行實時監測與實時控制，根據實時監測的結果，隨時進行各種施工參數的調整，從而確保盾構施工安全順暢。

3 各階段沉降風險控制對策

3.1 早期沉降

早期沉降是隨著盾構掘進因地下水水位降低而產生的，是由地基有效上覆土厚度增加而產生的壓縮、固結沉降。該沉降通常在2 mm以內，若沉降異常，則盾構前方可能有不利地層，應考慮超前探測確認，并要做好應急施工準備。

3.2 開挖面前的隆沉

此階段沉降是由開挖面土壓力失衡所致，盾構土倉壓力小于土體正面壓力時，盾構開挖產生地層損失，盾構上方地面出現沉降;相反，土倉壓力高于土體正面壓力時，則地面隆起。

土壓的設置一般選取原狀的天然土體的靜止側向土壓力

式中:γ為土體的容重，N/m3;h為隧道埋深，m;k0為靜止側向土壓力系數。

經計算得出水—吳區間盾構在穿越氣象里小區的土壓設定為1.9～2.2 MPa(最小土壓)，考慮到上部建筑荷載，取2.2 MPa。

實踐表明，盾構機在穿越建筑物群的時候采用2.2 MPa的土壓進行掘進，盾構刀盤前方的沉降大都在2 mm以內，局部還有1 mm左右的隆起，基本達到了沉降控制的目的。

3.3 盾構通過時的沉降

盾構的推進速度對地面的隆、沉變形具有明顯的影響，推進的速度與正面的土壓力、千斤頂推力、土體性質等因素都有關系，應綜合考慮。本工程在盾構穿越時的推進速度控制為5環/d。

盾構推進過程中長時間的停機易造成地面大量的沉降。為了確保盾構24 h連續推進，在穿越前，對盾構機進行認真檢查，對可能產生的故障預先做好維修準備，同時對主要設備零件要存有備件。

3.4 空隙沉降

盾構掘進會產生空隙，通常采用同步注漿的方法進行填補，每環的壓漿量一般為建筑空隙的120%～200%，根據以往盾構推進的相關經驗，一般每環的注漿量為建筑空隙的180%。注漿量

式中:D為盾構切削外徑，m;d為管片外徑，m;L為管片寬度，m。

經計算注漿量為4.9 m3/環，考慮到此段的沉降控制要求高，除了對盾構掘進參數的控制外，還必須加大注漿量，并對注漿過程進行嚴格的監控，實際施工時不少于5.5 m3/環，在淺埋段時甚至達到8 m3/環。

同步注漿時要求在壓入口的壓力大于該點的靜止水壓及土壓力之和，做到盡量填補空隙但不是劈裂注漿。注漿壓力過大，管片外的土層將會被漿液擾動而造成較大的后期地層沉降及隧道本身的沉降，并易造成跑漿;注漿壓力過小，漿液填充速度過慢，填充量不足，也會使地表沉降量增大。本工程注漿壓力控制在0.35 MPa左右。

3.5 后期沉降

為控制盾構穿越過后產生的沉降，需要進行補漿和二次注漿。如監測數據無異常，每2環進行1次補漿，補漿量為同步注漿量的30%，利用低壓和少量、多次注漿的方式補充原有漿液固結收縮所產生的空隙;同時對盾構推進過后的6環進行一次環箍注漿，每環6個孔，每孔注入1.0 m3，注漿壓力為0.3 MPa。

如果監測數據較為不利，則考慮適當加大注漿量。

3.6 其他風險控制

盾構推進過程中的盾構姿態不好，易造成盾尾處漏漿，使地面產生沉降。在盾構穿越建筑期間，確保盾構推進軸線與設計軸線相吻合，使盾尾四周間隙均勻，是控制地面沉降的關鍵環節。

盾構在曲線段的掘進，要精確地調整千斤頂的推力值。盾構機軸線與設計軸線的偏差，應始終控制在±50 mm內，徑向相鄰管片拼裝錯臺應≤4 mm，環向管片拼裝錯臺≤5 mm，襯砌環的橢圓度控制在5‰D范圍內(D為管片環外徑)。

盾構在穿越過程中應注意出渣量的控制，每一循環的出渣量

式中:D為盾構開挖斷面直徑，m;W為作業循環長度，m;k為渣土松散系數(取1.1～1.2)。

據此本工程出渣量應控制在45～48 m3。在實際掘進過程中，出渣量如超出控制值，可以通過增大土壓和減小螺旋輸送機轉數等辦法來控制出渣量。

除上述的主要原因外，管片的滲漏水將會引起周圍土體空隙水壓力下降，導致土體固結而產生地層的位移，所以在穿越建筑期間應做好應急準備，少量的滲水和濕漬可以注雙液漿進行封堵，一旦有超過1 m3/h的漏水，應用聚氨酯等材料快速封堵。

4 實測數據分析

4.1 沉降主要影響因素

4.1.1 沉降關系統計

在實際施工過程中，根據盾構掘進引起的地表沉降過程的5個階段(早期沉降、開挖面前沉降、通過沉降、盾尾空隙沉降和后期沉降)將各建筑的最大累計沉降值進行統計。測點與刀盤距離－沉降關系曲線見圖2，首次和二次穿越建筑物各階段沉降統計見表2和表3。

圖2 測點與刀盤距離－沉降關系曲線圖(首次穿越)Fig.2 Curves of settlement VS distance between monitoring point and cutter head(shield boring for the first time)

表2 首次穿越建筑各階段沉降統計Table 2 Statistics of settlement in each stage when shield boring underneath buildings for the first time mm

表3 二次穿越建筑各階段沉降統計Table 3 Statistics of settlement in each stage when shield boring underneath buildings for the second time mm

由統計結果可知，無論是首次穿越還是二次穿越，盾構“通過沉降”和“盾尾縫隙沉降”占總體沉降的比重都接近90%，是控制沉降的重點階段。在此階段內，密切監測沉降、設置適當土壓力、充分并及時注漿、保持合理速度是重中之重。

4.1.2 沉降特征分析

1)首次穿越造成的累計沉降大于二次穿越。如扣除28/30號和39/41號樓的沉降數據(遭遇特殊地層，將在其后專門討論)，首次穿越的累計沉降約為二次穿越的3.2倍，說明土體的初次擾動對建筑沉降的影響非常重要，而且經過首次穿越時的注漿活動，土體得到了一定程度的加固，所以二次穿越時沉降較小。

2)首次穿越時，“通過沉降”為主，二次穿越時，“盾尾縫隙沉降”為主。首次穿越時盾構“通過沉降”平均為“盾尾縫隙沉降”的2.4倍，占總沉降量的2/3，施工擾動土層及土體的應力釋放效應十分顯著，及至二次穿越，該效應已經受到削弱，且由于首次穿越的注漿加固施工擠壓土體，土體內應力提高，因而導致“盾尾縫隙沉降”加大。

4.2 地層的影響及控制

在隧道施工時，由于土體的各向異性彈、塑性和黏塑性，使得地層位移的準確分析和預測非常困難，反過來也說明土體性質對地層位移有巨大的影響。本工程所處區域不同的地層力學參數差異較大，在施工過程中，左線盾構二次穿越氣象里28/30號和39/41號居民樓時，遭遇到淤泥質地層，排出渣土均為淤泥，導致該2棟建筑的平均累計沉降為其他建筑的6倍以上。

由表3中各階段沉降數據分析28/30號和39/41號居民樓，除“早期沉降”外，各階段沉降均比平均值大，這是由于淤泥質地層黏聚力和內摩擦角偏小，流動性強，極易受到擾動有關。尤其經過首次穿越的注漿施工，其應力升高。

在本工程施工時總結了“3增2減”的方法，即相比于首次穿越的施工參數，適當增大土倉壓力、注漿壓力和注漿量，同時降低掘進速度和減小出渣量。經實踐檢驗，其有效克服了淤泥質地層的不利影響，基本控制了該2棟建筑的較快、較大沉降。

4.3 覆土厚度影響及對策

建筑物的沉降與覆土厚度關系較大，根據監測數據，在本工程中大致呈反比線性變化，覆土厚度每減小1 m，累計沉降量增大約1.5 mm。覆土厚度對建筑沉降的影響見圖3(本統計未包含受淤泥地層影響的氣象里28/30和39/41號樓)。

圖3 覆土厚度對建筑沉降的影響Fig.3 Influence of overburden on building settlement

根據國內外的實測和實驗研究經驗，覆土厚度對地層位移的特征影響因地層情況各異，Attewel得出關系式

式中:R為隧道半徑，m;h為覆土厚度，m;i為隧道軸線到地面沉陷槽曲線反彎點的距離，m;k和n為與地層特性及施工因素有關的常數。當h/2R增大時，地層上拱作用隨之增強，地層位移楔體變陡峭，沉陷槽變窄，即:隨著覆土厚度的增大，建筑的差異沉降將隨之增大，這與本工程的實際監測數據是一致的。

4.4 建筑自身特性的影響

除了受到施工影響，建筑物的沉降量往往與建筑物自身特性也有一定關系，如基礎形式、結構形式、建筑質量等。

在本工程中，昆侖公寓與氣象里28/30及39/41號均為6層住宅，質量相似，但基礎形式和結構不同，昆侖公寓為框架結構閥片基礎，抗擾動能力和整體性均優于氣象里28/30及39/41號(磚混結構，混凝土條形基礎)，所以在首次穿越和二次穿越的施工中，累計沉降小于后者2～10 mm。

上島咖啡與德才里基礎形式和結構形式相同，均為磚基礎、磚混結構，但上島咖啡為2層商鋪，質量小于德才里(4層居民樓)，所以在首次穿越和二次穿越施工中，累計沉降小于后者1～2 mm。

5 風險控制效果

通過以上的風險分析，在本工程盾構雙線依次穿越特級風險建筑群時，抓住了施工的主要影響因素(土倉壓力、掘進速度、出渣量、注漿壓力、注漿量、每環糾偏量等)，同時考慮了客觀條件(特殊地層、覆土厚度、建筑自身特性等)的影響。該建筑群的沉降基本控制在－30 mm以內，且無建筑裂縫，無不良社會影響，圓滿完成了盾構區間施工。

6 結論與討論

雙線盾構穿越建筑的施工風險較高，通過細致的分析和合理的施工措施可以在很大程度上降低風險。

1)根據盾構機的相對位置，可以將建筑(或地表)沉降分為5個階段，其中盾構“通過沉降”和“盾尾縫隙沉降”占的比重最大，超過了總沉降值的90%。

2)盾構雙線首次穿越時，“通過沉降”較大，應嚴密控制土倉壓力、出渣量和每環糾偏量;二次穿越時，“盾尾縫隙沉降”較大，應注重注漿施工，結合監測數據隨時補漿。

3)控制建筑物的沉降還需要考慮地質情況、覆土厚度以及建筑物自身特性的變化，適當調整施工參數，在保證安全的基礎上提高經濟效益。

［1］ 魏綱，張世明，齊靜靜，等.盾構隧道施工引起的地面變形計算方法研究［J］.巖石力學與工程學報，2006，25(S1): 733－739.(WEI Gang，ZHANG Shiming，QI Jingjing，et al.Study on calculation method of ground deformation induced by shield tunnel construction［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2006，25(S1):733－739.(in Chinese))

［2］ 張云，殷宗澤，徐永福.盾構法隧道引起的地表變形分析［J］.巖石力學與工程學報，2002，21(3):90－94.(ZHANG Yun，YIN Zongze，XU Yongfu.Analysis of three-dimensional ground surface deformations due to shield tunnel［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2002，21 (3):90－94.(in Chinese))

［3］ 朱合華，丁文其，李曉軍.盾構隧道施工力學性態模擬及工程應用［J］.土木工程學報，2000，33(3):98－103.(ZHU Hehua，DING Wenqi，LI Xiaojun.Construction simulation for the mechanical behavior of shield tunnel and its application［J］.China Civil Engineering Journal，2000，33(3):98－103.(in Chinese))

［4］ SAGASETA C.Analysis of undrained soil deformation due to ground loss［J］.Geotechnique，1987，37(3):310－320.

［5］ 魏綱，黃志義，徐日慶，等.土壓平衡盾構施工引起的擠土效應研究［J］.巖石力學與工程學報，2005，24(19):124－130.(WEI Gang，HUANG Zhiyi，XU Riqing，et al.Study on soli-compacting effects induced by earth pressure balanced shield construction［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2005，24(19):124－130.(in Chinese))

［6］ Pang C H，Yong K Y，Chow Y K.Three-dimensional numerical simulation of tunnel advancement on adjacent pile foundation［C］//Underground Space Use:Analysis of the Past and Lessons for the Future.London:Taylor and Francis Group，2005:1141－1149.

［7］ Lee K M，Row E K.An analysis of three-dimensional ground movement:the Thunder Bay Tunnel［J］.Canadian Geotechnical Journal，1991，28(1):25－41.

［8］ 姜忻良，崔奕，李園，等.天津地鐵盾構施工地層變形實測及動態模擬［J］.巖土力學，2005，26(10):91－95.(JIANG Xinliang，CUI Yi，LI Yuan，et al.Measurement and simulation of ground settlements of Tianjin subway shield tunnel construction［J］.Rock and Soil Mechanics，2005，26 (10):91－95.(in Chinese))

［9］ 崔曉東，蘭孝奇，張兵良.建筑物沉降規律的綜合時序分析［J］.現代測繪，2004，27(1):36－38.(CUI Xiaodong，LAN Xiaoqi，ZHANG Bingliang.Comprehensive time series analyzing for building settlement rule［J］.Modern Surveying and Mapping，2004，27(1):36－38.(in Chinese))

［10］ 劉建航，侯學淵.盾構法隧道［M］.北京:中國鐵道出版社，1991.

［11］ 陳饋，洪開榮，吳學松.盾構施工技術［M］.北京:人民交通出版社，2009.