盾構施工對歷史保護建筑的影響及控制研究*

黃 杉 王尉行 李谷陽 李曉亮 王海飛 徐前衛 孫梓栗

(1. 中鐵五局電務城通公司，410205，長沙；2.同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室，201804,上海//第一作者，工程師)

0 引 言

隨著城市軌道交通系統的快速發展，越來越多的盾構隧道不可避免地穿越或鄰近已有建筑物。盾構施工會在地層中產生卸荷效應，使周圍土體產生變形，當變形傳遞到建筑物下方時會引起地基變形。盾構隧道對鄰近建筑物主要有三個方面的影響，即沉降、傾斜以及開裂[1]。國內外學者主要從理論分析、數值模擬和監測數據分析三個方面研究盾構施工對相鄰建筑物的影響。例如，文獻[2]分析了實測隧道下穿建筑物變形規律，提出了采用單線隧道已有的Peck修正公式疊加得到雙線隧道的地基基礎沉降規律。文獻[3]將土體損失簡化為擾動荷載，對鄰近建筑物的盾構施工引起的地面沉降進行了理論分析和數值模擬，提出了盾構臨近建筑物施工的控制措施。文獻[4]結合工程實際，基于建筑物與隧道中心的距離和建筑物不同基礎類型兩個因素，用數值模擬的方法研究了隧道開挖對上覆建筑物基礎變形的影響。

在北京地鐵8號線天橋站—永定門外站區間隧道施工過程中，盾構需要從重點保護文物燕墩下方穿過。燕墩屬磚砌結構，且年代較為久遠，盾構掘進勢必對其結構安全造成影響。有鑒于此，借助數值分析軟件對盾構側穿燕墩的施工過程進行模擬，研究了盾構近接施工引起的地層變形及對燕墩的受力和變形的影響，提出了地層加固方案和施工控制措施，相關成果可為今后類似工程提供借鑒和參考。

1 工程概況

天橋站—永定門外站區間于K34+802.400處側穿北京市保護文物建筑——燕墩。燕墩是一座磚臺，其上豎有清乾隆皇帝御制碑一座，是北京著名碑刻之一。燕墩外形下寬上狹，平面呈正方形，臺底各邊長14.8 m，臺面長13.9 m，臺底至臺面高約8 m。燕墩位于區間西側，距離右線最小距離為7.915 m，此處盾構線間距為16.8 m，覆土22.3 m。地鐵線路與燕墩的空間位置關系如圖1所示。

圖2給出了盾構穿越施工區段的地質剖面。該處隧道埋深約為22.3 m，地下水距離隧道頂部約為3.94 m。

圖2 區間地質剖面示意圖

2 盾構側穿燕墩施工模擬

2.1 計算模型

圖3給出了盾構側穿燕墩的數值計算模型，土體橫向邊界長68.0 m，豎向邊界長48.3 m，縱向邊界長度60.0 m，左、右線隧道模擬的是從777環到827環的襯砌結構。

為考慮地下水滲流與土體因開挖造成的應力狀態改變之間的相互影響，采用流-固耦合分析模式進行計算。地基土、燕墩、管片和注漿層均采用實體單元模擬，地基土采用Mohr-Coulomb彈塑性模型，燕墩、管片和注漿層采用各向同性彈性模型。土層、管片、注漿層及燕墩的計算參數如表1～表2所示。

圖3 隧道側穿燕墩計算模型圖

地層重度/(kN/m3)黏聚力/kPa摩擦角/(°)體積模量/MPa剪切模量/MPa孔隙率滲透系數/(m/d)①1 65008.004.462.060.732.30③1 57023.258.644.572.110.720.23③31 629030.0036.6716.920.6569.00④1 60021.6711.927.833.610.820.23④32 000030.0018.949.760.620.71⑤1 670040.0039.5818.270.501 400.00⑥1 49722.508.809.924.580.810.23⑦21 647030.0027.0812.500.6081.00⑦1 694045.0039.5818.270.452 300.00

表2 彈性實體單元計算參數

2.2 施工過程模擬

按照實際施工工況進行開挖模擬，即左線隧道先開挖24 m，左、右線隧道隨后一同開挖36 m，右線隧道再開挖24 m。左、右線隧道每次開挖長度為5環6 m，隧道襯砌施作和注漿施工應滯后開挖面6 m。開挖面支護壓力按照太沙基松動土壓力計算，隧道頂部側壓力為140 kPa，中心處側壓力為215 kPa，變化梯度為25 kPa。

3 計算結果分析

3.1 地層豎向變形

左、右線盾構掘進完后的總體豎向位移如圖4所示。最大沉降值約為10.07 mm，發生在左線隧道827環拱頂和777環地表位置;最大隆起值約為11.37 mm，發生在左線隧道827環拱底附近。

圖5為數值模擬得到的盾構刀盤到達不同管片環位置時的地表豎向位移監測斷面的變形曲線。該監測斷面位于燕墩中心處的第800環管片位置。地表變形曲線有一個沉降峰值，最大沉降值為5.91 mm，出現在刀盤距離燕墩20 m左右的位置。分析盾構通過前后的地表豎向位移曲線可知，該斷面處的地表豎向變形表現為隨著盾構的接近而逐步發生沉降，而當盾構遠離該監測斷面后，則沉降值趨于穩定。

圖4 左、右線盾構掘進完成后豎向位移云圖

圖5 數值模擬第800環監測斷面處地表豎向位移曲線

3.2 孔隙水壓力分析

圖6為盾構通過后的土體孔隙水壓力分布圖。由于施工擾動引起開挖面附近土體膨脹，在開挖面附近形成負的超孔隙水壓力，孔隙水向開挖面附近流動，后期由于超孔隙水壓力的消散會使土體發生固結沉降，這可能會對地表的燕墩產生不利影響。

圖6 左、右線隧道開挖完后的孔隙水壓力

3.3 燕墩結構變形分析

圖7是計算得到盾構開挖完成后的燕墩豎向位移云圖，圖8分別給出了燕墩各角點的變形曲線圖。左線隧道開挖20環后，此時盾構并沒有通過燕墩，燕墩整體有一個微小的隆起變形；左線隧道開挖50環后，燕墩除J-15-04角點所在區域外，均發生沉降變形，且距離盾構開挖區域最近的J-15-01附近區域沉降值最大為1.85 mm；左、右線隧道開挖完后，燕墩J-15-04附近區域發生微小的隆起變形，其余區域均發生沉降變形，且J-15-01附近區域沉降值最大為2.22 mm。

圖8 燕墩各角點豎向位移圖

3.4 燕墩結構應力分析

圖9、圖10是左、右線盾構開挖后燕墩的最大主應力和最小主應力云圖，燕墩最大拉應力為0.139 MPa，最大壓應力為0.461 MPa。最大主應力對應最大拉應力，最小主應力對應最大壓應力，對于磚砌結構的燕墩來說，盾構施工引起的拉應力在其允許范圍內。

圖9 燕墩最大主應力云圖

圖10 燕墩最小主應力云圖

4 施工控制措施及實測數據分析

4.1 盾構穿越燕墩的保護措施

1)由于燕墩基座位于右線盾構施工的影響范圍內，故右線盾構施工時，除嚴格按照盾構施工工藝控制和監測外，采取加大同步注漿及二次注漿量、二次深孔加強注漿及在左線隧道采用加強型襯砌環的保護方案。同步注漿量不小于建筑空隙的220%，二次注漿量不小于同步注漿量的25%。盾構過燕墩的加強型襯砌環設置范圍如圖11所示。

圖11 盾構側穿燕墩加強襯砌環設置平面圖

2)如圖12所示，二次深孔注漿即通過加強襯砌環管片(管片主筋由φ20 mm增強至φ22 mm)吊裝孔及新增注漿孔打設鋼花管進行管片壁后注漿，每環加強襯砌環管片的吊裝孔及新增注漿孔共有16個，沿圓周均勻布置。

圖12 盾構側穿燕墩段二次深孔注漿斷面示意圖

二次深孔注漿工藝流程及注漿設備同二次補漿，漿液采用水泥-水玻璃雙液漿，漿液配比同二次補漿漿液配比，注漿壓力為0.5～0.8 MPa，注漿應控制在距離開挖面20 m左右。

4.2 盾構掘進參數管理

4.2.1 上部土倉壓力

圖13為789～815環推進時實測土倉上部土壓力與理論計算值的比較。此段隧道平均埋深22.3 m，根據太沙基松動土壓力公式可得土倉壓力理論計算值為0.100～0.127 MPa。由圖13可知，大部分實際土倉壓力在理論計算值的范圍內。

圖13 土倉壓力實測值與理論計算值

4.2.2 推力管理

對于土壓平衡盾構來說，盾構千斤頂的推力就是推進過程中盾構遇到的全部阻力之和，盾構總推力理論計算值是20 794～29 706 kN。實測盾構總推力約為14 000～20 000 kN，比理論計算值小，因實際施工采取欠壓推進模式，以免引起過大變形。

4.2.3 扭矩管理

根據理論計算公式可得刀盤扭矩值為2 326～5 815 kN·m，實測789～815環扭矩值在1 800～2 500 kN·m范圍內，靠近經驗估算值下限，比理論計算值略小。

4.2.4 盾構掘進參數管理

盾構實測的推進速度在60～70 mm/min間波動，螺旋輸送機轉速在5.5～6.5 r/min間波動，刀盤轉速在0.9～0.94 r/min間波動。結合土倉壓力實測值可以看出，此種盾構掘進參數組合基本能夠保證盾構掘進面的壓力與支護力相等，有效控制了地表的沉降變形。

4.3 實測地表變形分析

圖14為實際施工中地表監測斷面所反映的地表沉降變化曲線。與圖5中數值計算結果相比可以發現，二者所反映的地表變形隨盾構推進的變化規律基本一致，且最大沉降值均出現在距離燕墩20 m左右的位置。數值計算得出最大沉降量5.91 mm，略高于實測最大沉降量3.6 mm，這說明實際施工時實施的二次注漿有效控制了地表的沉降量。

圖14 實測第800環監測斷面處地表變形歷時曲線

4.4 實測燕墩變形分析

圖15分別給出了實測得到燕墩各角點的沉降變形圖。對比圖8和圖15可知，隨著盾構推進，燕墩整體產生沉降變形，且沉降值小于2.5 mm，在控制范圍內，這與數值模擬一致。但在實測結果中，J-15-04并未產生隆起變形，這是由于盾構采取欠壓推進所致。

圖15 施工監測燕墩各角點沉降變形圖

5 結語

結合北京地鐵8號線側穿燕墩的工程實例，通過數值分析軟件對盾構施工過程進行動態模擬，結合現場監測數據和盾構掘進參數，得到以下結論：

1)地表豎向變形整體表現為隨著盾構推進而逐步發生沉降，盾構遠離監測斷面后，沉降值趨于穩定。

2)隨著盾構推進，燕墩整體產生沉降變形，且沉降值小于2.5 mm，在控制范圍內。

3)采取合理的盾構掘進參數和二次深孔注漿工藝能夠有效減少盾構開挖對上方建筑的影響。