盾構近距離側穿建筑遺產的施工技術分析及保護措施加固效果

王 謙， 楊昌鳴*， 陸繼廣， 徐英晉， 王啟力

(1.北京工業大學北京市歷史建筑保護工程技術研究中心， 北京 100124； 2.中國建筑第二工程局有限公司， 北京 100160; 3.廣聯達科技股份有限公司， 北京 100193)

一個城市的歷史與文化內涵大部分存留在城市建筑遺產中。建筑遺產承載著城市的記憶，凝聚著城市居民的情感寄托，是城市的重要物質與精神財富[1]。目前，中國城市軌道交通快速發展，有效緩解了城市交通問題，有力推動了城市的經濟發展[2]。但在其建設過程中不可避免地對周邊環境產生影響，其中不乏一些建筑遺產。因此盾構穿越建筑遺產時，需要更高的施工技術要求和完備的加固措施[3]。

中國采用盾構法施工的城市隧道工程逐漸增多，積累了相當豐富的經驗[4]。盾構施工技術憑借其對周圍地層擾動小、隧道成形質量高、掘進速度快且不阻斷地面交通、安全環保，其工程造價不隨隧道埋深的深淺而發生大幅度的變化等優勢，成為城市地鐵隧道施工的主流施工方法，對其研究方法主要有數值模擬、簡化解析、現場實測等[5-8]。

即便盾構法施工的優點如此之多，在其掘進過程中仍然會引起周圍地層的變形和移動[9]。地層移動一方面會引起地表沉降，另一方面會引起臨近建構筑物的變位，稍有不慎對建筑遺產可能帶來不可恢復的影響[10]。目前對歷史久遠、意義重大的古建筑，盾構近距離側穿砂土地層下的研究較少。為此，以鄭州地鐵3號線二順盾構區間近距離下穿二七塔為例，施工前進行了三維數值模擬和施工技術研究，確定了盾構施工參數，施工中加強地面監測，盾構順利通過二七紀念塔，驗證了數值模擬的預測、加固效果及盾構掘進參數選取的合理性。

1 工程概況

1.1 工程簡介

圖1 區間線路側穿二七塔平面圖Fig.1 Plane of interval line side crossing Zhengzhou Memorial Tower

二七廣場站—順城街站盾構區間隧道為鄭州市3號線一期工程的第10個盾構區間，本盾構區間小里程端為二七廣場站，大里程端為順城街站。區間設計范圍：區間設計里程右線為YDK15+588.162～YDK16+520.386，長932.224 m，左線為ZDK15+590.462～ZDK16+455.078(長鏈2.365 m)，長869.281 m。最小平面曲線半徑370 m，最大縱坡坡度為25.060‰，拱頂覆土埋深在9.145～18.56 m，盾構區間主要下穿運營中的二七廣場站、近距離側穿二七紀念塔、二七商廈過街天橋、1 m直徑污水管等主要建(構)筑物。

1.2 穿越二七紀念塔概況

二七塔全稱“鄭州二七大罷工紀念塔”，是紀念性建筑物，紀念1923年2月7日的工人大罷工。二七塔位于鄭州市二七廣場， 1971年重建，塔身為并聯式雙塔，高63 m，共14層，其中基座為3層，塔身為11層，鋼筋混凝土結構，2006年被國務院公布為第六批全國重點文物保護單位[11]。

地鐵1號線二七廣場站施工時，已對二七塔進行了加固，在二七塔北側打設一排φ800@1 000 mm的隔離樁，范圍是62 m，樁底標高為71.54 m，距離地面為29 m，位于地鐵3號線二七廣場站～順城街站區間右線南側。在右線隧道里程YDK15+713處距隔離樁最近，距離僅為0.41 m。隔離樁距離筏板基礎的水平距離為7.044 m，距離地面建筑物臺階的水平距離為0.5 m。盾構施工的影響里程為YDK15+684.886～YDK15+729.886，長度為45 m，隧道頂部埋深為17.76～18.02 m，坡度為5.140‰。區間線路與二七塔相對位置平面圖如圖1所示，區間線路側穿二七塔橫剖如圖2[12]所示。

圖2 區間線路側穿二七塔橫剖圖Fig.2 Cross-section of interval line side crossing Zhengzhou Memorial Tower

1.3 工程地質

盾構右線近距離側穿二七塔經過地段，從上至下主要地層依次為①3砂質粉土填土、②21粉質黏土、②512粉砂、③25細砂、②41粉砂、③34黏質粉土、②51細砂、③26粉質黏土，具體分布情況及物理特性如圖3、表1所示。

結合施工設計圖紙及巖土勘察報告，確定區間范圍內存在一層地下水，穩定水位埋深15～17.6 m，穩定水位標高83.14～87.72 m。該層水賦存于水位以下的沖洪積層中，主要接受側向徑流補給，補給方向為自西南向東北，以人工開采和徑流排泄[12]。

2 盾構施工技術措施

盾構始發，近距離下穿正在運營的地鐵1號線，分析土壓力、推進速度、出土量、注漿量和注漿壓力等參數設定對地面沉降的影響，掌握此區間內土體性質及盾構推進過程中土體沉降變化規律，從而準確設定盾構參數和采取相應措施，減少土體沉降量以確保安全通過二七紀念塔。

2.1 監測布點

盾構施工過程中為了對地表建筑物進行有效的保護，并保證盾構順利安全穿越重點保護建筑物，特對二七紀念塔進行沉降監測。

圖3 二七塔段地質剖面圖Fig.3 Geological section schematic of Zhengzhou Memorial Tower segment

2.1.1 隧道軸向沉降點布設

根據施工設計圖紙及專家評審建議，在盾構機側穿二七紀念塔段沿隧道軸向共設置11個監測點，全部采用深層點布設，確保真實反映地面位移情況。

2.1.2 隧道橫向沉降點布設

根據地鐵施工地面沉降規律，側穿段橫向設置3個斷面，每個監測斷面沿隧道中線對稱布置測點。

2.1.3 二七塔傾斜點布設

根據所調研資料對二七塔地基基礎及上層結構情況進行分析，傾斜點布置在其基礎六個角上。監測點布設情況如圖4所示。

表1 主要地質分布情況及特性

DBC表示地表沉降；JGC表示建(構)筑物豎向位移；JGQ表示建(構)筑物傾斜圖4 盾構穿越二七塔段監測點布設Fig.4 Layout of monitoring point of shield crossing Zhengzhou Memorial Tower segment

2.2 推進土壓力設定

根據設計圖紙、下穿二七廣場站的盾構機及地層實際狀況分析，確定盾構側穿二七塔的掘進參數并嚴格控制盾構機姿態。在推進時，各項參數應控制在要求范圍內，保證盾構機近距離側穿二七塔期間順利通過。盾構側穿二七塔掘進參數如表2所示。

在盾構機側穿二七塔前，將上部土倉壓力穩定在0.16～0.17 MPa，隨后根據推進過程中的反饋數據進行修正。包括盾構埋深、所在位置的土層狀況以及監測數據進行實時優化調整，每次調整的幅度為0.005 MPa。

表2 側穿二七塔掘進參數表

2.3 出土量控制

盾構是否出現超挖/欠挖最直觀、重要的依據是出土量的大小。施工中，須嚴格控制每環出土量，超挖、欠挖的偏差都不得超過理論值的5%。此外，根據盾構的推進速度，合理選擇螺旋輸送機的轉速、閘門開口率和出土量等參數，確保過程中出土與開挖保持同步。出土量控制：土壓建立起來后，控制出土方量，具體數值根據實際情況進行調整；出土量控制作為土壓控制的輔助措施，并應根據地面監測情況進行調整。

2.4 推進速度設定

設定合理的盾構推進速度，確保勻速推進，減少盾構機對周邊土體的擾動，以達到控制地面變形、保護地面建筑物的目的；依據試驗段的推進數據，在右線側穿二七塔盾構施工過程中，盾構機推進速度控制在30～40 mm/min，并觀察每環出土量，避免超挖等情況。

2.5 管片拼裝

通過控制推進時盾構機姿態、同步注漿量和二次注漿可以對管片姿態進行有效控制。測量已拼裝管片姿態，分析管片移動趨勢和程度，對之后的盾構機姿態、注漿量進行調整，保證管片成環的中心位置與設計軸線之間的偏差在±100 mm之內。

2.6 盾構姿態控制

在盾構進行糾偏過程中，土體擾動會增加，因此在推進過程中，不僅確保盾構正面沉降控制良好，而且盡可能使盾構勻速、直線穿越，避免大幅度的糾偏，以免造成過大的土體損失[10]。預先計算好每環的楔形量及千斤頂控制行程，并在盾構推進時根據自動測量系統反饋數據實時控制。需要糾偏時，單次平面糾偏量不超過3 mm/環，單次高程糾偏量不超過1‰，并注意保證管片與盾殼的間隙。推進時采用穩坡法、緩坡法，以減少盾構施工對地表建筑物的影響。

2.7 同步注漿及二次注漿

2.7.1 同步注漿

同步注漿由填充性、限定范圍、固結強度(早期強度)三要素構成，這三者相輔相成又相互制約[13]。通過調整同步注漿的體積、材料配比、注漿壓力和注漿位置等，才能得到理想的同步注漿效果。

根據試驗段(下穿二七廣場站)數據分析，經計算確定泵送出口處的壓力應控制在0.2～0.3 MPa。具體同步注漿材料配比如表3所示。

表3 同步注漿材料配比

2.7.2 二次注漿

由于同步注漿壓力、注漿量不足和出土量大等原因未能進行充分的同步注漿時，會出現管片漏水、地面沉降等現象。因此，此區域的管片新增設10個注漿孔，在管片脫離盾尾時，立即對加固區所在范圍內的注漿孔打設注漿管，實施二次注漿和洞內徑向注漿，注漿量和注漿點根據注漿時的壓力值和地層變形監測數據而定，二次注漿配比如表4所示。

表4 二次注漿配比

3 盾構推進數值計算分析

3.1 施工工況選擇

根據現場3號線實際施工情況進展，主要分為3個施工階段，樁基施工階段、左線盾構穿越階段、右線盾構穿越階段。樁基施工階段考慮到地鐵1號線施工時已于2009年施工鉆孔樁，此階段已完成。另外，左線盾構穿越階段，因左線與建筑遺產距離大于2倍隧道直徑，對建筑影響較小，此文不做具體分析。因此，僅研究右線盾構穿越階段。

3.2 模型建立

3.2.1 土體參數選取

對于盾構施工的模擬，與常見的地下工程相同，涉及本構模型的選取，采用摩爾-庫倫本構模型。應力邊界條件設置:豎直方向上根據土層自重應力壓力系數進行等代，水平方向上根據自重應力進行等代。位移邊界條件設置:模型的頂面為自由邊界，底面為完全約束，模型的四周邊界設為各約束面的法向位移。數值模擬的目的在于研究盾構施工過程中引起的二七塔周邊地表沉降以及盾構施工前二七塔周邊土體自重力影響下的地表沉降。為了后續軟件良好運行，土層進行了迭代優化。首先，根據地層勘探報告中巖土參數建議值，利用軟件中Extrusion的命令模擬實際土層分布，獲取模型初始值；其次，在初始值基礎之上通過迭代計算獲取適用于模擬計算的優化土層參數；然后根據地層勘探報告中已知數據：內聚力、有效內摩擦角，通過計算公式換算出軟件所需輸入命令流中土層其他參數(如泊松比、剪切模量等)；最終得到優化后的計算土層分布[圖6(a)]，土層參數選取如表5所示。

表5 計算土層參數選取

3.2.2 盾構參數選取

為了合理的模擬盾構施工，常用等代層來模擬管片外側的建筑空隙、同步注漿的漿液沿隧道徑向向土體滲透的部分土體。用等代層的彈性模量、泊松比和厚度的不同取值，來模擬同步注漿中漿液的物理力學性質的變化[14]。管片及等代層參數如表6 所示，盾構隧道相關參數如表7所示。

3.2.3 數值模型建立

為了減小邊界效應的影響，考慮隧道開挖對土體的擾動及其影響范圍為3～5倍的隧道直徑，將數值模擬分析的模型尺寸邊界定為3R以外，其中R為盾構開挖的直徑，模型長度為50 m，寬度為100 m，上至地面，下至隧道軸線以下19 m為邊界，Z方向共50 m。兩盾構掘進中心線連線的右側為X軸正方向，沿盾構掘進方向為Y軸正向，豎向向上為Z軸正向。根據等效剛度和等效面積的原則，將隔離樁基等效成等厚度的排樁墻。整個模型范圍為100 m×50 m×50 m，共62 400個單元格，如圖5、圖6所示。

表6 管片及等代層模型參數

表7 盾構隧道相關參數

圖5 幾何模型相對尺寸Fig.5 Relative dimensions of geometric model

圖6 FLAC3D數值計算模型Fig.6 FLAC3D numerical calculation model

3.2.4 施工工況數值模擬

(1)工況1：土體先前累計固結沉降及鉆孔樁施工完成后—盾構施工前累計位移沉降(圖7)。

圖7 土層、排樁及二七塔自重應力下的位移云圖Fig.7 Displacement nephogram of the soil, pile and Zhengzhou Memorial Tower under gravity stress

(3)工況2：右線盾構機穿越二七塔過程中(距離最近)，如圖8所示。

圖8 盾構機側穿二七塔的位移云圖Fig.8 Displacement nephogram of shield tunneling machine side through Zhengzhou Memorial Tower

3.3 數值計算分析

盾構施工前，排樁的施工對二七塔附近的沉降固結有較大的擾動，同時表明自排樁施工后，排樁自身較穩定，沉降微小。此模擬可以得出地層長期累計沉降以及排樁施工后的沉降，對比說明了排樁在施工前后的沉降對比。

盾構穿越過程中，按方案施工參數代入盾構掘進過程模擬，得出沉降在允許范圍內，預測盾構可以順利安全通過二七塔施工段。

4 現場實測與數值計算對比分析

為了驗證施工技術措施的合理性、數值模擬的準確性以及具體施工過程中對二七塔的影響程度，根據現場監測的數據進行了實測結果對比分析。

隧道軸向實際監測值與數值模擬預測值對比情況如圖9所示。

(1)監測點實測規律與數值計算模擬沉降規律一致，變化量級一致，說明數值模擬的合理性以及前期技術方案措施的合理性。

(2)盾構側穿二七塔10 d后，實測點最大累計隆起1.82 mm，最大累計沉降-2.15 mm；數值計算過程中沉降曲線，最大沉降-3.1 mm，最小沉降-1.1 mm。從數值上看，實測結果與數值計算結果基本一致，說明隧道距離二七塔最近位置地面沉降波動較大。

隧道橫向實際監測值與數值模擬預測值對比情況如圖10所示。

(1)遠離二七塔位置的隧道左線位置隆起較大(4.05 mm)，距離二七塔近端的右線隧道成沉降趨勢(-4.47 mm)，距離二七塔最近的斷面監測最大沉降為-2.15 mm，符合右線盾構施工過程中對先行施工左線的影響實際施工情況。

(2)7、8、9監測點數據說明樁基施工完成后，加固了二七塔周邊土體，減緩了由于盾構施工帶來的土體損失、應力擾動對二七塔的沉降變形影響。

(3)監測值和數值模擬基本趨于一致。由于實際監測中取值的主觀因素和客觀因素，以及數值模擬計算時所選取參數等效的原因，實測結果和數值模擬結果存在一定的差異。

通過對比分析，在一定程度上驗證了數值模擬方法的可靠性和結果的準確性。

圖9 二七塔附近隧道軸向累計沉降曲線Fig.9 Curve of tunnel axial cumulative settlement nearby Zhengzhou Memorial Tower

圖10 二七塔附近隧道橫向累計沉降曲線Fig.10 Curve of tunnel transverse cumulative settlement nearby Zhengzhou Memorial Tower

二七塔沉降曲線隨時間發展情況如圖11所示。目前文物建筑的差異沉降控制標準暫未發布，可以參考相關規范的嚴格要求，《建筑地基基礎設計規范》(GB 50007—2011)[15]要求差異沉降不宜大于0.5‰，《城市軌道交通工程監測技術規范》(GB 50911—2013)[16]要求沉降控制值<10 mm，變化速率控制值<1 mm/d，差異沉降控制值<1‰。通過圖中監測數據曲線可知，右線盾構近距離穿越二七紀念塔時，文物建筑6個監測點沉降為-1～2 mm，最大變化速率為0.97 mm/d，差異沉降0.14‰，均在允許范圍內，波動最大的階段是近距離穿越過程，后期沉降趨于穩定。

圖11 二七塔沉降曲線隨時間發展情況Fig.11 Settlement curve of Zhengzhou Memorial Tower develops with time

5 結論

文物遺產的不可逆性決定了在其周邊進行施工準確度和安全性的重要意義。結合鄭州地鐵3號線近距離側穿古建筑的實際工程，建立隧道-土體-建筑遺產的三維有限元模型進行計算預測，提供盾構掘進參數優化依據，并與實測數據進行對比分析，得出以下結論。

(1)施工前施作鉆孔灌注樁加固，有效地控制了二七紀念塔的沉降，符合規范標準，確保了結構的長期穩定。

(2)數值模擬結果與實測結果規律一致，驗證了數值方法的準確性和合理性，因此，數值模擬方法在工程實踐中具有重要指導意義。

(3)實際施工過程中盾構推進所選定的速度 35 mm/min、注漿壓力0.25 MPa、土倉壓力 0.16 MPa 等參數證實可安全通過二七塔，為類似工程施工提供了參考。