大直徑盾構隧道穿越既有建筑物風險控制技術研究

薛一彤

（上海市交通建設工程安全質量監督站，上海 200030）

0 引言

城市中心城區的建設環境復雜，地上地下建筑物及管線眾多，新建隧道與現有建筑物之間相互平行、上下重疊、交叉穿越等情況越來越多。上海地區的地質結構屬于軟土地層，對盾構隧道施工引起的地表沉降、建筑物沉降較為敏感，在制定科學合理的施工管理措施時，既要兼顧安全質量和工期，同時又需充分考慮周邊環境各種不利的因素，將工程建設期間的質量安全管理風險降到最低。

本文通過對上海市龍耀路越江隧道工程施工期間近距離淺埋穿越上部集群建筑物的針對性技術管理措施開展研究，歸納各類施工風險能得到有效控制的要素，為今后該類施工工程提供參考。

1 工程概況

1.1 總體概況

龍耀路越江隧道在浦西從龍耀路、龍吳路交叉口開始，沿規劃龍耀路穿越黃浦江至浦東，其中盾構隧道（江中段及浦東岸上段）長約 1.7 km，線路總體呈東西走向。本次穿越建筑物為浦東岸上段，北線盾構隧道起始里程為 NK3+058.930 m，終止里程為 NK3+606.97 m，全長 548 m；南線盾構隧道起始里程為 SK3+053.940 m，終止里程為 SK3+597.706 m，全長 544 m。線路最大坡度 4.95 %，最小平面曲率半徑為 750 m，推進擬采用一臺Φ11 580 mm 大型泥水平衡盾構機。圖 1 所示為隧道浦東岸上段施工總平面圖。

圖1 隧道浦東岸上段施工總平面圖

1.2 盾構施工區域概況

1.2.1 隧道與建筑物相對位置關系

受隧道施工影響的建筑物共 28 幢，面積共計39 394 m2，位于隧道正上方的建筑物共 12 幢、其中居民樓 6 幢；位于隧道施工影響范圍內的建筑物共 16 幢、其中居民樓 8 幢。南線施工影響范圍為盾構推進 147～277 環，北線施工影響范圍為盾構推進 78～190 環，隧道頂面距離房屋基礎距離為 11.8～18.3 m。盾構工程與上部房屋的平面位置如圖 2 所示。

圖2 盾構與建筑位置示意圖

1.2.2 現有建筑物狀況

該區域居民房屋建造年代較早，存在地基土質軟弱、基礎較淺、結構形式較差、易受施工影響開裂，并且部分房屋現狀傾斜率已經較高的固有問題。施工人員對盾構影響范圍內的房屋進行檢測后發現，現有受影響房屋現狀況不良，部分建筑物的傾斜情況較大，最大的達到 12.6 ，其余建筑物還存在結構性墻體裂縫、沉降性開裂等狀況。

1.3 工程水文地質情況

根據地質資料（見圖 3），盾構在該段穿越的地層主要為④2-1黏質粉土層、④2-2砂質粉土層、⑤1層粉質黏土。⑤3-1層夾有一定量的粉性土，可能具有微承壓性。

圖3 盾構隧道地質剖面圖

2 施工風險分析

2.1 穿越地層地質條件差

水文地質資料顯示，盾構穿越施工區域多為軟土地層，以粉土、粉質黏土為主，結構覆土淺，盾構穿越施工中地層損失率參數難以保持長期穩定的狀態，極易引起地表及建筑的沉降和開裂。

2.2 穿越區域上部建筑結構老舊

施工區域房屋大多為 20 世紀 80 年代初 6 層磚砌結構，基礎為條形或片筏基礎等淺基礎形式，建筑結構形勢簡單、結構穩定性差、對土體擾動沉降影響敏感。根據現有房屋監測報告分析，現有建筑物已經存在不同程度開裂和傾斜，盾構兩次穿越擾動將對建筑結構造成較大的沉降和傾斜。

2.3 穿越地區現狀環境復雜 保護要求高

盾構始發后，正下方近距離先后兩次下穿濟陽路道路，該道路為連接浦東浦西的市級主干道，道路車流量大且道路下方埋設眾多老舊管線，隧道施工穿越過程的擾動極易引起路面局部不均勻沉降，導致管線發生事故。

3 施工準備及關鍵技術控制措施

結合上述對盾構穿越施工可能產生的風險分析，為確保穿越施工風險可控，將隧道施工對地面建筑的影響減少到最小，同時考慮地表沉降量、房屋結構、管線不均勻沉降的控制，施工前各方對盾構機進行了針對性的設備改進、優化了原有的設計方案，使用設備技術改進后的盾構機在風險較小的區域進行試推進，并總結出一套精細化的推進技術參數，下文將重點闡述相關技術控制要點。

3.1 盾構設備改進措施

1）為減小盾構穿越重要建筑物過程中的切口波動值，減少對正面土體的擾動，在盾構機內增加氣壓倉自動氣壓平衡控制功能，通過增設氣壓平衡裝置可以使泥水壓力波動控制得更小，有利于開挖面的穩定。

2）同步注漿采用 6 點注漿 12 根管路（具有備用管路 6 根），共 3 臺泵控制（每臺泵控制 2 個點）在盾構機中殼體前后設置 16 個注漿注入口對盾構機外周土體進行加固，防止盾構機本體磕頭或下沉。

3）盾尾增加一道鋼絲刷（即改造為 4 道鋼絲刷），增加了 10 個油脂注入口，同時增加一臺盾尾油脂泵。

3.2 優化設計方案

1）襯砌環采用錯縫拼裝型式，可減少隧道成型后襯砌環的變形。

2）管片環與環之間設置 2 cm 的凹凸榫，可有效控制隧道環與環之間的差異沉降，減少不均勻沉降對房屋的影響。

3）管片接縫設置三元乙丙彈性橡膠密封墊，可有效控制接縫滲漏情況，避免地下水流失而導致的房屋沉降。

4）在房屋下方范圍區間隧道管片增設多個注漿孔，盾構穿越過程中根據房屋及地層監測數據有針對性地進行二次注漿。

3.3 盾構試驗段措施

大直徑泥水盾構連續穿越居民樓在國內尚屬首次，施工難度巨大，施工風險極高，因此在盾構推進初期，選擇在風險較小的區域開展盾構推進試驗段后，對試驗段施工通過理論計算得出的各種盾構施工參數進行驗證，為之后風險更大的穿越段施工提供重要的實際施工經驗。本工程確定在南線隧道設置兩處試驗段：試驗段 1（里程 SK3+053.940～SK3+104）從南線盾構出洞到濟陽路西側，長約 60 m（40 環）；試驗段 2（里程 SK3+151～SK3+200）位于濟陽公園下方，長約 50 m（33 環）。通過對試驗段施工參數的采集及監測數據的匯總，初步掌握盾構推進過程土體變形規律，進一步設置合理的切口壓力、優化設定泥水壓力及推進速度、改善泥漿性能及進排泥流量，使盾構姿態保持較好的狀態，為進入穿越區創造一個良好的施工狀態。施工中根據試驗段推進時各項推進參數的梳理，及時調整同步注漿和二次注漿量，密切關注注漿壓力，同時結合監測資料進行分析研究，掌握盾構設備在地面沉降、糾正軸線偏差等方面的特性，總結出地表沉降隨盾構推進參數設定變化的規律，為盾構正式穿越建筑物提供數據支持、積累經驗。

3.4 盾構推進施工技術精細化控制

1）推進過程中在盾構機切口接近房屋時（距房屋3～4 環時），現場采用逐步增加切口水壓的推進措施。據現場監測，當切口逐漸接近建筑物時，土體僅存在 2 mm 左右隆起，且前期土體擾動較小，后期沉降較小，這種措施有利于土體穩定，減少沉降。

2）盾構推進姿態以“抬頭”狀態向前推進，過程中采用兩次拼裝、盾尾壓重的方式進行施工，推進姿態控制良好，注漿量穩定，監測數據反應盾尾處沉降較小。在穿越房屋階段，由于盾構機處于 ④2-2土層，為控制同步注漿漿液流失狀況，在推進過程同步注漿添加 HD 干粉，以便更好地控制漿液質量。盾構推進施工過程中持續采用重漿（1.35 g/cm3比重、23 s 粘度）推進，在切口處可形成較好泥膜狀態，且壓力波動較小，對盾構泥漿循環比較有利。

3）增加車架隨行式壁后注漿檢測裝置，此裝置通過雷達掃描的方式檢測管片周圈注漿的均勻性及密實性，根據數據反應：管片周圈注漿范圍達 15 cm（理論間隙 11 cm），注漿均勻、密實，可有效控制盾尾處沉降。

4）每棟居民房屋與隧道的空間位置關系、大小等因素會對隧道穿越造成不同的影響，因此有必要對盾構穿越過程中風險較大的居民房屋進行現狀分析，并提出相應的精細化控制措施，保證盾構穿越過程中房屋的安全。施工現場嚴格規范管理，強化安全施工，充分運用高精技術平穩推進盾構，做足做細安全措施，保障居民人身安全，同時做好盾構上方建筑物的全程跟蹤監測，并做好檢測結果的分析反饋工作，為盾構施工提供決策建議與技術支持，做好對建筑物、管線進行補救以及搶險物資和材料準備的應急預案。

4 沉降監測技術

4.1 監測項目和報警值

在盾構推進施工中，由于地層的擾動導致土體性能發生一定程度的變化，從而造成建筑物及地下管線等設施發生沉降變形。根據前期對周邊環境、管線及建筑物的分析判定，將穿越施工中的地表沉降控制在f2 cm 以內，建筑物傾斜控制在1 以內。施工中針對地面隆沉監測、隧道結構沉降監測、土體深層位移（垂直和水平）、襯砌環收斂變形、地下管線沉降監測（盾構推進施工影響范圍內的地下管線沉降監測），房屋傾斜、裂縫、沉降進行全方位監測。

在穿越施工過程中加強對盾構隧道軸線及高程數據、地表管線及建筑物沉降變形等監測數據情況的及時匯總及信息反饋，直至整個隧道的沉降穩定。

4.2 監測方法和監測頻率

根據現場監測條件，在盾構推進階段的整個時間段內對隧道正上方及側方建筑物進行沉降、傾斜自動化監測，設置自動化監測的數據采集頻率：①數據采集頻率：1 小時 1 次；②數據發布頻率：1 天 2 次。同時采取常規的人工測量方式，對上述房屋的沉降監測數據進行定期復核，復核周期如下：掘進面前<30 m 到掘進面后 100 m，2 次/周；掘進面后 100 m～盾構結束，2 周 1 次；盾構結束至沉降穩定，1 次/月。

房屋傾斜監測采用傾角儀進行房屋傾斜自動化監測；墻體裂縫監測采用裂縫計進行墻體裂縫自動化監測；房屋沉降監測采用靜力水準儀、測量機器人相結合的方法對正穿房屋進行沉降監測，實現測量機器人與靜力水準系統相結合的絕對沉降監測。

4.3 監測數據（見表 1）

表1 盾構穿越建筑物前后數據

盾構施工完成后監測數據表明，盾構推進施工期間對周邊環境以及道路產生了一定的影響，但影響程度有大有小，各階段的變形特征也各不相同。總體來看，地層損失和盾構隧道周圍土體受擾動及受剪切破壞的重塑土再固結是引起地面沉降的基本原因，在推進過程中由于盾尾空隙及糾偏所引起的地層損失，在土體受擾動后，土體骨架在持續較長時間內會發生壓縮變形，因此，盾構施工過程對土體的擾動是一個從平衡到不平衡再到新的平衡的運動過程，其土體變形的不平衡狀態表現為加壓后的地面隆起和脫離盾尾后的地面沉降。

從監測匯總數據分析圖（見圖 4、圖 5）可以看出各監測點隨時間變化逐步平穩，監測點在刀頭部位上抬盾構推進過后下沉，后期施工中及時調整注漿量以及二次注漿后，各監測點均表現為緩慢下沉，地表沉降及周邊管線逐漸趨于穩定。

圖4 550 弄 28 號、29 號房屋沉降曲線圖（推進期間）

圖5 44 弄 35～38 號房屋沉降曲線圖（推進期間）

監測數據表明，房屋監測點隨時間變化先是輕微上抬然后下沉，部分房屋監測點下沉累計變化量較為明顯，累計沉降均達到報警值，但各測點的變形量基本呈線性關系，基底平面未發生凸起或凹陷現象，隨著離盾尾越來越遠以及后期及時調整注漿量，沉降數據逐漸趨于穩定，整體處于安全可控狀態。

4.4 監測結論

從監測數據表 1 可以看出盾構推進是影響周邊環境變形的主要因素，部分監測點超出報警值范圍，但其變化趨勢較為平緩，累計變化量尚在較為合理的范圍內。通過對監測資料的總結分析，可以得出以下結論：推進施工過程中所引起的地層變化是不可避免的，施工中切口液壓控制和盾尾注漿量控制比較合理，在沉降變化比較大的區域后期注漿也及時跟進，施工總體上是安全可控的。最終，在各方的共同努力下，本次盾構施工過程中建筑物、周邊地表和管線始終處于較安全的狀態，監測技術的運用保證了盾構推進的順利進行，達到了科學指導施工的目的。

5 結語

1）大型盾構隧道近距離穿越上部建筑物時，工況復雜。因此，工程前期應對沿線建筑物的現狀進行詳細的調查，充分掌握建筑物基礎及結構類型。

2）提前展開風險評估分析，制定建筑物變形控制標準，針對性地調整盾構推進措施。

3）通過對盾構設備的改進、襯砌管片拼裝的優化以及盾構試驗段數據的分析總結，達到精細化控制盾構推進的目的。

4）設置監測數據管理體系，對建筑物的沉降、傾斜、位移等數據匯總分析，及時反饋，以便動態調整盾構推進參數，確保盾構施工安全。

盾構隧道完成穿越后，建筑物、地表、管線的總沉降量均在設定值內，各項指標滿足結構安全使用要求。上述技術措施的運用對于此類穿越既有建筑物的工程效果明顯，可為今后類似工程施工提供參考。Q