双线盾构穿越建筑群风险分析与控制

马运康

(天津地铁集团，天津 300051)

0 引言

近年来，城市轨道交通发展迅速，修建地铁成为解决城市交通的一条有效途径，但同时也造成施工线路近距离穿越既有建(构)筑物的不利工况大量出现，这要求既要确保建(构)筑物的稳定，又要兼顾工程本身的安全和顺利。

目前国内外对盾构法隧道施工引起的沉降风险大多集中于地表变形计算，主要方法有参照Peck模型、Atwell模型、O’Rail－new模型的经验公式法［1－4］，简化边界条件按线弹性介质材料考虑的力学简化法［5］，利用FLAC 3D/2D和ATINA等有限元软件的数值模拟分析法［6－8］等，上述方法大都涉及分析地表沉降，且往往附加条件较多，计算复杂，适用性很不理想。对于盾构线路上方建筑沉降的分析相对较少，其中，文献［9］针对建筑物的沉降监测数据序列具有趋势变化和随机变化的特点分别建立相应的数学模型 ，再将其组合起来建立综合模型，从总体上把握沉降数据序列的变化规律，更进一步细致分析盾构施工各环节的影响因素、影响程度、影响规律，为控制建筑沉降提供适用性广泛的借鉴经验十分必要。

本文以天津地铁施工中双线盾构穿越建筑物的成功案例为基础，分析了穿越施工时影响沉降的各种因素及影响规律，提出了技术控制重点、难点。

1 工程概况

天津地铁3号线水上北路—吴家窑区间(以下简称水—吴区间)范围为CK8+743.00～CK9+561.38，全长818.38 m，起于拟建的水上北路站，横穿卫津路、卫津河，到达吴家窑车站。线路穿过卫津河后过平山里、气象里居民小区。水—吴区间盾构沿线穿越建筑见图1。区间采用盾构法施工，底板埋深16.4～22.3 m，顶板埋深9.6～15.5 m。

本场地地层有第四系全新统人工填土层(Qml)、第Ⅰ陆相层(Q43al)、第Ⅰ海相层)、第Ⅱ陆相层)及第Ⅲ陆相层()，岩性主要为黏性土、粉土及粉砂。地表普遍分布第四系全新统人工填土层(Qml)，岩性为杂填土及素填土，土质不均，结构松散，密实程度差。

其中气象里小区居民楼属于特级风险区，沉降控制难度极大，主要难点为:工程位于天津市内繁华城区，地理位置显著;建筑基础埋深浅，基础形式差(条形基础)，所处土层较软弱，易受扰动;结构老旧(砖混结构)，且曾经历过1976年2次地震影响，可能有潜在损伤;建筑群密集，居民众多，对居民生活影响巨大。

图1 水—吴区间盾构沿线穿越建筑简图Fig.1 Surface buildings along shield-bored running tunnel from Shuishang North Road Station to Wujiayao Station

2 盾构穿越密集建筑群沉降风险因素

盾构在不同地层掘进时引起的地表变形可分为早期沉降、开挖面前变形(沉降或隆起)、盾构通过时沉降、盾构空隙沉降、后期沉降5个阶段［10］，其产生的原因如表1所示。

表1 盾构施工引起变形的原因Table 1 Causes for deformation induced by shield boring

盾构施工引起地面沉降的因素比较复杂，其与地层条件、土仓压力、出土量、掘进速度、注浆时间、压力、注浆量等都密切相关［11］，沉降量难以准确计算。盾构施工时，必须进行信息化施工，实行实时监测与实时控制，根据实时监测的结果，随时进行各种施工参数的调整，从而确保盾构施工安全顺畅。

3 各阶段沉降风险控制对策

3.1 早期沉降

早期沉降是随着盾构掘进因地下水水位降低而产生的，是由地基有效上覆土厚度增加而产生的压缩、固结沉降。该沉降通常在2 mm以内，若沉降异常，则盾构前方可能有不利地层，应考虑超前探测确认，并要做好应急施工准备。

3.2 开挖面前的隆沉

此阶段沉降是由开挖面土压力失衡所致，盾构土仓压力小于土体正面压力时，盾构开挖产生地层损失，盾构上方地面出现沉降;相反，土仓压力高于土体正面压力时，则地面隆起。

土压的设置一般选取原状的天然土体的静止侧向土压力

式中:γ为土体的容重，N/m3;h为隧道埋深，m;k0为静止侧向土压力系数。

经计算得出水—吴区间盾构在穿越气象里小区的土压设定为1.9～2.2 MPa(最小土压)，考虑到上部建筑荷载，取2.2 MPa。

实践表明，盾构机在穿越建筑物群的时候采用2.2 MPa的土压进行掘进，盾构刀盘前方的沉降大都在2 mm以内，局部还有1 mm左右的隆起，基本达到了沉降控制的目的。

3.3 盾构通过时的沉降

盾构的推进速度对地面的隆、沉变形具有明显的影响，推进的速度与正面的土压力、千斤顶推力、土体性质等因素都有关系，应综合考虑。本工程在盾构穿越时的推进速度控制为5环/d。

盾构推进过程中长时间的停机易造成地面大量的沉降。为了确保盾构24 h连续推进，在穿越前，对盾构机进行认真检查，对可能产生的故障预先做好维修准备，同时对主要设备零件要存有备件。

3.4 空隙沉降

盾构掘进会产生空隙，通常采用同步注浆的方法进行填补，每环的压浆量一般为建筑空隙的120%～200%，根据以往盾构推进的相关经验，一般每环的注浆量为建筑空隙的180%。注浆量

式中:D为盾构切削外径，m;d为管片外径，m;L为管片宽度，m。

经计算注浆量为4.9 m3/环，考虑到此段的沉降控制要求高，除了对盾构掘进参数的控制外，还必须加大注浆量，并对注浆过程进行严格的监控，实际施工时不少于5.5 m3/环，在浅埋段时甚至达到8 m3/环。

同步注浆时要求在压入口的压力大于该点的静止水压及土压力之和，做到尽量填补空隙但不是劈裂注浆。注浆压力过大，管片外的土层将会被浆液扰动而造成较大的后期地层沉降及隧道本身的沉降，并易造成跑浆;注浆压力过小，浆液填充速度过慢，填充量不足，也会使地表沉降量增大。本工程注浆压力控制在0.35 MPa左右。

3.5 后期沉降

为控制盾构穿越过后产生的沉降，需要进行补浆和二次注浆。如监测数据无异常，每2环进行1次补浆，补浆量为同步注浆量的30%，利用低压和少量、多次注浆的方式补充原有浆液固结收缩所产生的空隙;同时对盾构推进过后的6环进行一次环箍注浆，每环6个孔，每孔注入1.0 m3，注浆压力为0.3 MPa。

如果监测数据较为不利，则考虑适当加大注浆量。

3.6 其他风险控制

盾构推进过程中的盾构姿态不好，易造成盾尾处漏浆，使地面产生沉降。在盾构穿越建筑期间，确保盾构推进轴线与设计轴线相吻合，使盾尾四周间隙均匀，是控制地面沉降的关键环节。

盾构在曲线段的掘进，要精确地调整千斤顶的推力值。盾构机轴线与设计轴线的偏差，应始终控制在±50 mm内，径向相邻管片拼装错台应≤4 mm，环向管片拼装错台≤5 mm，衬砌环的椭圆度控制在5‰D范围内(D为管片环外径)。

盾构在穿越过程中应注意出渣量的控制，每一循环的出渣量

式中:D为盾构开挖断面直径，m;W为作业循环长度，m;k为渣土松散系数(取1.1～1.2)。

据此本工程出渣量应控制在45～48 m3。在实际掘进过程中，出渣量如超出控制值，可以通过增大土压和减小螺旋输送机转数等办法来控制出渣量。

除上述的主要原因外，管片的渗漏水将会引起周围土体空隙水压力下降，导致土体固结而产生地层的位移，所以在穿越建筑期间应做好应急准备，少量的渗水和湿渍可以注双液浆进行封堵，一旦有超过1 m3/h的漏水，应用聚氨酯等材料快速封堵。

4 实测数据分析

4.1 沉降主要影响因素

4.1.1 沉降关系统计

在实际施工过程中，根据盾构掘进引起的地表沉降过程的5个阶段(早期沉降、开挖面前沉降、通过沉降、盾尾空隙沉降和后期沉降)将各建筑的最大累计沉降值进行统计。测点与刀盘距离－沉降关系曲线见图2，首次和二次穿越建筑物各阶段沉降统计见表2和表3。

图2 测点与刀盘距离－沉降关系曲线图(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 首次穿越建筑各阶段沉降统计Table 2 Statistics of settlement in each stage when shield boring underneath buildings for the first time mm

表3 二次穿越建筑各阶段沉降统计Table 3 Statistics of settlement in each stage when shield boring underneath buildings for the second time mm

由统计结果可知，无论是首次穿越还是二次穿越，盾构“通过沉降”和“盾尾缝隙沉降”占总体沉降的比重都接近90%，是控制沉降的重点阶段。在此阶段内，密切监测沉降、设置适当土压力、充分并及时注浆、保持合理速度是重中之重。

4.1.2 沉降特征分析

1)首次穿越造成的累计沉降大于二次穿越。如扣除28/30号和39/41号楼的沉降数据(遭遇特殊地层，将在其后专门讨论)，首次穿越的累计沉降约为二次穿越的3.2倍，说明土体的初次扰动对建筑沉降的影响非常重要，而且经过首次穿越时的注浆活动，土体得到了一定程度的加固，所以二次穿越时沉降较小。

2)首次穿越时，“通过沉降”为主，二次穿越时，“盾尾缝隙沉降”为主。首次穿越时盾构“通过沉降”平均为“盾尾缝隙沉降”的2.4倍，占总沉降量的2/3，施工扰动土层及土体的应力释放效应十分显著，及至二次穿越，该效应已经受到削弱，且由于首次穿越的注浆加固施工挤压土体，土体内应力提高，因而导致“盾尾缝隙沉降”加大。

4.2 地层的影响及控制

在隧道施工时，由于土体的各向异性弹、塑性和黏塑性，使得地层位移的准确分析和预测非常困难，反过来也说明土体性质对地层位移有巨大的影响。本工程所处区域不同的地层力学参数差异较大，在施工过程中，左线盾构二次穿越气象里28/30号和39/41号居民楼时，遭遇到淤泥质地层，排出渣土均为淤泥，导致该2栋建筑的平均累计沉降为其他建筑的6倍以上。

由表3中各阶段沉降数据分析28/30号和39/41号居民楼，除“早期沉降”外，各阶段沉降均比平均值大，这是由于淤泥质地层黏聚力和内摩擦角偏小，流动性强，极易受到扰动有关。尤其经过首次穿越的注浆施工，其应力升高。

在本工程施工时总结了“3增2减”的方法，即相比于首次穿越的施工参数，适当增大土仓压力、注浆压力和注浆量，同时降低掘进速度和减小出渣量。经实践检验，其有效克服了淤泥质地层的不利影响，基本控制了该2栋建筑的较快、较大沉降。

4.3 覆土厚度影响及对策

建筑物的沉降与覆土厚度关系较大，根据监测数据，在本工程中大致呈反比线性变化，覆土厚度每减小1 m，累计沉降量增大约1.5 mm。覆土厚度对建筑沉降的影响见图3(本统计未包含受淤泥地层影响的气象里28/30和39/41号楼)。

图3 覆土厚度对建筑沉降的影响Fig.3 Influence of overburden on building settlement

根据国内外的实测和实验研究经验，覆土厚度对地层位移的特征影响因地层情况各异，Attewel得出关系式

式中:R为隧道半径，m;h为覆土厚度，m;i为隧道轴线到地面沉陷槽曲线反弯点的距离，m;k和n为与地层特性及施工因素有关的常数。当h/2R增大时，地层上拱作用随之增强，地层位移楔体变陡峭，沉陷槽变窄，即:随着覆土厚度的增大，建筑的差异沉降将随之增大，这与本工程的实际监测数据是一致的。

4.4 建筑自身特性的影响

除了受到施工影响，建筑物的沉降量往往与建筑物自身特性也有一定关系，如基础形式、结构形式、建筑质量等。

在本工程中，昆仑公寓与气象里28/30及39/41号均为6层住宅，质量相似，但基础形式和结构不同，昆仑公寓为框架结构阀片基础，抗扰动能力和整体性均优于气象里28/30及39/41号(砖混结构，混凝土条形基础)，所以在首次穿越和二次穿越的施工中，累计沉降小于后者2～10 mm。

上岛咖啡与德才里基础形式和结构形式相同，均为砖基础、砖混结构，但上岛咖啡为2层商铺，质量小于德才里(4层居民楼)，所以在首次穿越和二次穿越施工中，累计沉降小于后者1～2 mm。

5 风险控制效果

通过以上的风险分析，在本工程盾构双线依次穿越特级风险建筑群时，抓住了施工的主要影响因素(土仓压力、掘进速度、出渣量、注浆压力、注浆量、每环纠偏量等)，同时考虑了客观条件(特殊地层、覆土厚度、建筑自身特性等)的影响。该建筑群的沉降基本控制在－30 mm以内，且无建筑裂缝，无不良社会影响，圆满完成了盾构区间施工。

6 结论与讨论

双线盾构穿越建筑的施工风险较高，通过细致的分析和合理的施工措施可以在很大程度上降低风险。

1)根据盾构机的相对位置，可以将建筑(或地表)沉降分为5个阶段，其中盾构“通过沉降”和“盾尾缝隙沉降”占的比重最大，超过了总沉降值的90%。

2)盾构双线首次穿越时，“通过沉降”较大，应严密控制土仓压力、出渣量和每环纠偏量;二次穿越时，“盾尾缝隙沉降”较大，应注重注浆施工，结合监测数据随时补浆。

3)控制建筑物的沉降还需要考虑地质情况、覆土厚度以及建筑物自身特性的变化，适当调整施工参数，在保证安全的基础上提高经济效益。

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