大直徑盾構(gòu)隧道穿越既有建筑物風(fēng)險控制技術(shù)研究

薛一彤

（上海市交通建設(shè)工程安全質(zhì)量監(jiān)督站，上海 200030）

0 引言

城市中心城區(qū)的建設(shè)環(huán)境復(fù)雜，地上地下建筑物及管線眾多，新建隧道與現(xiàn)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(qū)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)屬于軟土地層，對盾構(gòu)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(xué)合理的施工管理措施時，既要兼顧安全質(zhì)量和工期，同時又需充分考慮周邊環(huán)境各種不利的因素，將工程建設(shè)期間的質(zhì)量安全管理風(fēng)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(shù)管理措施開展研究，歸納各類施工風(fēng)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(guī)劃龍耀路穿越黃浦江至浦東，其中盾構(gòu)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(gòu)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(gòu)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(jìn)擬采用一臺Φ11 580 mm 大型泥水平衡盾構(gòu)機(jī)。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(gòu)施工區(qū)域概況

1.2.1 隧道與建筑物相對位置關(guān)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(nèi)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(gòu)推進(jìn) 147～277 環(huán)，北線施工影響范圍為盾構(gòu)推進(jìn) 78～190 環(huán)，隧道頂面距離房屋基礎(chǔ)距離為 11.8～18.3 m。盾構(gòu)工程與上部房屋的平面位置如圖 2 所示。

圖2 盾構(gòu)與建筑位置示意圖

1.2.2 現(xiàn)有建筑物狀況

該區(qū)域居民房屋建造年代較早，存在地基土質(zhì)軟弱、基礎(chǔ)較淺、結(jié)構(gòu)形式較差、易受施工影響開裂，并且部分房屋現(xiàn)狀傾斜率已經(jīng)較高的固有問題。施工人員對盾構(gòu)影響范圍內(nèi)的房屋進(jìn)行檢測后發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有受影響房屋現(xiàn)狀況不良，部分建筑物的傾斜情況較大，最大的達(dá)到 12.6 ，其余建筑物還存在結(jié)構(gòu)性墻體裂縫、沉降性開裂等狀況。

1.3 工程水文地質(zhì)情況

根據(jù)地質(zhì)資料（見圖 3），盾構(gòu)在該段穿越的地層主要為④2-1黏質(zhì)粉土層、④2-2砂質(zhì)粉土層、⑤1層粉質(zhì)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(gòu)隧道地質(zhì)剖面圖

2 施工風(fēng)險分析

2.1 穿越地層地質(zhì)條件差

水文地質(zhì)資料顯示，盾構(gòu)穿越施工區(qū)域多為軟土地層，以粉土、粉質(zhì)黏土為主，結(jié)構(gòu)覆土淺，盾構(gòu)穿越施工中地層損失率參數(shù)難以保持長期穩(wěn)定的狀態(tài)，極易引起地表及建筑的沉降和開裂。

2.2 穿越區(qū)域上部建筑結(jié)構(gòu)老舊

施工區(qū)域房屋大多為 20 世紀(jì) 80 年代初 6 層磚砌結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)為條形或片筏基礎(chǔ)等淺基礎(chǔ)形式，建筑結(jié)構(gòu)形勢簡單、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差、對土體擾動沉降影響敏感。根據(jù)現(xiàn)有房屋監(jiān)測報告分析，現(xiàn)有建筑物已經(jīng)存在不同程度開裂和傾斜，盾構(gòu)兩次穿越擾動將對建筑結(jié)構(gòu)造成較大的沉降和傾斜。

2.3 穿越地區(qū)現(xiàn)狀環(huán)境復(fù)雜 保護(hù)要求高

盾構(gòu)始發(fā)后，正下方近距離先后兩次下穿濟(jì)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(shè)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(dǎo)致管線發(fā)生事故。

3 施工準(zhǔn)備及關(guān)鍵技術(shù)控制措施

結(jié)合上述對盾構(gòu)穿越施工可能產(chǎn)生的風(fēng)險分析，為確保穿越施工風(fēng)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(jié)構(gòu)、管線不均勻沉降的控制，施工前各方對盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行了針對性的設(shè)備改進(jìn)、優(yōu)化了原有的設(shè)計方案，使用設(shè)備技術(shù)改進(jìn)后的盾構(gòu)機(jī)在風(fēng)險較小的區(qū)域進(jìn)行試推進(jìn)，并總結(jié)出一套精細(xì)化的推進(jìn)技術(shù)參數(shù)，下文將重點闡述相關(guān)技術(shù)控制要點。

3.1 盾構(gòu)設(shè)備改進(jìn)措施

1）為減小盾構(gòu)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(gòu)機(jī)內(nèi)增加氣壓倉自動氣壓平衡控制功能，通過增設(shè)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(wěn)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(gòu)機(jī)中殼體前后設(shè)置 16 個注漿注入口對盾構(gòu)機(jī)外周土體進(jìn)行加固，防止盾構(gòu)機(jī)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(yōu)化設(shè)計方案

1）襯砌環(huán)采用錯縫拼裝型式，可減少隧道成型后襯砌環(huán)的變形。

2）管片環(huán)與環(huán)之間設(shè)置 2 cm 的凹凸榫，可有效控制隧道環(huán)與環(huán)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(shè)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(dǎo)致的房屋沉降。

4）在房屋下方范圍區(qū)間隧道管片增設(shè)多個注漿孔，盾構(gòu)穿越過程中根據(jù)房屋及地層監(jiān)測數(shù)據(jù)有針對性地進(jìn)行二次注漿。

3.3 盾構(gòu)試驗段措施

大直徑泥水盾構(gòu)連續(xù)穿越居民樓在國內(nèi)尚屬首次，施工難度巨大，施工風(fēng)險極高，因此在盾構(gòu)推進(jìn)初期，選擇在風(fēng)險較小的區(qū)域開展盾構(gòu)推進(jìn)試驗段后，對試驗段施工通過理論計算得出的各種盾構(gòu)施工參數(shù)進(jìn)行驗證，為之后風(fēng)險更大的穿越段施工提供重要的實際施工經(jīng)驗。本工程確定在南線隧道設(shè)置兩處試驗段：試驗段 1（里程 SK3+053.940～SK3+104）從南線盾構(gòu)出洞到濟(jì)陽路西側(cè)，長約 60 m（40 環(huán)）；試驗段 2（里程 SK3+151～SK3+200）位于濟(jì)陽公園下方，長約 50 m（33 環(huán)）。通過對試驗段施工參數(shù)的采集及監(jiān)測數(shù)據(jù)的匯總，初步掌握盾構(gòu)推進(jìn)過程土體變形規(guī)律，進(jìn)一步設(shè)置合理的切口壓力、優(yōu)化設(shè)定泥水壓力及推進(jìn)速度、改善泥漿性能及進(jìn)排泥流量，使盾構(gòu)姿態(tài)保持較好的狀態(tài)，為進(jìn)入穿越區(qū)創(chuàng)造一個良好的施工狀態(tài)。施工中根據(jù)試驗段推進(jìn)時各項推進(jìn)參數(shù)的梳理，及時調(diào)整同步注漿和二次注漿量，密切關(guān)注注漿壓力，同時結(jié)合監(jiān)測資料進(jìn)行分析研究，掌握盾構(gòu)設(shè)備在地面沉降、糾正軸線偏差等方面的特性，總結(jié)出地表沉降隨盾構(gòu)推進(jìn)參數(shù)設(shè)定變化的規(guī)律，為盾構(gòu)正式穿越建筑物提供數(shù)據(jù)支持、積累經(jīng)驗。

3.4 盾構(gòu)推進(jìn)施工技術(shù)精細(xì)化控制

1）推進(jìn)過程中在盾構(gòu)機(jī)切口接近房屋時（距房屋3～4 環(huán)時），現(xiàn)場采用逐步增加切口水壓的推進(jìn)措施。據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測，當(dāng)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(wěn)定，減少沉降。

2）盾構(gòu)推進(jìn)姿態(tài)以“抬頭”狀態(tài)向前推進(jìn)，過程中采用兩次拼裝、盾尾壓重的方式進(jìn)行施工，推進(jìn)姿態(tài)控制良好，注漿量穩(wěn)定，監(jiān)測數(shù)據(jù)反應(yīng)盾尾處沉降較小。在穿越房屋階段，由于盾構(gòu)機(jī)處于 ④2-2土層，為控制同步注漿漿液流失狀況，在推進(jìn)過程同步注漿添加 HD 干粉，以便更好地控制漿液質(zhì)量。盾構(gòu)推進(jìn)施工過程中持續(xù)采用重漿（1.35 g/cm3比重、23 s 粘度）推進(jìn)，在切口處可形成較好泥膜狀態(tài)，且壓力波動較小，對盾構(gòu)泥漿循環(huán)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(dá)掃描的方式檢測管片周圈注漿的均勻性及密實性，根據(jù)數(shù)據(jù)反應(yīng)：管片周圈注漿范圍達(dá) 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(guān)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(gòu)穿越過程中風(fēng)險較大的居民房屋進(jìn)行現(xiàn)狀分析，并提出相應(yīng)的精細(xì)化控制措施，保證盾構(gòu)穿越過程中房屋的安全。施工現(xiàn)場嚴(yán)格規(guī)范管理，強(qiáng)化安全施工，充分運(yùn)用高精技術(shù)平穩(wěn)推進(jìn)盾構(gòu)，做足做細(xì)安全措施，保障居民人身安全，同時做好盾構(gòu)上方建筑物的全程跟蹤監(jiān)測，并做好檢測結(jié)果的分析反饋工作，為盾構(gòu)施工提供決策建議與技術(shù)支持，做好對建筑物、管線進(jìn)行補(bǔ)救以及搶險物資和材料準(zhǔn)備的應(yīng)急預(yù)案。

4 沉降監(jiān)測技術(shù)

4.1 監(jiān)測項目和報警值

在盾構(gòu)推進(jìn)施工中，由于地層的擾動導(dǎo)致土體性能發(fā)生一定程度的變化，從而造成建筑物及地下管線等設(shè)施發(fā)生沉降變形。根據(jù)前期對周邊環(huán)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(nèi)，建筑物傾斜控制在1 以內(nèi)。施工中針對地面隆沉監(jiān)測、隧道結(jié)構(gòu)沉降監(jiān)測、土體深層位移（垂直和水平）、襯砌環(huán)收斂變形、地下管線沉降監(jiān)測（盾構(gòu)推進(jìn)施工影響范圍內(nèi)的地下管線沉降監(jiān)測），房屋傾斜、裂縫、沉降進(jìn)行全方位監(jiān)測。

在穿越施工過程中加強(qiáng)對盾構(gòu)隧道軸線及高程數(shù)據(jù)、地表管線及建筑物沉降變形等監(jiān)測數(shù)據(jù)情況的及時匯總及信息反饋，直至整個隧道的沉降穩(wěn)定。

4.2 監(jiān)測方法和監(jiān)測頻率

根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測條件，在盾構(gòu)推進(jìn)階段的整個時間段內(nèi)對隧道正上方及側(cè)方建筑物進(jìn)行沉降、傾斜自動化監(jiān)測，設(shè)置自動化監(jiān)測的數(shù)據(jù)采集頻率：①數(shù)據(jù)采集頻率：1 小時 1 次；②數(shù)據(jù)發(fā)布頻率：1 天 2 次。同時采取常規(guī)的人工測量方式，對上述房屋的沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行定期復(fù)核，復(fù)核周期如下：掘進(jìn)面前<30 m 到掘進(jìn)面后 100 m，2 次/周；掘進(jìn)面后 100 m～盾構(gòu)結(jié)束，2 周 1 次；盾構(gòu)結(jié)束至沉降穩(wěn)定，1 次/月。

房屋傾斜監(jiān)測采用傾角儀進(jìn)行房屋傾斜自動化監(jiān)測；墻體裂縫監(jiān)測采用裂縫計進(jìn)行墻體裂縫自動化監(jiān)測；房屋沉降監(jiān)測采用靜力水準(zhǔn)儀、測量機(jī)器人相結(jié)合的方法對正穿房屋進(jìn)行沉降監(jiān)測，實現(xiàn)測量機(jī)器人與靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)相結(jié)合的絕對沉降監(jiān)測。

4.3 監(jiān)測數(shù)據(jù)（見表 1）

表1 盾構(gòu)穿越建筑物前后數(shù)據(jù)

盾構(gòu)施工完成后監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，盾構(gòu)推進(jìn)施工期間對周邊環(huán)境以及道路產(chǎn)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?？傮w來看，地層損失和盾構(gòu)隧道周圍土體受擾動及受剪切破壞的重塑土再固結(jié)是引起地面沉降的基本原因，在推進(jìn)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(xù)較長時間內(nèi)會發(fā)生壓縮變形，因此，盾構(gòu)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(yùn)動過程，其土體變形的不平衡狀態(tài)表現(xiàn)為加壓后的地面隆起和脫離盾尾后的地面沉降。

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

圖4 550 弄 28 號、29 號房屋沉降曲線圖（推進(jìn)期間）

圖5 44 弄 35～38 號房屋沉降曲線圖（推進(jìn)期間）

監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，房屋監(jiān)測點隨時間變化先是輕微上抬然后下沉，部分房屋監(jiān)測點下沉累計變化量較為明顯，累計沉降均達(dá)到報警值，但各測點的變形量基本呈線性關(guān)系，基底平面未發(fā)生凸起或凹陷現(xiàn)象，隨著離盾尾越來越遠(yuǎn)以及后期及時調(diào)整注漿量，沉降數(shù)據(jù)逐漸趨于穩(wěn)定，整體處于安全可控狀態(tài)。

4.4 監(jiān)測結(jié)論

從監(jiān)測數(shù)據(jù)表 1 可以看出盾構(gòu)推進(jìn)是影響周邊環(huán)境變形的主要因素，部分監(jiān)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(nèi)。通過對監(jiān)測資料的總結(jié)分析，可以得出以下結(jié)論：推進(jìn)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(qū)域后期注漿也及時跟進(jìn)，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(gòu)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(tài)，監(jiān)測技術(shù)的運(yùn)用保證了盾構(gòu)推進(jìn)的順利進(jìn)行，達(dá)到了科學(xué)指導(dǎo)施工的目的。

5 結(jié)語

1）大型盾構(gòu)隧道近距離穿越上部建筑物時，工況復(fù)雜。因此，工程前期應(yīng)對沿線建筑物的現(xiàn)狀進(jìn)行詳細(xì)的調(diào)查，充分掌握建筑物基礎(chǔ)及結(jié)構(gòu)類型。

2）提前展開風(fēng)險評估分析，制定建筑物變形控制標(biāo)準(zhǔn)，針對性地調(diào)整盾構(gòu)推進(jìn)措施。

3）通過對盾構(gòu)設(shè)備的改進(jìn)、襯砌管片拼裝的優(yōu)化以及盾構(gòu)試驗段數(shù)據(jù)的分析總結(jié)，達(dá)到精細(xì)化控制盾構(gòu)推進(jìn)的目的。

4）設(shè)置監(jiān)測數(shù)據(jù)管理體系，對建筑物的沉降、傾斜、位移等數(shù)據(jù)匯總分析，及時反饋，以便動態(tài)調(diào)整盾構(gòu)推進(jìn)參數(shù)，確保盾構(gòu)施工安全。

盾構(gòu)隧道完成穿越后，建筑物、地表、管線的總沉降量均在設(shè)定值內(nèi)，各項指標(biāo)滿足結(jié)構(gòu)安全使用要求。上述技術(shù)措施的運(yùn)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