類矩形盾構(gòu)隧道施工時(shí)對(duì)周邊建筑物的保護(hù)

陸 幸 酈 亮 班勇婷 劉 震 柳 獻(xiàn)

1. 寧波市軌道交通集團(tuán)有限公司 浙江 寧波 315101;

2. 同濟(jì)大學(xué) 上海 200092

盾構(gòu)法隧道施工方法為暗挖掘進(jìn)工法，施工機(jī)械化和自動(dòng)化程度較高，已成為如今城市軌道交通修建的首選工法[1-2]。然而，在城市核心城區(qū)或是老舊城區(qū)，盾構(gòu)隧道在施工時(shí)往往會(huì)遇到周邊既有構(gòu)筑物的施工環(huán)境保護(hù)要求高的問題，對(duì)類矩形盾構(gòu)隧道的施工提出了更高的控制要求。

隧道下穿或側(cè)穿既有建筑物的研究成果頗豐，如針對(duì)雙圓盾構(gòu)隧道，陳宇[3]依托上海軌道交通10號(hào)線雙圓盾構(gòu)隧道區(qū)間工程實(shí)踐，研究了雙圓盾構(gòu)隧道施工對(duì)上方已建成立交結(jié)構(gòu)的影響。周雋[4]基于上海外灘通道工程穿越軌道交通2號(hào)線工程實(shí)例，研究了大盾構(gòu)隧道上穿對(duì)既有隧道的影響。王占生等[5]分析了盾構(gòu)施工對(duì)周邊建筑物的安全影響，提出了施工前、施工中和施工后需要做好的配套工作，為施工提供了處理措施和建議指導(dǎo)。賀美德等[6]、姜忻良等[7]通過數(shù)值計(jì)算、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)相結(jié)合的手段，研究了盾構(gòu)法地鐵隧道穿越建筑物時(shí)對(duì)建筑物沉降的影響，給出了建筑物的受力特征，也為相近工程提供了施工參考。

本文基于寧波軌道交通4號(hào)線雙東路站—翠柏里站—盾構(gòu)工作井類矩形盾構(gòu)區(qū)間，根據(jù)實(shí)際建筑物與隧道的相對(duì)空間關(guān)系，對(duì)類矩形盾構(gòu)隧道施工過程中周邊建筑物的施工保護(hù)方法進(jìn)行研究，旨在確保類矩形盾構(gòu)隧道施工過程中周邊建筑物的響應(yīng)可控。

1 工程背景

1.1 地層及結(jié)構(gòu)條件

本工程為寧波軌道交通4號(hào)線雙東路站—翠柏里站—盾構(gòu)工作井類矩形盾構(gòu)區(qū)間，區(qū)間的長度為1 555.512 m。區(qū)間推進(jìn)施工采用1臺(tái)類矩形土壓平衡盾構(gòu)先后從翠柏里站南端頭井始發(fā)推進(jìn)至盾構(gòu)工作接收井。

區(qū)間隧道穿越的主要土層為②2b層淤泥質(zhì)黏土、③1a黏質(zhì)粉土、③2粉質(zhì)黏土、④1b淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、④2a黏土。本場(chǎng)地地下水主要為地表水、淺層承壓水（主要賦存于③1a黏質(zhì)粉土）和孔隙承壓水（主要賦存于⑤1t黏質(zhì)粉土和⑤4b黏質(zhì)粉土中）。

區(qū)間隧道外徑為11 500 mm×6 937 mm，內(nèi)徑為10 600 mm×6 037 mm，管片厚度為450 mm，管片寬度為1 200 mm，管片混凝土強(qiáng)度等級(jí)C50，抗?jié)B等級(jí)P10。每環(huán)襯砌共分為11塊，分別由1塊F，1塊L、1塊T1、1塊T2、3塊B1、1塊C1、1塊C2、1塊C3及1根立柱LZ組成。通過采用A、B型襯砌環(huán)交錯(cuò)拼裝形成錯(cuò)縫襯砌結(jié)構(gòu)，如圖1所示。襯砌環(huán)分為直線環(huán)、左曲環(huán)和右曲環(huán)，曲線環(huán)采用雙面楔形形式，最大楔形量為69 mm[8]。

圖1 類矩形隧道斷面

1.2 建筑物保護(hù)施工

本工程主要存在以下挑戰(zhàn)：

1）盾構(gòu)隧道區(qū)間沿線，近距離側(cè)穿多處老舊建筑物，易引起基礎(chǔ)產(chǎn)生差異沉降，造成房屋傾斜及產(chǎn)生裂縫，從而影響房屋結(jié)構(gòu)安全。

2）隧道斷面及上部土層地質(zhì)復(fù)雜，地基承載力較差，對(duì)施工擾動(dòng)較為敏感，加大了穿越施工風(fēng)險(xiǎn)，側(cè)穿房屋可能產(chǎn)生上部荷載不一致的情況，使盾構(gòu)機(jī)軸線偏離。

3）隧道推進(jìn)過程中，近距離側(cè)穿房屋段施工與淺覆土穿河及拔樁區(qū)、長距離小半徑施工風(fēng)險(xiǎn)疊加。

本工程類矩形區(qū)間共有4處近距離穿越建筑物，4棟建筑與區(qū)間邊界的最小水平間距分別為4.1、3.1、3.1、3.1 m。

2 施工控制技術(shù)

2.1 掘進(jìn)施工參數(shù)控制優(yōu)化

為確保施工參數(shù)控制合理性并進(jìn)行優(yōu)化，本工程首推100環(huán)作為施工試驗(yàn)段，為后續(xù)盾構(gòu)推進(jìn)穿越沿線建（構(gòu)）筑物積累施工經(jīng)驗(yàn)。優(yōu)化的掘進(jìn)施工參數(shù)共包含5個(gè)方面。

2.1.1 土壓力設(shè)定

考慮建筑物附加荷載及試驗(yàn)段數(shù)據(jù)，合理設(shè)定左、右土壓力?；诙軜?gòu)機(jī)土倉中心理論計(jì)算得到的平衡壓力為0.18 MPa，根據(jù)寧波軌道交通3號(hào)線施工經(jīng)驗(yàn)和本區(qū)間試推進(jìn)試驗(yàn)段試驗(yàn)結(jié)果，確定穿越建筑土壓力修正系數(shù)為1.33，并進(jìn)一步明確穿越建筑物平衡土壓為0.24 MPa。

2.1.2 出土量控制

嚴(yán)密監(jiān)控左右螺旋機(jī)出土量，在控制沉降的前提下，確保隧道軸線受控。每環(huán)理論出土量為86.4 m3，盾構(gòu)推進(jìn)出土量控制在98%～100%之間，即84.7～86.4 m3/環(huán)。以控制出土量98%為原則。

2.1.3 推進(jìn)速度

低速掘進(jìn)，掘進(jìn)速度與刀盤轉(zhuǎn)速匹配，確保刀盤面有效支護(hù)正前方土體。加固區(qū)穿越后推進(jìn)速度控制在2～3 cm/min之間。穿越建筑物和沉降要求較高的地下管線時(shí)，推進(jìn)速度控制在1 cm/min以內(nèi)。

2.1.4 盾構(gòu)姿態(tài)

減少糾偏量，勤糾少糾，減少地層損失率。進(jìn)入河道段調(diào)整好盾構(gòu)姿態(tài)，盡量減少河道段糾偏。河道段單環(huán)坡度糾偏不宜超過0.1%，平面糾偏不宜超過2.5 mm。

2.1.5 同步注漿

結(jié)合寧波軌道交通3號(hào)線施工經(jīng)驗(yàn)，每環(huán)注漿率為150%～180%，按照注漿量和壓力進(jìn)行控制。漿液壓注做到及時(shí)、均勻、足量、保壓，確保其建筑空隙得以及時(shí)和足量充填，將地表變形和管片偏移控制到最小，并防止管片接縫滲漏水。同步漿液迅速、均勻地填充到盾尾間隙的各個(gè)部位，使施工對(duì)土體擾動(dòng)降低到最小。

根據(jù)注漿的目的和要求確定注漿壓力，即充分充填建筑空隙，避免由此引起地面隆沉而影響周圍建（構(gòu)）筑物安全，避免過大的注漿壓力引起管片襯砌破壞，防止注漿損壞盾尾密封。同步注漿施工參數(shù)須根據(jù)首推段100環(huán)試驗(yàn)結(jié)果，優(yōu)化注漿點(diǎn)位，適當(dāng)提高充填比例，并結(jié)合盾構(gòu)推進(jìn)過程中的實(shí)際工況進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。同步注漿孔位根據(jù)前期施工經(jīng)驗(yàn)，初定8點(diǎn)同步壓注，上下比例為6∶4～7∶3，具體分布如圖2所示。同步注漿施工過程中，注漿壓力下限＞注漿孔水土壓力＋管道阻力；注漿壓力上限＜注漿孔水土壓力＋1 MPa，注漿速率與盾構(gòu)推進(jìn)速度相匹配；同步注漿結(jié)束時(shí)，注漿壓力上限＜注漿孔壓力＜注漿壓力下限，注漿速率與盾構(gòu)掘進(jìn)同步。

圖2 同步注漿孔位分布

為保證同步注漿質(zhì)量及項(xiàng)目的順利進(jìn)行，在施工現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置自動(dòng)化拌漿系統(tǒng)，并在施工現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定漿液的坍落度、密度、泌水率指標(biāo)。

2.2 拼裝控制

管片拼裝狀態(tài)下，盡可能少回縮千斤頂，并應(yīng)逐一伸縮，保持開挖面的平衡壓力。利用盾構(gòu)機(jī)土壓輔助調(diào)節(jié)技術(shù)，加強(qiáng)拼裝階段土倉渣土體積變動(dòng)控制。

2.2.1 盾尾間隙控制

確保拼裝質(zhì)量及效率，盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)需考慮管片外弧面與盾殼內(nèi)弧面的四周間隙不小于40 mm。

2.2.2 管片拼裝總體順序

基于寧波軌道交通3號(hào)線拼裝技術(shù)的成果，確定管片拼裝方式。首先拼裝T2塊及C3塊、然后依次拼裝C2塊、B1塊、B2塊、B3塊、C1塊、L塊，拼裝T1塊時(shí)應(yīng)用拼裝機(jī)夾持保證穩(wěn)定，再用另一側(cè)拼裝機(jī)拼裝LZ塊，控制并查看T1塊和LZ塊管片位置滿足要求后再緊固螺栓，松開2臺(tái)拼裝機(jī)，最后拼裝F塊。

2.2.3 盾尾清理及管片外觀檢查

拼裝前清除盾尾拼裝部位的垃圾，檢查管片的型號(hào)、外觀及密封材料的粘貼情況，如有損壞，必須先修復(fù)。

2.2.4 T2塊管片的定位

下部T2塊管片定位將直接影響中立柱拼裝，除保證其與前環(huán)管片無踏步、居中拼裝等一般要求外，還應(yīng)保證其與隧道軸線的垂直度（水平、縱向2個(gè)方向）。

2.2.5 中立柱拼裝

立柱拼裝前，測(cè)量開檔高度和垂直度，確保立柱順利拼裝。上部T形管片拼裝結(jié)束時(shí)，抓住它的拼裝機(jī)繼續(xù)使用，直到立柱拼裝完成，且緊鄰上部T形管片兩側(cè)的管片螺栓不宜擰緊，便于立柱拼裝時(shí)進(jìn)行上下調(diào)整。此時(shí)，該T形管片相鄰的2塊標(biāo)準(zhǔn)塊管片所對(duì)應(yīng)的千斤頂處于收縮狀態(tài)。最后利用立柱調(diào)整千斤頂，對(duì)立柱的定位進(jìn)行必要調(diào)整。

2.2.6 千斤頂收縮及靠攏

千斤頂應(yīng)按拼裝管片的順序相應(yīng)逐塊縮回，拼裝好后及時(shí)靠攏千斤頂，防止盾構(gòu)后退。

2.2.7 環(huán)面平整度及超前量控制

自負(fù)環(huán)起逐環(huán)檢查，相鄰塊管片的踏步應(yīng)小于4 mm，相鄰環(huán)管片高差控制在±4 mm。定期檢查環(huán)面超前量，時(shí)刻確保管片整環(huán)環(huán)面與隧道軸線的垂直度。

2.2.8 縱向、環(huán)向螺栓連接

每環(huán)拼裝結(jié)束后應(yīng)及時(shí)用氣動(dòng)扳手及扭矩扳手控制縱向、環(huán)向螺栓擰緊扭矩。當(dāng)成環(huán)管片推出車架后，必須再次復(fù)緊縱向、環(huán)向螺栓。

2.3 土體改良、二次注漿及施工監(jiān)測(cè)

加強(qiáng)土體改良，有效保壓并確保出土順暢，杜絕出土不暢出現(xiàn)悶推現(xiàn)象。本區(qū)間穿越土層主要為淤泥質(zhì)土和粉質(zhì)黏土，當(dāng)?shù)侗P扭矩超過額定扭矩50%時(shí)，土體改良系統(tǒng)開始注入膨潤土泥漿，減少刀盤摩阻力，保持螺旋機(jī)出土流暢。

根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，必要時(shí)實(shí)施隧道內(nèi)跟蹤注漿及穿越過后二次注漿。

結(jié)合寧波軌交交通3號(hào)線施工、科研及軌道交通4號(hào)線翠柏里站—盾構(gòu)工作井區(qū)間的施工經(jīng)驗(yàn)，穿越前請(qǐng)第三方檢測(cè)單位對(duì)鄰近房屋進(jìn)行評(píng)估，確定老舊房屋破損程度。對(duì)側(cè)穿房屋進(jìn)行針對(duì)性監(jiān)測(cè)布點(diǎn)，穿越過程中對(duì)房屋沉降點(diǎn)的監(jiān)測(cè)頻率每班不少于2次，以便于技術(shù)人員第一時(shí)間得到反饋數(shù)據(jù)，根據(jù)參數(shù)及時(shí)調(diào)整土壓力和注漿量，有效控制房屋沉降。

3 施工效果

針對(duì)上文所提及的4棟與線路凈距最為接近的建筑，在建筑周邊選取測(cè)點(diǎn)，分別開展了施工全過程測(cè)點(diǎn)沉降監(jiān)測(cè)，并與近距離穿越過程中的施工參數(shù)共同列于表1中。

表1 線路鄰近建筑施工參數(shù)及沉降情況

根據(jù)表1數(shù)據(jù)可知，施工過程中較為敏感的4處位置，只有第2處位置，即翠柏二里8#樓隧道和建筑之間施作了隔離樁，且第2、第3、第4處與隧道的最小水平間距均較近，僅為3.1 m。根據(jù)實(shí)際施工效果可知，經(jīng)過不同建筑物時(shí)盾構(gòu)針對(duì)性地進(jìn)行了施工控制參數(shù)的優(yōu)化調(diào)整，取得了較好的施工控制效果。表1的最后一行記錄了全過程中建筑物周邊測(cè)點(diǎn)沉降量的最大變化值，其中第1處、第2處和第4處全過程最大沉降變化量均控制在7 mm以內(nèi)，而第3處也是最為靠近隧道的測(cè)點(diǎn)，從盾尾脫離到隧道貫通，產(chǎn)生了較大的沉降量。全過程趨勢(shì)顯示，從盾構(gòu)到達(dá)前到盾尾脫離后，建筑物周邊測(cè)點(diǎn)有整體隆起趨勢(shì)，待盾構(gòu)繼續(xù)向前掘進(jìn)直至隧道貫通后，測(cè)點(diǎn)呈現(xiàn)向下沉降趨勢(shì)。

整體而言，通過施工配合研究形成的施工方法，使建筑物沉降整體可控，取得了較好的施工保護(hù)效果。

4 結(jié)語

本文采用類矩形盾構(gòu)法隧道施工，進(jìn)行了盾構(gòu)隧道建筑物保護(hù)施工配合研究，并在寧波軌道交通4號(hào)線開展了工程實(shí)踐應(yīng)用。成果顯示，當(dāng)采用類矩形盾構(gòu)法近距離側(cè)穿既有建筑物時(shí)，開展相應(yīng)的施工配合，進(jìn)行施工控制參數(shù)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)優(yōu)化調(diào)整，能夠有效保護(hù)周邊環(huán)境，在保證隧道施工質(zhì)量的同時(shí)，對(duì)周邊鄰近建筑物也有較好的沉降控制效果，為類矩形盾構(gòu)隧道及其他形式盾構(gòu)隧道的施工提供了參考。