沿海地区大直径盾构施工对邻近建筑物的保护及沉降控制

张凤龙

(津滨城际铁路有限责任公司，天津 300450)

0 引言

滨海地区地下工程一般位于地层的浅层，而这一地层大多以淤泥质土为主，灵敏度高，强度低，极易发生蠕动和扰动。盾构在掘进过程中对地层的扰动相对较大，对其周边建筑物的影响是客观存在的，尤其是大直径盾构在滨海地区地层中掘进，影响更为明显。为避免过量变形对建筑物的结构产生破坏，必须采取合理的措施对建筑物进行保护。

一般来说，保护措施分为地面措施和洞内措施两大类，地面措施包括直接针对建筑物进行结构加固的措施、针对建筑物基础的加固措施以及隔离防护措施等;洞内措施包括合理控制盾构掘进参数、合理实施同步注浆、及时进行二次(多次)注浆以及深孔二次注浆等。实际施工中，必须根据建筑物与隧道的位置关系、建筑物的结构形式、允许变形值以及土体性质、土体变形状况等方面的情况，并综合考虑环境条件，选用合适的加固方式。

在京津城际延伸线，采用了在盾构到达前进行地面预注浆加固、盾构通过时调整控制施工参数，并进行合理的同步注浆和二次注浆、盾构通过后及时进行地面跟踪补偿注浆和洞内深孔注浆等措施，对邻近建筑物进行全过程保护，效果良好。

1 工程概况

1．1 隧道的地理位置及设计

京津城际延伸线是构建滨海新区与北京、天津快速便捷通道，自天津站引出，并行津秦客运专线，经塘沽站，向南引入滨海新区商务核心区于家堡，线路全长45 km，按照时速350 km/h 标准建设。为保护环境、降低对城市的影响，线路在塘沽站和于家堡站间采用地下隧道的形式，单洞双线，用一台直径为12 m的气垫式泥水平衡盾构机施工。

盾构机总长50 m，主机长11．88 m，主机及其后配套设备总质量约1 600 t，装机总功率为3 960 kW，最大总推力14 万kN，最大掘进速度60 mm/min，最小转弯半径350 m，盾构机总体采用法国NFM 技术制造。

1．2 工程地质及水文地质

盾构隧道覆土厚度8 ～16 m，主要为全新统人工填土、淤泥质黏土、淤泥质粉质黏土等;隧道开挖范围内主要为粉质黏土、粉土、淤泥质黏土等。淤泥质黏土与淤泥质粉质黏土呈黑灰色、流塑状态，土体较敏感，杂填土以建筑垃圾为主，松散，夹大量小石块。土壤最大冻结深度0．7 m;标准冻结深度0．6 m。地下水受基底构造、地层岩性和地形、地貌、气象以及海进、海退等综合因素的影响，水文地质条件较复杂。表层地下水类型为第四系孔隙潜水。赋存于第Ⅱ陆相层及以下粉砂及粉土的地下水具有微承压性，为微承压水。

1．3 地面环境

盾构隧道纵贯整个解放路商业街，约占掘进总长的2/3，商业街两侧为多种形式紧密排列的高层建筑物，部分建筑物建成时间至今已超过30 a。

据清华大学对盾构沿线建筑物的结构现状的检测鉴定，沿线建筑物的允许沉降值15 ～100 mm，允许差异沉降值4 ～14 mm，经评定，风险点共有26 处，其中，极高风险点8 处，高度风险点5 处，中度风险点11处，在盾构施工期间，必须采取措施对风险点建筑物进行保护。受环境条件的制约，传统的保护方法均无法实施，如何根据风险点的特点和环境条件对建筑物实施合理的保护，是工程的一大难点。

2 对建筑物的保护措施及沉降控制

2．1 地面沉降原因

大直径泥水盾构施工引起地面沉降的原因主要来自以下3 个方面:

(1)超挖引起地面沉降。主要包括盾构机结构尺寸引起的超挖和纠偏引起的超挖。从盾构机结构方面来看，刀盘直径为11．97 m，前盾直径为11．87 m，尾盾直径为11．8 m，管片外径为11．6 m;对于纠偏来说，盾构在曲线中掘进，或纠偏掘进过程中，实际开挖断面不是圆形而是椭圆形，造成实际开挖大于设计尺寸。

(2)地层固结引起地面沉降。由于盾构掘进过程中挤压作用和盾尾注浆作用等因素，使周围地层形成超孔隙水压区，需经过一段时间后才能消散复原，在此过程中因地层发生排水固结变形引起地面沉降。

(3)地层损失引起地面沉降。主要包括开挖面土体的移动、盾尾空隙引起的沉降以及衬砌变形和沉降三个方面。第一，当隧道掘进时，开挖面土体的水平支护应力可能大于或小于原始侧压力，开挖面前方土体会产生隆起或下沉。第二，由于向盾尾后面隧道外围建筑空隙中压浆不及时、注浆量不足、压浆压力不易把握等原因，使盾尾后坑道周边土体失去原始三维平衡状态，引起地层损失。第三，在土压力作用下，隧道衬砌产生的变形也会引起少量地层损失，当隧道衬砌沉降较大时会引起不可忽略的地层损失。

2．2 沉降趋势及沉降量预测

沉降预测对于制定合理的保护措施具有重要的意义。对于沉降趋势及沉降量预测主要有经验公式法、离心模型试验和有限元法。就目前研究状况而言，不论何种预测方法都有其局限性，经验公式法较为便捷，但预测结果准确性相对较差，离心模型试验和有限元法准确性较经验公式要高，但操作较为复杂，不便于普遍推广运用。同时，由于盾构施工中，地层的复杂性、盾构掘进参数及注浆参数的多变性，也更增加了采用离心模型试验和有限元法预测工作的难度。因此，经验公式法在实际施工中运用较为广泛，目前国内较为准确地预测公式大多是在Peck 公式的基础上修正的。根据日本国内1965 年以来所发表的文献整理的74 例因盾构施工产生的沉降槽的事例，与Peck 的沉降槽惊人的一致，我国对北京、上海等地区的盾构工程实例也进行了分析，其沉降槽也与Peck 完全相符。P．B．Peck 提出的描述盾构施工地表沉降的公式为

式中，S(x)为地面沉降量沿横向的分布;x 为所求沉降点距盾构中心线的水平距离;δmax为沿盾构掘进中线的最大地面沉降。

式中，vs为地面沉降体积;i 为沉降槽宽度系数，i = H/［tan(45° - φ/2)］;φ 为各土层加权平均后的摩擦角;H 为地面至隧道中心的深度。

因此，在京津城际延伸线，也主要采用了较为方便的Peck 公式进行预测，并且通过施工监测，对预测结果进行验证和修正后，用于指导后期施工及对建筑物的保护，操作简单，效果较好。

2．3 沉降阶段划分及各阶段沉降量统计

对盾构施工引起的沉降划分阶段，并估算各阶段沉降值所占比例，对于分析了解各种因素引起的地表沉降机理和制定应对措施非常重要。一般来说，盾构施工地表沉降可划分为5 个阶段，即盾构到达前地表沉降、盾构到达时地表沉降、盾构通过时地表沉降、盾尾沉降和后续沉降。对于不同的地层、不同类型的盾构、不同的埋深以及不同的环境条件所引起的各阶段沉降量是各不相同的。在京津城际延伸线，12 m 大直径泥水盾构位于成分相对复杂的淤泥质地层，埋深8 ～16 m，盾构上方为城市交通主干道或步行街，其早期施工地面沉降分阶段统计情况如表1。

表1 盾构施工地表沉降分阶段统计 mm

从控制沉降的措施方面来说，前方沉降、开挖面沉降、通过沉降和盾尾沉降这四个阶段的沉降占总沉降量的76．01%，是必须通过地面加固的方式来控制的，如果洞内措施能及时跟进，可对地面加固的效果予以补充;后续沉降占总沉降量的23．99%，则可以通过洞内加固的方式来控制。

2．4 保护措施思路的确定

保护措施是根据预测结果并结合沉降原因，同时考虑各阶段沉降量来制定的。

通常，选择对建筑物的保护措施会优先考虑洞内措施，但洞内措施是带有滞后性特点的。由于滨海地区地质条件的特殊性，地面变形过于敏感，同时基于对沉降原因的分析对沉降趋势的预测和对沉降阶段的统计，因此，单纯的洞内措施满足不了对建筑物保护的要求，滨海地区大直径盾构施工对建筑物的保护必须采取地面措施。地面措施主要有两种作用效果:第一，完全抵抗地层变形对建筑物的影响，即不允许建筑物产生丝毫变形，盾构施工不能对建筑物产生影响。第二，在可承受范围内，接受地层变形对建筑物影响，然后进行控制和补偿，即允许建筑物产生一定量的变形，然后再采取简单易行的综合措施控制住变形的进一步发展，使变形不再威胁建筑物的安全。相比而言，第二种作用效果操作较为灵活，受环境制约较小，且费用较低，但风险较大。

在京津城际延伸线，主要采用了第二种作用效果，对建筑物保护的总体思路是:首先通过采取地面措施，减缓地面及建筑物的变形，并确保控制变形在可承受范围之内，直至盾构通过并具备采取洞内措施的条件，然后，通过及时实施洞内措施对地层损失进行补偿，从而控制地面及建筑物的进一步变形，或对变形较大的部位实施针对性回弹。

2．5 地面加固保护措施

传统的地面措施一般有:对已有建筑物进行加固、对两者中间地基采取隔断、地基改良等三个方面。主要做法就是直接加固已有建筑物来提高刚度的方法、支承已有建筑物通过托换将支持层转移到下部的方法等，以及地基强化、改良防护以及隔断地基变形等。不论在何种情况下，地面措施的选取都必须考虑相邻建筑物的密集程度、现场制约条件、既有建(构)筑物的重要程度以及地质条件等，综合评价施工性、安全性、经济性，以及对工期、环境影响等。采取的措施必须经济合理，行之有效。在京津城际延伸线，由于受环境条件限制，最为可行的保护措施就是隔断地基变形。而采用隔断法也有多种形式，如钻孔隔离桩、地下连续墙、冷冻法、注浆等等，经过充分比选，最终采用了目前被国内外公认为最可靠的注浆工法——袖阀管地面注浆法。主要做法为:在需要保护的建筑物与盾构隧道之间打设3 ～5 排注浆孔，排距0．5 m，孔距0．75 m，孔位呈梅花形布置，开孔直径为110 mm，孔内预置Φ50 mm PVC 袖阀管。根据条件，注浆孔可直打，也可以设置一定角度斜打。袖阀管长度为至破裂面以下至少3 m。在盾构到达前，预先压注水泥浆液。在盾构通过期间，根据地表和建筑物沉降的情况，实施跟踪补充注浆。

在注浆材料侧选择上，对于普通水泥来说，因其颗粒较大，渗透能力有限，一般只能深入大于0．1 mm的裂隙。经注浆试验取芯结果证明，在滨海淤泥质地层条件下，采用普通水泥注浆，浆液扩散很难控制，基本形成不了均匀的固结体。对于超细水泥，其化学成分与性质和水泥类似，其粒径小于10 μm 占到90%以上，平均粒径仅4 μm 左右，比表面积在600 ～800 m2/kg 以上，这一性质使超细水泥浆液具有良好的可注性。用超细水泥制备的浆液经过充分搅拌，具有良好的物理力学特性。浆液黏度在同样水灰比的情况下比普通水泥浆液黏度低。浆液稳定性好，龄期3 d 的结石强度可达25 MPa 以上，91 d 龄期可达62 MPa。注入能力与脲醛树脂和木质素化学浆液相似，其强度却远高于这些化学材料。因此在注浆材料的选择上，考虑到渗透固结效果，超细水泥是最为理想的，而普通水泥注浆形成的压密、劈裂效果可对渗透固结产生的隔离效果予以加强，并在一定程度上降低成本。因此，采用了将两种浆液结合的方式，即:靠近隧道一侧的1 ～2 排压注超细水泥，靠近建筑物一侧的1 ～2 排压注普通水泥。注浆系统如图1 所示。

图1 注浆系统示意图

注浆施工要点如下:①严格按注浆配合比进行浆液配制，随时量测浆液比重。②注浆过程中浆液要连续搅动，防止水泥沉淀。③每段注浆量必须准确控制。当压力突然上升或浆液从孔壁、地面溢出时，应立即停止注浆。④注浆过程中，容易发生相邻孔串浆地现象，这时，可关闭该串浆孔继续注浆，若发生频繁，应加大钻孔与在注浆孔的间隔或钻一孔注一孔，减少串浆现象。⑤注浆过程中，如跑、漏浆现象严重时，可通过间歇注浆或通过调整浆液配比缩短凝胶时间的方法进行封堵，无效时，暂停该孔注浆，分析原因后采取其它措施。⑥地面预注浆施工必须在盾构到达前30 d 完成。

2．6 洞内措施

经过地面预注浆加固的建筑物，比一般建筑物对变形的反应要滞后，且变形值大大减小，因此，地面注浆加固可在一定期间内保护建筑物的变形不会超出限值，保证建筑物的安全。根据京津城际延伸线统计，这一安全期间一般可达到8 d 以上，为进一步采取后续保护措施提供了可能(如果变形过快，后续措施就跟不上了)。但是，一旦后续措施长时间不能跟上，则后期徐变仍然会造成建筑物变形超限，因此，洞内措施作为控制后期徐变的主要措施及时跟进是非常必要的。洞内措施一般有控制盾构掘进参数、同步注浆、二次注浆、深孔加强注浆等，均为成熟技术，在此不做详述。需指出的是，同步注浆是补偿地层损失最及时最有效的措施，应充分重视同步注浆的浆液配合比的设计，有效发挥其填充作用。

3 实施效果

通过将多种措施合理运用，京津城际延伸线大直径盾构隧道顺利通过了多处风险点建筑物，按照清华大学对建筑物评估指标，最小允许差异沉降为4 mm，实际最大差异沉降为1．5 ～2．8 mm，且历经6 d 以上的时间，建筑物安全可控。详见表2。

表2 盾构已经过的风险点建筑物沉降情况统计

4 结束语

(1)盾构施工对建筑物的影响因素复杂，且很难准确预测，采用单一的保护措施，也很难达到理想的效果，比较可靠的方法就是多种措施结合进行全过程防护。

(2)大直径盾构施工中对邻近建筑物的安全风险主要来自于因土体扰动而导致的地层沉降，因此在保护措施的制定中沉降控制是关键。

(3)在进行保护措施设计时，应充分考虑沉降的时空效应，建筑物的变形到某一个限值一般会有一个过程，通过采取措施，将这一过程合理延长，可降低保护施工难度，节约工程成本。

(4)京津城际延伸线在施工前对建筑物进行了充分合理的评估，并充分分析原因、进行预测，为指导各项保护措施的制定和实施起到了关键的作用。

受条件制约，洞内措施可实施的保护措施比较单一，其技术已经趋于成熟，在业内也已形成共识，实际施工中只需将有关参数适当调整，即可有效实施。地面措施则有较大的实施空间，但受环境条件影响较大，对于每一处建筑物，都可以产生多种有效地保护措施，如何根据具体情况实施更加合理的保护，还需要长期的探索。

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