下穿既有建筑期间盾构施工参数分析

张润峰, 梁荣柱 ,张献民,薛新华

(1. 南京航空航天大学 民航学院 江苏 南京 210016； 2. 浙江大学 建筑工程学院 浙江 杭州 310058；3. 浙江大学 滨海和城市岩土工程研究中心 浙江 杭州 310058； 4. 四川大学 水利水电学院 四川 成都 610065)



下穿既有建筑期间盾构施工参数分析

张润峰1, 梁荣柱2,3,张献民1,薛新华4

(1. 南京航空航天大学 民航学院 江苏 南京 210016； 2. 浙江大学 建筑工程学院 浙江 杭州 310058；3. 浙江大学 滨海和城市岩土工程研究中心 浙江 杭州 310058； 4. 四川大学 水利水电学院 四川 成都 610065)

摘要:以杭州地铁二号线为对象,研究在盾构下穿既有建筑过程中盾构施工参数及姿态参数的变化规律. 基于盾构掘进参数及现场实测数据发现，在盾构到达既有房屋前,盾构土舱压力大于静止侧向土压力会致使房屋隆起变形；盾构刀盘回转方向与土舱压力具有相关性，当盾构刀盘顺时针回转时,左侧土压力大于右侧土压力,反之亦然.为降低盾构刀盘挤压效应,避免房屋过大隆起变形,盾构经历多次停机；反向回转盾构切口可调整盾体回转角；设定下区千斤顶推力大于上区千斤顶,其差值产生的纠偏力矩可有效地调整盾构俯仰角．

关键词：掘进参数；盾构姿态；既有建筑；隧道施工；软土地层

盾构隧道法是最为安全、高效且对环境影响较小的隧道施工工法. 盾构隧道法目前已经成为软土地区地铁隧道修建的首选工法.适当的盾构施工参数设置及稳定的盾构姿态控制是保证盾构隧道施工成功的重要条件.在盾构隧道施工过程中,土舱压力、刀盘转速、掘进速度等是重要的盾构掘进参数. 盾构回转角、俯仰角等是盾构重要的姿态参数. 众多学者对盾构施工参数及姿态控制进行了深入的研究．

上述研究基本集中于盾构在无建筑物条件下的施工参数及掘进姿态分析,在既有房屋建筑群下方盾构施工掘进参数及掘进姿态的研究成果鲜有报道.在城市地铁隧道施工中,由于地下空间限制及线路设计,盾构下穿既有建筑基础常有发生. 研究在盾构下穿既有房屋建筑物过程中盾构掘进参数及掘进姿态变化,具有重要的现实意义．

本研究结合杭州地铁二号线某区间实测结果,给出在杭州软土地层中盾构下穿既有浅基础建筑时施工参数及掘进姿态变化,其中施工参数包括土舱压力、刀盘转速、掘进速度等,掘进姿态包括回转角及俯仰角，并进一步分析其相关关系.研究成果可以为类似工程提供一定的参考借鉴作用．

1工程背景及工程地质条件

1.1工程背景

杭州地铁二号线某区间位于浙江省杭州市萧山区内,本区间分为上、下行线2条隧道,区间总长2 746.12m,其中上行线长1 372.844m,下行线长1 373.274m. 本工程采用日本小松(Komastu)机械公司生产的土压平衡盾构机,该盾构机通过计算机控制系统保持盾构掘进参数及掘进姿态的实时测量,为研究盾构在建筑物下方盾构施工特点及姿态变化提供了宝贵的数据.盾构机外径为 6.34m, 机体长为8.68m. 隧道管片为预制钢筋混凝土管片,强度等级为C50,抗渗等级为S10. 管片外径为6.2m,内径为5.5m. 管片采用6环(3块标准块、2个相邻块及1个小封顶块管片)错缝拼装,管片纵向及环向均采用高强度弯螺栓连接. 2011年9月10日盾构安装完毕从站点N始发推进,2012年1月19日到达站点P,区间上行线全线贯通．

在地铁2号线站点N到P区间上行线施工过程中,盾构下穿大片既有房屋基础.在盾构施工扰动下，房屋建筑将产生位移变化,过大的位移变形将会引起房屋开裂、不均匀沉降、掉块等一系列危害.为减少盾构施工对建筑物的扰动,精细的盾构参数控制是关键. 如图1所示为盾构掘进施工下穿房屋示意图.房屋建筑以普通民房为主，房屋以柱下浅基础结合地基梁为主,无桩基础.房屋上部结构中,部分采用钢筋混凝土框架结构,而一部为砖混结构.为区分两者,分别在图1中进行编号标注区别.如“建88砖5”表示编号88的建筑物为5层高砖砌体结构,依此类推．

1.2工程地质条件

如图2所示为盾构下穿房屋建筑地层纵向剖面.在盾构下穿房屋建筑范围内,地表到隧道的轴线深度为17.2 ～18.5m. 主要穿越的土层如下：⑤1粉质黏土,⑤2层粉质黏土,⑥2淤泥质粉质黏土.各土层的物理力学指标参数如表1所示. 表中,γ为土体容重,c为黏聚力,w为含水量,φ为内摩擦角,kv为水平渗透系数,kh为竖向渗透系数,Es为压缩模量。盾构穿越土层具有强度低、压缩性高、渗透性差等特点.盾构施工将会对周围地层产生较大扰动,这将会引起上部建筑地基产生较大变形.

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图1　盾构下穿建筑房屋平面及房屋位移监测布置图Fig.1　Plan of shield tunnel driving beneath buildings and installed monitoring points of buildings

地 层w/%γ/(kN·m-3)三轴试验(CU)c/kPaφ/(°)Es/MPakv/(×10-5cm•s-1)kh/(×10-5cm•s-1)①2素填土31.118.9———5.0002.500③1粉质黏土32.118.56.022.04.520.00010.000④1淤泥质粉质黏土46.917.115.09.82.10.6000.300④2淤泥质黏土46.816.913.010.12.20.1500.10⑤1粉质黏土30.818.79.022.24.50.6000.090⑤2粉质黏土33.218.834.815.05.50.3500.060⑥2淤泥质粉质黏土41.917.316.211.32.8000.50.090⑦1粉质黏土29.919.035.917.36.00.4000.015⑦2粉质黏土22.919.623.816.15.00.3500.070⑧1-2粉质黏土30.618.924.012.33.7000.50.075⑨1粉质黏土26.819.446.617.56.00.5000.080

图2　盾构下穿施工地质剖面图Fig.2　Geological profile of shield advancing

2盾构掘进参数分析

2.1土舱压力分析

图3　盾构土舱中土压力盒安装位置图Fig.3　Positions of the earth pressure cells in the chamber

土舱压力p为盾构施工重要的掘进参数,对维持开挖面稳定有重要的影响. 为实现实时记录盾构土舱压力值,在盾构机土压力舱安装4个土压力传感器. 图3为土压力盒传感器布置位置示意图．

盾构下穿建筑物群施工过程中,土舱压力控制尤其重要.Lee等[13-14]分别结合上海地铁二号线及杭州地铁二号线实测结果指出,盾构土压力舱设置大于静止侧向土压力将导致前方土体隆起变形. 图4给出土压力盒传感器与静止侧向土压力随掘进环数(单位为Ring)的变化情况.图中静止侧向土压力pH通过下式计算：

(1)

式中:γi为第i层土重度；hi为第i层土厚度；n为到盾构轴线处地总层数；K0为静止侧向土压力系数,根据地勘资料,K0取0.5. 值得注意的是,式(1)并没有考虑到房屋产生的附加荷载值．

从图4(a) 可见，在盾构下穿建筑物结果后,刀盘中上土压力盒实测值pU、下土压力盒实测值pD及基本小于或局部环号等于实际静止侧向土压力pH. 由图可见,下土压力盒实测值整体上大于上土压力盒结果,这与张凤祥等[4]假定盾构开挖面土压力呈梯形分布的简化模型一致.上、下土压力盒的变化趋势也基本一致．

左右土压力盒的变化规律与上下土压力盒相比有明显的不同. 从图4(b) 中发现,左土压力实测值pL、右土压力盒实测值pR呈现交替升降的特点. 以图中盾构下穿建筑84与建筑83(484～494环)为例,盾构下穿这2幢建筑物时,当切口从484环推进至488环过程中,左侧土压力值大于静止侧向土压力,而右侧土压力值约为0.06MPa,明显小于左侧土压力；而随着盾构掘进,在495环至494环,右侧土压力值迅速上升,最大实测值达到了0.26MPa,远远大于0.16MPa的静止侧向土压力,而左侧土压力迅速下跌,最小值达到了0.05MPa.如此反复,左右土压力交替上升下降. 这种交替上升下降的现象,在盾构穿越既有建筑物时表现得尤为明显．

图4　实测土压力值及计算静止侧向土压力值Fig.4　Monitored earth pressures and computed horizontal earth pressures in-situ

图5　测点位移发展曲线Fig.5　Developments of settlements of monitored points

值得注意得是,左、右土压力在上升时候其土压力明显大于静止侧向土压力,这将可能导致房屋结构产生隆起变形. 如图5(a)所示为房屋竖向位移变形随着盾构掘进时程曲线图. 图5(a) 中以盾构到达房屋建88前为负,切口通过后为正. 从图可见，在盾构切口到达前房屋测点呈现隆起变形. 图5(b) 给出不同距离房屋及地表测点最大隆起位移Smax结果,其中房屋及地表测点分布如图1所示. 由图可见,房屋最大隆变形与盾构相对距离L成反比,距离轴线位置越近,房屋隆起量越大,即房屋受影响也严重．

在盾构掘进过程中,发现盾构回转方向与左右土压力盒存在相关关系. 图6仅给出每环回转次数n与右侧土压力pR右实测值关系. 图中以盾构顺时针回转为正,反之为负. 由图可得到如下规律：当盾构刀盘回转方向为顺时针时,右土压力盒值较小；而当盾构回转方向为逆时针方向时候,右土压力值增大.这可能是由于当刀盘顺时针掘进时,切削土体率先填满左侧土舱,导致左侧土压力盒实测结果增大而右侧土压力相对较小. 同理,当刀盘逆时针回转掘进时,右侧土舱首先填满,导致右侧土压力上升. 这种现象可能是由于地层土体塑性大,并且在房屋附加荷载作用下,切削土体被挤入效应更加明显,在刀具切削挤入土舱时顺刀盘回转方向运动,致使土舱填充过程并非均匀上升,而是局部填满后才转移到未填满的土舱区域．

图6　土压力值与盾构回转次数变化关系Fig.6　Relation between earth pressures and shield rotating counts

2.2转速及推进速度

图7　刀盘切削转速Fig.7　Rotate speed of cutter-head

图7给出盾构在穿越建筑物群前后刀盘转速N变化曲线. 从图7中可以发现在进入建筑群前,盾构基本以1.0r/min转速掘进. 在进入建筑物下方后,为了减少盾构刀盘对前方土体的挤压效应,盾构刀盘切削转速调整为0.8r/min,以便盾构快速通过. 同时,较小的刀盘回转速度可以减少盾构刀盘掘进过程引起的振动,并减少对邻近土体的扰动,从而减少房屋的沉降．

盾构下穿既有建筑物具有较大的风险性,一旦操作不当引起房屋倒塌、破坏及人员伤亡等严重后果.因此平稳有序的施工掘进速度是保障盾构顺利下穿的重要参数. 图8给出盾构下穿建筑物群掘进速度v变化曲线. 盾构下穿建筑物群施工过程并不顺利,盾构施工掘进速度并不能保持较平稳的掘进速度,在个别环号出现停机情况,如图8所示.特别是在盾构下穿建78、79及80房屋下方时,盾构掘进速度波动较大出现2次较长时间停机. 林存刚等[15]指出,盾构在软土地层中长时间停机将导致上部土体沉降持续发生.根据现场施工资料,在盾构下穿房屋建筑时,盾构掘进挤压,引起房屋测点产生较大的隆起变形. 为避免隆起过大造成房屋开裂、倒塌等危害,施工操作暂停,重新调整施工参数,最后顺利穿越建筑物群．

图8　盾构掘进平均速度Fig.8　Average shield tunnelling speed

3盾构姿态参数分析

3.1回转角

图9　盾构姿态示意图Fig.9　Sketch of shield posture

在盾构施工过程中,有效控制盾构姿态是减少地表沉降、确保施工安全及保证管片拼装质量的重要举措. 盾构机姿态的主要参数包括俯仰角α、横摆角κ、回转角θ(滚动角)[12].图9为盾构姿态参数示意图.俯仰角是盾构机轴线与水平面的夹角；横摆角指盾构机轴线与线路方向在水平面上夹角；回转角指盾构机绕自轴线旋转的角度.本工程没有对横摆参数进行测量,因此仅对盾构回转角及俯仰角姿态变化进行分析．

盾构回转角是评估盾构在掘进中盾体绕轴线回转幅度的参数. 在软土地层中掘进,尽管地层提供足够握裹盾体的反向扭矩,由于软黏土具有黏滞特性,盾体依然会随着刀盘回转方向旋转一定的角度[16]. 不及时调整盾体回转角将导致管片拼装难度增大、管环质量变差等缺陷. 因而,盾体回转角应及时调整保证盾构安全掘进．

图10　盾构掘进回转角及回转次数关系Fig.10　Relation between rolling angles and rotating counts during shield advance

图10给出在盾构掘进下穿既有建筑房屋过程中,盾体回转角与盾构回转次数变化曲线. 由图发现,盾构切口长时间朝一个方向回转切削将引起盾体回转角逐渐增大. 目前尚无相关标准给出最大盾体回转角控制值.但是确定的是,盾构回转过大将产生盾构姿态控制困难、管片拼装质量下降等一系列不良影响. 当盾体回转角达到较大水平时,应及时纠正. 在实践中,通过调整盾构切口反方向掘进,可缓慢回调盾体回转角度.如此反复,方能使得盾构回转角在较小的幅度范围内.当盾构下穿建83、建84、建78、建79及建80时,盾构回转控制较差,最大的回转角达到0.7°. 这也可能是在盾构下穿建筑物时候施工操作人员过于谨慎小心,不敢反向调整盾构切削方向所导致. 唐晓武等[17]通过理论分析,指出刀盘扭矩对地表的位移隆陷影响较小. 因此,在下穿施工过程亦可多次采用正反交叠回转刀盘,确保盾体回转角控制在可以接受的范围内．

3.2俯仰角

Lee等[18]指出过大的俯仰角将增大盾尾的间隙,从而引起较大的地表沉降,并给出了盾尾间隙与俯仰角关系：

Vsh=πRLsα.

(2)

式中：Vsh为超挖体积,R为隧道半径,Ls为盾构长度．

盾构机主要自重集中于盾构机头附近,处于“头重脚轻”状态. 同时,在软土地层中,下卧土层强度通常较低,导致盾构掘进过程中在偏心重力作用下盾构不可避免以“下磕”趋势掘进. 在实际施工中,通过盾构千斤顶上、下区顶力差可以较好地调节盾构俯仰角. 图11给出盾构千斤顶分区示意图.在施工控制中,推力千斤顶分为上、下、左及右4区进行施工控制. 通过分区控制可以实现小曲率掘进、盾构纠偏等操作. 操作人员通过给盾构上、下区千斤顶施加不同压力值,使得上、下区千斤顶存在推力差值ΔF,从而获得抬升盾构机头的纠偏力矩,实现纠偏作业．

图11　千斤顶油缸分布示图Fig. 11　Distribution of shield jacks

图12　俯仰角与上下区千斤顶差值关系Fig.12　Relation between pitching angles and differences of upper and down zone jacking forces

图12给出俯仰角及上下区千斤顶差值关系图.在进入建筑物88及89前10环,盾构俯仰角基本在-1.5° 附近,而在即将下穿建88及89房屋时候,由于操作施工控制不当,导致上、下区千斤顶推力差值为负值,也就是上区千斤顶值大于下区千斤顶推力,盾构俯仰角迅速下降,致使盾构以下磕姿态掘进.随后在建筑下方,经过盾构操作手调整,逐步增大下区千斤顶推力,千斤顶推力差值逐步增大.在千斤顶推力差值,盾构俯仰角稳步上升. 在建78、79及80下方,在建筑物自重产生附加应力作用下,盾构俯仰角更难调整.如图12所示,在盾构掘进NP505、NP506环时,千斤顶推力差值略有减少,尽管差值仍然大于4 845kN,但是这两环盾构俯仰角迅速下降,最小值达到了-2.0°. 这可能是在建筑物下方，建筑本身重力作用所产生的附加荷载加剧了盾构下磕的趋势,导致盾构姿态控制难度增大：稍微减小的千斤顶推力差将会引起盾构下磕. 因而,在建筑物下方盾构掘进,应保持一定的千斤顶推力差值,不应随意减少以免盾构姿态失控．

4结论

(1)在盾构到达既有房屋建筑前,盾构切口压力大于静止侧向土压力,将导致房屋建筑隆起变形.左、右侧土舱压力与盾构回转方向密切相关,当盾构顺时针回转时,左侧土压力大于右侧土压力；当盾构逆时针回转时,右侧土压力大于左侧土压力．

(2)在盾构下穿建房屋过程中,盾构回转速度减小至0.8r/min,推进均速度波动较大， 在房屋下方经历多次停机．

(3)在盾构掘进过程中,盾构长时间朝向一个方向回转切削时候,由于软黏土的黏滞特性,导致盾体朝同一个方向回转一定角度.通过方向调整盾构刀盘反向回转,可以调节盾构回转角度．

(4)由于盾构机重心位于盾构机头附近,在软土地层中,盾构具有明显的“下磕”掘进趋势.通过控制上、下千斤顶推力,使之产生一定差值,从而产生纠偏力矩,确保盾构沿设计轴线掘进．

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DOI:10.3785/j.issn.1008-973X.2016.03.020

收稿日期：2015-02-10.

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51378463)；国家自然科学基金高速铁路基础研究联合基金重点资助项目(U1234204).

作者简介：张润峰(1979-)，男,讲师,博士生.从事道路与铁道工程相关研究.ORCID：0000-0001-9876-0988. E-mail: cugzju@126.com

中图分类号：TU 47

文献标志码：A

文章编号：1008-973X(2016)03-08-0551

Analysisonshieldconstructionparametersduringdown-crossingexistingbuildings

ZHANGRun-feng1,LIANGRong-zhu2,3,ZHANGXian-min1,XUEXin-hua4

(1. College of Civil Aviation, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China; 2. College of Civil Engineering and Architecture, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China; 3. Research Center of Coastal and Urban Geotechnical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China; 4. College of Water Resources and Hydropower, Sichuan University, Chengdu 610065, China)

Abstract:The law of shield construction parameters and attitude control are presented and interpreted by investigating the Hangzhou metro Line-2 tunnel project. The monitored construction data and field measurements show that the heave of buildings occurs when the earth pressures of chamber are larger than the horizontal earth pressures in-situ and the cutter-head is in front of the buildings. There are certain relationships between the rotating direction and the earth pressures of chamber. When the cutter-head rotates clockwise, the monitored left earth pressures are significantly larger than the right earth pressures, and vice versa. Shield went doun for several times beneath shield driving in order to reduce the compressing effect caused by cutter-head and avoide the larger heave of the buildings. The opposite rotating direction of cutter-head helps to adjust the rolling of shield body. Set that the thrusts of down zone jacks is larger than that of upper zone jacks, the correction moments caused by the difference will effectively adjust the pitching angels during tunnlling in soft soils．

Key words:construction parameters; shield attitude; existing buildings; tunnel construction; soft ground