盾构隧道侧穿历史古建筑的监测分析与施工控制

李 又 云，朱 方 宇，李 松 皓

(长安大学 公路学院，陕西 西安 710064)

城市地下轨道交通具有载运量大、时间精确、空间占用小的特点，在城市交通发展中逐渐占据主导地位。但由于其线路位于城市之中，在盾构隧道掘进过程中会对周围构筑物产生影响，特别是结构性、耐久性差的古建筑，这给盾构施工和文物保护均带来了难题。因此，探究掘进施工对古建筑物造成的影响及如何反馈指导施工是非常有必要的。

目前国内外对盾构隧道穿越建筑物的影响已经有了一定研究：姜忻良[1]使用有限元软件ANSYS建立土体-隧道-建筑三维模型，分析了建筑物产生沉降的范围及倾斜最大值；葛世平等[2]提出地铁运营期列车长期振动下沉降的实用估算方法，并用理论公式法计算出沉降主要产生的时期；丁祖德等[3-5]研究了隧道穿越角度对地表建筑物沉降的影响；谢东武[6]根据建筑实际情况提出了盾构侧穿古建筑期间的双控控制指标；Mroueh等[7]使用有限元软件对隧道开挖进行了三维数值模拟，探究隧道开挖对地表、建筑物的影响，认为忽略建筑物的自重会导致沉降计算结果明显偏小，但其并没有考虑建筑物结构的特点，使得地表沉降在独立基础连接处产生明显的变化；Richard等[8]用解析法分析了隧道开挖引起地面框架结构的变形，假定地基梁可以抑制变形，得出了一个简化的闭合解。可以看出：以上研究多从数值模拟及理论方面展开分析研究，缺乏实际工程论证，且对古建筑所做的针对性监测分析较少。本文以佛山市轨道交通3号线东乐路—大良站地铁盾构隧道侧穿清晖园的监测数据为依据，探究了盾构停机、保压、侧穿等过程对古建筑造成的影响，对类似工程有一定的借鉴意义。

1 工程概况

1.1 古建筑概况

清晖园位于佛山市顺德区大良镇，占地面积22 500 m2，是一座始建于明代的古代园林建筑，最初为明朝万历年间的状元黄士俊修建的家族园林，现存建筑主要为清代嘉庆年间所建，是国家级文物保护单位，被列为中国十大名园之一。院内建筑均为天然基础的砖木结构，受不均匀沉降的影响较大。在盾构机始发前园外围墙及院内部分建筑物已出现细小裂缝，清晖园鸟瞰图如图1所示。

图1 清晖园鸟瞰图Fig.1 Aerial view of Qinghui Garden

1.2 盾构施工概况

东乐路站—大良站盾构区间左线全长1 237.141 m，里程范围为ZDK17+688.810～ZDK18+914.374，右线全长1 225.564 m，里程范围为YDK17+688.810～YDK18+917.374，清晖园段为整体下行。由于掘进地层以中风化、强风化泥质粉砂岩为主，地下水含量相对较小，故左右两线均采用土压平衡式盾构机掘进，盾构机参数如表1所示。

表1 盾构机参数Tab.1 Shield machine parameters

两台盾构机的掘进方式为同向先后掘进，左线掘进至203环时右线始发，最终两台盾构机由东乐路站吊出井吊出。由于始发顺序的不同，左线掘进至清晖园影响范围时右线还未开始掘进，且左线穿越清晖园后右线还未到清晖园影响范围，故本文只探讨左线掘进对清晖园建筑物所造成的影响，根据选线位置关系将左线180～310环定为左线盾构隧道对清晖园的影响范围。左线盾构隧道与清晖园内文物建筑最小净距约为8.4 m，竖向最小埋深约26.4 m，左右线隧道与清晖园平面关系及清晖园点位布设见图2，纵向关系及地质断面见图3。

图2 左右线隧道与清晖园平面关系Fig.2 Plane position of left and right tunnel and Qinghui Garden

图3 地质断面(单位：m)Fig.3 Geological section

1.3 工程地质情况

东乐路—大良站盾构区间为珠江三角洲冲积平原地貌，地势平坦开阔，表层多为人工填土。在盾构机进入清晖园影响范围前施工单位组织了补充勘察，勘察报告显示区间隧道在清晖园段的主要穿行地层为⑦2强风化泥质粉砂岩、⑧2中风化泥质粉砂岩，180～260环地层主要为强风化泥质粉砂岩，261～310环地层为强风化、中风化泥质粉砂岩相互掺杂。土体力学物理性质指标如表2所示；地下水为松散层中的孔隙潜水和基岩裂隙水，对混凝土有弱腐蚀性，稳定水位在地表下1.5 m。

表2 土体力学物理性质指标Tab.2 Soil mechanics physical properties

2 监测方案

2.1 清晖园建筑监测项目

清晖园内古建筑基础薄弱，对扰动的敏感度高，受到盾构机掘进的影响会出现较大的不均匀沉降，产生房屋开裂、倾斜等现象危害建筑安全[9-11]，对左线盾构隧道掘进影响范围内的古建筑物进行沉降监测和反馈控制是成功侧穿的关键。故主要监测项目为建筑物沉降。

2.2 监测方法

清晖园内的沉降观测点采用Leica反光贴纸作为观测标志物，与普通沉降钉相比可显著减小对园内古建筑的损害，且稳定性更高。根据清晖园的建筑特点，监测点位的布设以古建筑的四角、砖木支柱、高低建筑物及纵横墙两侧为主，可以真实反映出园内古建筑物的沉降状况。观测仪器采用Leica dna 03电子水准仪，每次监测都由高程基准点作为起点引入高程，最终闭合至起始点。测量过程中保持前后视等距，避免测量误差干扰监测结果。在先行盾构穿越前对园内裂缝进行标记，并在穿越期间定期对园内建筑物进行巡视，观察有无新裂缝出现及已有裂缝变化情况。

2.3 控制标准

为了更好地对清晖园保护区内古建筑的沉降进行控制，确保文物在盾构隧道侧穿期间的安全，提出了采用累计变形与阶段增量变形来进行控制的双控标准，因清晖园园内建筑物年代久远，抵抗沉降能力较差，必须严格控制沉降总量及沉降速率以防园内古建筑产生破坏。结合《城市轨道交通工程监测技术规范》(GB50911-2013) 确定清晖园保护区内古建筑沉降累计控制值为15 mm，沉降增量控制值为1 mm/d，相应预警等级划分如下。

(1)黄色预警。变化量、变化速率“双控”指标均超过监控量测控制值的70%，或双控指标之一超过监控量测控制值的85%。

(2)橙色预警。变化量、变化速率“双控”指标均超过监控量测控制值的85%，或双控指标之一超过监控量测控制值。

(3)红色预警。变化量、变化速率“双控”指标均超过监控量测控制值，或实测变化速率急剧增长。

3 园内建筑监测与分析

根据已经确定的盾构隧道对清晖园的影响范围，在盾构机刀盘掘进至180环时开始对清晖园古建筑进行监测。清晖园保护区占地面积大但盾构机刀盘前方的影响范围有限，故对清晖园古建筑物的重点监测范围为刀盘前后30 m。由于清晖园内监测点位众多，下文仅选取有代表性的测点进行分析：在非正常掘进期间选取距清晖园建筑最小净距处的CJ12～CJ16号测点进行分析；在正常掘进期间选取垂直于盾构隧道轴线的CJ31、CJ33、CJ35、CJ38号测点进行分析。盾构机掘进引起的建筑物沉降量是累积的，即下文所有测点所处时间段的起始沉降量均为上阶段结束对应的沉降量。

3.1 掘进异常期间对园内建筑物的影响

左线盾构机刀盘于2019年4月11日掘进至180环，与此同时开始对清晖园后园的沉降进行监测。在进入清晖园影响范围前，盾构机的正常掘进速度可保持在11环/d，开挖面水量也较小。自掘进189环开始，地层出现中风化泥质粉砂岩比例增高且伴随地层水量突增的情况，推进速度极为缓慢，4月12～13日每天仅能推进一环。大量地下水进入土仓并由螺旋机排出，导致出土困难，此时清晖园建筑物沉降速率达到橙色报警控制值，为保证安全，盾构机于4月14日开始停机，后于4月30日在停机位置开仓更换盘刀。为便于描述，本文将掘进困难至闭仓恢复掘进前划为掘进异常阶段。

3.1.1掘进困难及停机阶段对建筑物的影响

由图4～5可以看出：2019年4月11日刀盘位于180环时各点沉降量均小于0.5 mm，此时盾构尚未对清晖园造成扰动；4月12～13日推进缓慢，可以看出为了改善掘进困难的情况，操作人员较大幅度地变化了推力和扭矩的大小，但沉降情况并未改善，各点下沉明显；后为减少对清晖园的进一步扰动又将推力及扭矩数值减小至180环处大小，建筑物下沉的情况有所缓解。从推力及扭矩曲线图可以看出：盾构机的推力与扭矩大致呈正相关。除了因为盾构机增大推力、扭矩数值产生的地层扰动导致沉降外，土体的固结沉降也是关键原因；开挖面处地下水进入土压平衡仓并由螺旋机排出，地下水位迅速下降，土体有效应力增加，产生沉降。降水形成的“漏斗”形水位线又使各点的沉降具有一定差异性，从图5可以看出：CJ12、CJ15两点沉降值要大于其余3点，主要是因为CJ12、CJ15两点距离开挖面较近，而较远测点水位线位于“漏斗”的外沿，其水位变化滞后，土体产生的固结沉降较小。随着停机注浆的进行，各点沉降得到控制，4月14～15日因注浆产生轻微隆起，注浆结束后又有下沉的趋势，其原因主要是注浆压力的消散导致的土层固结。停机保压期间各点沉降曲线平稳，园内古建筑物比较稳定。

图4 推力和扭矩曲线Fig.4 Thrust and torque curve

图5 盾构早期掘进及停机期间沉降曲线Fig.5 Settlement curve of shield tunneling during early tunneling and shutdown

3.1.2开闭仓阶段对园内建筑物的影响

为保证清晖园古建筑在侧穿期间的安全，施工方决定2019年4月30日20：00于207环处气压辅助开仓，检查刀盘状况，更换刀具以保证掘进连续性。由于带压开仓有一定风险性，从开仓前构建泥膜至闭仓恢复掘进采取了加密监测，整个过程的主仓压力曲线如图6所示，时间-沉降曲线如图7所示。

图6 主仓压力曲线Fig.6 Main warehouse pressure curve

图7 开闭仓期间沉降曲线Fig.7 Settlement curve during warehouse opening and closing

由图6～7可看出，由于4月30日19：00构建泥膜时主仓压力的升高，各点的累计沉降值发生突变，均出现抬升现象。在泥膜构建完成后盾构土压仓开始以每小时20 kPa的梯度降压并维持在280 kPa，压力降低后沉降曲线仍呈抬升趋势，但明显变缓。在20：00土仓压力稳定在280 kPa上下进行开仓，至5月1日05：00各测点沉降已趋于稳定，后主仓压力逐渐降低，通过调整注浆压力及注浆量防止建筑物沉降过大。自5月1日起主仓压力稳至260 kPa，与4月30日开仓前压力相等，同开仓前的状态相比各点均抬升4 mm以上，可以看出气压辅助开仓对园内建筑物抬升的作用明显。

在更换刀盘维修器械后，盾构机于2019年5月4日晚闭仓恢复掘进，5月5～6日刀盘附近测点均发生较大沉降，主要原因为4日晚盾构机恢复掘进时停止出土，并在闭仓过程中向土仓内打入膨润土提高土压用以取代气压，此时仓内压力较难控制，一度减小至210 kPa，与开挖面侧向土压力不平衡产生地层损失，开挖面处大量水、土涌入土仓，园内单日建筑物沉降在6 mm以上。为保证安全当日仅掘进一环，但由于开挖面漏水等原因，在土压升至250 kPa之后各点仍有下沉的趋势。在根据地质情况调整参数后，5月6日盾构机恢复正常掘进速度，管片拼装至210环并进行二次注浆，从图7中可以看出，各点有略微抬升的趋势，沉降变化恢复正常。

3.2 正常掘进期对清晖园的影响及施工控制

3.2.1盾构正常掘进时的施工控制

在土压平衡式盾构机掘进过程中，正确的选择掘进参数可以有效减少地层损失，保证开挖面的稳定。自2019年5月6日盾构机掘进恢复正常，通过更换刀具后每日至少可掘进拼装6环，在正常掘进过程中，左线盾构机根据地质条件选取了合适的掘进参数。将盾构机PDV系统自动采集的部分推力、扭矩、土压参数进行针对性研究，开挖范围内地层如图8所示，推力、扭矩和土仓压力如图9～10所示。侧穿过程中，推力大小在11 760～24 117 kN之间，扭矩大小在1 548 ～3 376 kN·m之间，土仓压力在183～276 kPa之间，在掘进过程中随工况的不同不断变化。

图8 掘进范围地层Fig.8 Driving range formation

图9 推力和扭矩曲线Fig.9 Thrust and torque curve

图10 土仓压力曲线Fig.10 Soil pressure curve

(1) 210～225环段，盾构机掘进地层以强风化泥质粉砂岩为主，掘进地质情况比较单一，推力量值位于15 000 kN上下；进入262环处时推力数值出现了比较明显的提升，结合剖面地质资料可以看出：开挖范围的上下部分中风化粉砂岩含量出现突增，较高的推力值可以保证掘进开挖面的稳定。290环前后地层中2种围岩含量基本保持不变，此时的推力值也基本维持在了21 000 kN，结合侧穿前段的推力值变化情况可以推测：均一地层中的推力基本保持稳定。随着295环后“硬”岩的含量降低，推力值也逐渐下降，推力的大小与围岩的软硬存在明显的相关性。

(2) 盾构机掘进时的推力越大，相应挤入岩层的程度就越深，从而导致扭矩升高，两者呈正相关，从图9中也可以看出两者到达峰顶与峰谷的环数基本同步。在217环处扭矩出现突降，达到最小值(1 548 kN·m)，但推力、土压变化并未出现明显变化，推测原因是因为此环掘进时刀盘并未深入围岩，出现一定程度的空转。

(3) 由于隧道的整体下行，埋深不断增加，土压整体呈波动上升趋势。土压以210～250环段变化幅度最大，表明在以强风化粉砂岩为主地层中土仓压力较难控制；在259环软硬围岩交界处土压达到276 kPa，为侧穿段最大值，较高的土压量可以保证开挖面在地层突变处的稳定。进入中风化粉砂岩地层后，土压波动幅度出现了比较明显的降低，大小控制相对稳定。

3.2.2侧穿清晖园控制结果

左线盾构隧道恢复正常掘进穿越后，各测点沉降值变化均在正常范围内，且变化规律大致相同，故仅选取垂直于盾构隧道轴线的CJ31、CJ33、CJ35、CJ38号测点进行分析，其沉降变化如图11所示。

图11 正常掘进期间沉降曲线Fig.11 Settlement curve during normal excavation

从图11可以看出，盾构正常穿越期间清晖园建筑物的沉降可分为以下阶段：① 盾构机刀盘到达前。各测点均产生了不同程度的沉降，其变化趋势与主仓土压的大小有关，土压小于开挖面上侧向土压力会导致开挖面产生地层损失。② 刀盘到达盾壳通过这段时间内。各点的沉降呈缓慢增大趋势，主要是由于盾构姿态不正导致超挖，产生额外的地层变化影响周围建筑物。③ 盾尾通过时。因管片与盾构外径有一定建筑空隙，在管片脱出时会导致周围建筑物产生一定沉降。④ 同步注浆及二次注浆时。盾尾注浆孔进行的同步注浆以及后期针对沉降量大的区域进行的二次注浆往往会使园内建筑物产生一定的抬升。⑤ 盾构通过后产生的长期沉降或上浮。

盾构机于2019年5月25日掘进拼装至310环，脱离对清晖园的影响范围，至此左线盾构机成功侧穿清晖园，园内建筑物最大沉降累计值为-4.25mm，位于CJ39号监测点处，所有测点沉降累计值均在正常范围内且无新裂缝产生，左线沿轴线方向上各建筑物的最大倾斜度为0.52‰，垂直轴线方向上建筑物最大倾斜度为0.78‰，各构件工作正常，根据《危险房屋鉴定标准》[12]，该古建筑群可正常使用。

4 结 论

清晖园古建筑物在盾构机左线侧穿过程中经历了开挖面渗水、停机保压、气压辅助开仓、闭仓及正常掘进等一系列影响，通过施工参数及掘进措施的调整，确保了穿越期间各建筑物的安全。通过穿越全程对现场的监测及分析，得出以下结论和建议。

(1) 开挖面所处地层含水量较大时会导致掘进困难，并使掘进影响范围内建筑物产生较大沉降，在这种情况下不应盲目增大推力扭矩，以防对地层产生更大扰动。

(2) 当常压开仓难以满足对安全的要求时，可采用气压辅助开仓。对于该工程中的地质条件，埋深26.4 m处气压辅助开仓时的稳压值可控制在280 kPa。

(3) 盾构机正常掘进时，影响范围内各建筑物测点的沉降可分为5个阶段。若正常掘进时开挖面附近产生较大沉降，可通过加快掘进速度使盾尾到达变化较大测点处，通过同步注浆及二次注浆来控制沉降。