盾构施工下穿既有建筑物沉降变形分析与控制

韩伟，王余鹏，石端文

1.福建林业职业技术学院， 福建 南平 353000； 2.中铁第四勘察设计院集团有限公司， 湖北 武汉 430000

0 引言

地铁盾构施工不可避免会穿越城市建筑物下部结构或其邻近区域，下穿施工扰动了原有土层，使施工近接区的地层、地表及建筑物产生一定的沉降变形，影响既有建筑物的使用寿命，危及人们的生命安全，对城市地铁隧道工程建设产生负面影响，因此，在盾构施工中，近接建筑物防护技术的系统化和完善愈来愈重要。

目前对沉降变形的控制和计算方法主要有理论法、试验法、数值模拟法、现场实测分析法等。文献[1-4]从理论上研究盾构行进中对土层的影响，分析双线盾构隧道施工引起的地层沉降规律。文献[5-10]通过注浆试验，从壁后注浆、同步注浆及双液注浆角度分析隧道施工对建筑基础的影响，得到注浆压力、注浆量等参数对地面沉降的影响，将数值模拟结果和现场监测结果进行比对，验证了数值模拟的可靠性，指出数值模拟法具有成本低、效率高等优点。文献[11-13]采用数值模拟法，针对不同风险源，分析研究某地铁站区间盾构下穿建筑物地表沉降的规律，总结了桥桩沉降和内力变化特点。文献[14]采用三维数值分析软件FLAC3D模拟研究不同土质下隧道埋深对地表沉降的影响，分析了盾构周边各区域内的结构位移和应变。

为研究盾构下穿既有建筑物引起的地表和上部建筑物的沉降变形规律，本文依托福州某地铁隧道盾构下穿文化街项目，采取全过程分阶段风险控制措施，并建立三维数值模型，分析沉降规律，将模拟结果与实测结果进行比较，验证数值模拟的可靠性，以便为类似隧道盾构下穿既有建筑物项目的施工提供参考。

1 盾构近接施工区既有建筑物的防护

为控制盾构下穿施工对近接施工区域既有建筑物结构沉降的影响，应对该区的既有结构物进行防护。

1.1 调查、评估

施工前，应调查近接施工区建筑物的产权单位、建设年代、结构形式、结构层数(包括地上和地下)、基础形式、基础埋深等。根据设计施工图，利用测量放线，放出近接施工区建筑物的隧道中线在路面上的实际位置，确定隧道与近接施工区建筑物的平面关系与垂直关系。对近接施工区建筑物进行评估，确定危险等级，编制建筑物结构调查及评估报告。

1.2 地层空洞超前探测

为避免施工前存在的地层缺陷和因施工干扰产生的地层隐患造成的地质灾害，施工前对盾构近接施工区地层进行超前探测。采用探地雷达进行地层超前探测的操作流程为：根据监测点的位置，沿隧道中线及中线左、右两侧2 m处各布置一条测线，确保精确探测到盾构近接施工区域内的地层特性；对道路、管道、各种建筑物基层以下的各类土层进行探测，根据探测对象产生的反射波形状和强度，确定探测参数；根据预先确定的不同结构、物质反射波的强度和波形，分析雷达图像并提供检测结果和建议，形成最终的检测报告。

1.3 施工前加固处理

依据对既有建筑物结构调查及评估报告和探地雷达探测报告，确定是否实施加固、处理以及实施的范围。若有需要，可以采用双液注浆技术及时对地层进行加固处理，抑制地层沉陷。

1.4 施工过程数值模拟

结合以往数值模拟经验、施工图设计、岩土勘察和雷达探测报告、建筑物结构调查评估报告以及试验段确定的施工参数和地表沉降数据等，确定计算参数，建立盾构近接施工的计算模型。编制盾构近接施工数值模拟报告，并给出施工建议。

1.5 施工过程控制

1.5.1 施工前预防措施

依据工程概况，理论计算和室内的试验结果，结合100 m试验段掘进情况，确定盾构施工的关键参数，例如出土量、土压力、注浆压力、同步注浆量等。注浆液中水泥、粉煤灰、膨润土、砂、水的质量比为100：450：60：600：500。对盾构机及其配套设备进行全面、彻底的检修，对可能产生的故障预先做好应急预案，确保盾构机24 h连续、匀速推进或尽量缩短停机时间，减少因长时间停机导致建筑物产生沉降、裂缝等。配备充足的管理人员和施工人员，保证人不离岗。与施工物资供货商签订协议，确保物资供应的连续性。将盾构机的姿态调整到最佳状态，复测隧道内的测量控制网、地面控制点及井下测量控制点，确认无误后，根据测得的盾构机姿态，将盾构机轴线误差调整到小于10 mm，保证盾构机以准确的姿态推进[15]。

1.5.2 施工中控制措施

盾构机掘进中，将轴线高程或平面偏差控制在30 mm以内，避免不必要的大纠偏对周围土体的扰动[16]。结合对每环土样的地质情况分析，及时调整掘进参数。严格控制出土量，防止超排，避免因此造成周围存在空洞或形成地层隐患。采用同步注浆量和同步注浆压力控制双重控制标准，以确保节段后面孔隙填充的致密性。指派专人每天24 h进行检查，监测注浆量和注浆压力，如果发现任何异常，根据情况采取适当的措施进行处理。

1.5.3 施工后控制措施

继续对盾构近接施工区进行监控量测，直至沉降速度≤5 mm/d，发现异常状况，立即采取措施进行处理[17]。

2 工程实例

以福州地铁某线隧道盾构施工为例，阐述其盾构近接施工区的防护措施，通过数值模拟分析盾构近接施工区地表和建筑物结构的沉降变形情况。

2.1 工程概况与风险评估

福州地铁某线隧道盾构施工区域位于主干道梁厝路下方，东西方向下穿文化街，周边遍布居民住宅，沿线电力、电信、雨水、污水、燃气、路灯、军用电缆等地下管道线路众多，且工程地质条件复杂，土质软硬不均、地下水丰富，故下穿文化街的盾构施工存在一定风险，需采取有效措施对盾构近接施工区的文化街进行防护。

文化街建成于2005年，结构基础底面在小里程端和大里程端距离隧道顶部仅为5.2 m和6.1 m。文化街位于繁华的梁厝路下方，沿梁厝路方向长约102.65 m，垂直于梁厝路方向宽约32 m，为地下两层钢筋混凝土结构。文化街与盾构隧道的结构关系如图1所示(图1b)中的A、B、C、D、E点为沉降观测点)。

a)平面图 b)横断面图图1 文化街与盾构隧道的结构关系

盾构隧道顶部与文化街基础之间的距离小于1倍的隧道掘进直径(6.16 m)；文化街基础为柱下独立基础，整体性差，对不均匀沉降敏感，且双线隧道的中线位于结构柱正下方；结构建成至现在已近15 a，建成时间较久；文化街内商贩林立、人员众多，往返不断；文化街位于城市繁华区主要交通干道——梁厝路下方。因此，下穿文化街盾构施工为I级风险项目。

2.2 文化街附近地层空洞探测情况

采用探地雷达探测，下穿区间文化街南北两端外8 m、梁厝路东西两侧宽32 m，地面以下4 m范围内存在土层脱落空区。

2.3 文化街附近地层的加固处理

施工前采取双液注浆的方式进行加固处理。加固平面范围为文化街周围，两端外8 m，两侧外4 m，如图2所示。加固深度为12.5 m(文化街基础以下1 m)。试验段注浆参数：注浆压力为0.3 MPa，注浆量为理论注浆量的1.5倍，浆液初凝时间为20～30 s；水灰比为1.5；水玻璃与水泥浆的体积比为0.35，水玻璃的密度为1.19～1.22 g/cm3。

图2 土层脱空区加固平面图

2.4 盾构下穿文化街数值模拟

施工前，对盾构下穿文化街施工过程进行数值模拟。考虑盾构施工过程引起地层运动的时空效应，本文采用FLAC3D建立数值分析模型，分析盾构施工引起的地表沉降和建筑物沉降等分布规律，验证模拟参数取值是否合理。

2.4.1 建立模型

岩土物理学参数按物理力学指标选取，具体参数如表1所示。

表1 岩土物理力学指标

模型尺寸的选取应考虑盾构隧道施工扰动文化街建筑的影响范围，模型长度为100 m，宽度为90 m，高度为50 m，三维网格模型如图3所示，模型共计104 150个单元，87 650个网格点。计算模型考虑了空间效应、开挖、结构加固、地层加固、边界效应等多因素影响[18]。

图3 盾构下穿文化街数值分析模型

注浆压力、注浆量等参数均采用试验段的参数，下穿模拟完成后沉降位移如图4所示(图中数字的单位为mm)。

a)左线 b) 右线图4 盾构下穿文化街沉降位移云图

由图4可以看出：双线隧道盾构下穿建筑物时，左、右线会对上方地表和建筑物产生沉降影响，地表最大沉降为5.5 mm，建筑结构最大沉降为4.9 mm，由于沉降产生的叠加效应，使图1中观测点C的地表沉降和结构沉降最大，而隧道下穿线路建筑物正上方时，由于已进行有效加固措施，沉降较小。

根据文献[19]的要求，下穿铁路地面沉降≤10 mm，建筑结构沉降≤5 mm，本文的数值模拟结果符合设计要求。

(1)开课前的准备：开课前，根据教学目标制定符合混合式教学的教学任务，进行知识点的整体划分，为每个知识点编写教学目标。初步进行网络教学平台的建设，发布课程介绍、教学大纲、授课计划、教师信息、课程通知，对选课学生、教学权限进行管理，完善试题试卷库和常见问题库。同时，搜集教学视频或录制微课。

2.4.2 沉降模拟结果与实测结果对比分析

根据监测方案，在文化街布置A、B、C、D、E5个沉降监测点，如图1b)所示，测量各点的结构沉降和地表沉降，并与数值模拟的结果进行对比，如表2所示。

由表2可知：数值模拟得到的沉降结果接近实际监测结果，验证了计算模型的可靠性。

表2 盾构下穿文化街测点实测与模拟沉降对比 mm

2.5 盾构下穿文化街的过程控制

2.5.1 下穿前预防措施

1)增设试验段。下穿前100 m范围内进行试验掘进，确定切实可行的技术参数和措施。

2)设备检修。对盾构机及其它辅助设备进行彻底检修，保证掘进工作顺利运行。

3)复测。对隧道内的所有测量控制点进行全面复测，并将盾构轴线误差调整到小于10 mm[20]，尽可能减小隧道下穿过程中因测量误差造成的不利影响。

2.5.2 下穿时加固措施

图5 地面注浆工艺流程

2)选取合适的注浆压力控制每孔注浆量，如果压力太小将无法有效的加固填充缝隙，压力过大则会引起地面的隆起，所以压力控制设定为2～4 MPa，则每孔注浆量

Q=πR2Hηαβ，

式中：R为浆液扩散半径，R=0.5～1.0 m；H为小导管有效长度；η为土体孔隙率；α为注浆系数，α=0.7～0.9；β为浆液损耗系数，β=1.1～1.4。

注浆顺序由中心到顶部进行，注浆压力达到设定压力范围后观察30 min，如压力下降，继续进行注浆，当压力不再下降时，关闭灌浆端阀门，每孔浆液注入量约为4 m3。在盾构开挖面前方1.5 m上部形成约为120°范围的混凝土保护层，保护上方土体不坍塌，从而确保安全开仓更换刀具。超前注浆示意图如图6所示。

图6 超前注浆示意图

3)跟踪注浆，每2 h监测一次，如有必要，增加监测频率，及时给予反馈，并根据反馈调整注浆量。注浆必须按程序进行，每部分的注浆量必须准确，并且注浆压力必须由专人严格控制和操作[21]。

4)合理布置测点，确定监测频率。

5)采用探地雷达对下穿施工进行全过程跟踪探测。

2.5.3 下穿后控制措施

1)继续对施工区段进行监控量测，直至沉降速度收敛。

2)及时对盾构上方120°范围的地层进行二次补浆或多次补浆，采取地表注浆加固[22-27]。

3 结语

1)本文通过建立数值仿真模型，对盾构掘进时下穿文化街的地表和建筑结构沉降进行数值模拟，分析了盾构施工对建筑物和地表沉降的影响。双线施工完成且沉降稳定后，结构最大沉降为4.9 mm，地表最大沉降为5.5 mm，满足标准要求。

2)盾构下穿文化街数值模拟中结构及地表的最大沉降的位置与实测最大沉降的位置相同。数值模拟结果和实际监测结果的沉降大小分布规律基本一致，证明数值模拟参数取值合理，进一步验证了数值模拟的可靠性。

3)实测结构沉降和地表沉降均在可控范围内，表明下穿前的预防措施和下穿过程中的加固措施效果明显。下穿前采用双液注浆法对文化街附近地层的加固有效抑制了地表沉降；下穿时采用同步注浆量和同步注浆压力控制双重控制标准，确保了节段后面孔隙填充的致密性，并根据地面实时监测的沉降情况，及时调整注浆压力和注浆量，有效减少了施工中的地表和建筑结构沉降。