張鳳龍

(津濱城際鐵路有限責任公司，天津 300450)

0 引言

濱海地區(qū)地下工程一般位于地層的淺層，而這一地層大多以淤泥質土為主，靈敏度高，強度低，極易發(fā)生蠕動和擾動。盾構在掘進過程中對地層的擾動相對較大，對其周邊建筑物的影響是客觀存在的，尤其是大直徑盾構在濱海地區(qū)地層中掘進，影響更為明顯。為避免過量變形對建筑物的結構產生破壞，必須采取合理的措施對建筑物進行保護。

一般來說，保護措施分為地面措施和洞內措施兩大類，地面措施包括直接針對建筑物進行結構加固的措施、針對建筑物基礎的加固措施以及隔離防護措施等;洞內措施包括合理控制盾構掘進參數(shù)、合理實施同步注漿、及時進行二次(多次)注漿以及深孔二次注漿等。實際施工中，必須根據(jù)建筑物與隧道的位置關系、建筑物的結構形式、允許變形值以及土體性質、土體變形狀況等方面的情況，并綜合考慮環(huán)境條件，選用合適的加固方式。

在京津城際延伸線，采用了在盾構到達前進行地面預注漿加固、盾構通過時調整控制施工參數(shù)，并進行合理的同步注漿和二次注漿、盾構通過后及時進行地面跟蹤補償注漿和洞內深孔注漿等措施，對鄰近建筑物進行全過程保護，效果良好。

1 工程概況

1．1 隧道的地理位置及設計

京津城際延伸線是構建濱海新區(qū)與北京、天津快速便捷通道，自天津站引出，并行津秦客運專線，經塘沽站，向南引入濱海新區(qū)商務核心區(qū)于家堡，線路全長45 km，按照時速350 km/h 標準建設。為保護環(huán)境、降低對城市的影響，線路在塘沽站和于家堡站間采用地下隧道的形式，單洞雙線，用一臺直徑為12 m的氣墊式泥水平衡盾構機施工。

盾構機總長50 m，主機長11．88 m，主機及其后配套設備總質量約1 600 t，裝機總功率為3 960 kW，最大總推力14 萬kN，最大掘進速度60 mm/min，最小轉彎半徑350 m，盾構機總體采用法國NFM 技術制造。

1．2 工程地質及水文地質

盾構隧道覆土厚度8 ～16 m，主要為全新統(tǒng)人工填土、淤泥質黏土、淤泥質粉質黏土等;隧道開挖范圍內主要為粉質黏土、粉土、淤泥質黏土等。淤泥質黏土與淤泥質粉質黏土呈黑灰色、流塑狀態(tài)，土體較敏感，雜填土以建筑垃圾為主，松散，夾大量小石塊。土壤最大凍結深度0．7 m;標準凍結深度0．6 m。地下水受基底構造、地層巖性和地形、地貌、氣象以及海進、海退等綜合因素的影響，水文地質條件較復雜。表層地下水類型為第四系孔隙潛水。賦存于第Ⅱ陸相層及以下粉砂及粉土的地下水具有微承壓性，為微承壓水。

1．3 地面環(huán)境

盾構隧道縱貫整個解放路商業(yè)街，約占掘進總長的2/3，商業(yè)街兩側為多種形式緊密排列的高層建筑物，部分建筑物建成時間至今已超過30 a。

據(jù)清華大學對盾構沿線建筑物的結構現(xiàn)狀的檢測鑒定，沿線建筑物的允許沉降值15 ～100 mm，允許差異沉降值4 ～14 mm，經評定，風險點共有26 處，其中，極高風險點8 處，高度風險點5 處，中度風險點11處，在盾構施工期間，必須采取措施對風險點建筑物進行保護。受環(huán)境條件的制約，傳統(tǒng)的保護方法均無法實施，如何根據(jù)風險點的特點和環(huán)境條件對建筑物實施合理的保護，是工程的一大難點。

2 對建筑物的保護措施及沉降控制

2．1 地面沉降原因

大直徑泥水盾構施工引起地面沉降的原因主要來自以下3 個方面:

(1)超挖引起地面沉降。主要包括盾構機結構尺寸引起的超挖和糾偏引起的超挖。從盾構機結構方面來看，刀盤直徑為11．97 m，前盾直徑為11．87 m，尾盾直徑為11．8 m，管片外徑為11．6 m;對于糾偏來說，盾構在曲線中掘進，或糾偏掘進過程中，實際開挖斷面不是圓形而是橢圓形，造成實際開挖大于設計尺寸。

(2)地層固結引起地面沉降。由于盾構掘進過程中擠壓作用和盾尾注漿作用等因素，使周圍地層形成超孔隙水壓區(qū)，需經過一段時間后才能消散復原，在此過程中因地層發(fā)生排水固結變形引起地面沉降。

(3)地層損失引起地面沉降。主要包括開挖面土體的移動、盾尾空隙引起的沉降以及襯砌變形和沉降三個方面。第一，當隧道掘進時，開挖面土體的水平支護應力可能大于或小于原始側壓力，開挖面前方土體會產生隆起或下沉。第二，由于向盾尾后面隧道外圍建筑空隙中壓漿不及時、注漿量不足、壓漿壓力不易把握等原因，使盾尾后坑道周邊土體失去原始三維平衡狀態(tài)，引起地層損失。第三，在土壓力作用下，隧道襯砌產生的變形也會引起少量地層損失，當隧道襯砌沉降較大時會引起不可忽略的地層損失。

2．2 沉降趨勢及沉降量預測

沉降預測對于制定合理的保護措施具有重要的意義。對于沉降趨勢及沉降量預測主要有經驗公式法、離心模型試驗和有限元法。就目前研究狀況而言，不論何種預測方法都有其局限性，經驗公式法較為便捷，但預測結果準確性相對較差，離心模型試驗和有限元法準確性較經驗公式要高，但操作較為復雜，不便于普遍推廣運用。同時，由于盾構施工中，地層的復雜性、盾構掘進參數(shù)及注漿參數(shù)的多變性，也更增加了采用離心模型試驗和有限元法預測工作的難度。因此，經驗公式法在實際施工中運用較為廣泛，目前國內較為準確地預測公式大多是在Peck 公式的基礎上修正的。根據(jù)日本國內1965 年以來所發(fā)表的文獻整理的74 例因盾構施工產生的沉降槽的事例，與Peck 的沉降槽驚人的一致，我國對北京、上海等地區(qū)的盾構工程實例也進行了分析，其沉降槽也與Peck 完全相符。P．B．Peck 提出的描述盾構施工地表沉降的公式為

式中，S(x)為地面沉降量沿橫向的分布;x 為所求沉降點距盾構中心線的水平距離;δmax為沿盾構掘進中線的最大地面沉降。

式中，vs為地面沉降體積;i 為沉降槽寬度系數(shù)，i = H/［tan(45° - φ/2)］;φ 為各土層加權平均后的摩擦角;H 為地面至隧道中心的深度。

因此，在京津城際延伸線，也主要采用了較為方便的Peck 公式進行預測，并且通過施工監(jiān)測，對預測結果進行驗證和修正后，用于指導后期施工及對建筑物的保護，操作簡單，效果較好。

2．3 沉降階段劃分及各階段沉降量統(tǒng)計

對盾構施工引起的沉降劃分階段，并估算各階段沉降值所占比例，對于分析了解各種因素引起的地表沉降機理和制定應對措施非常重要。一般來說，盾構施工地表沉降可劃分為5 個階段，即盾構到達前地表沉降、盾構到達時地表沉降、盾構通過時地表沉降、盾尾沉降和后續(xù)沉降。對于不同的地層、不同類型的盾構、不同的埋深以及不同的環(huán)境條件所引起的各階段沉降量是各不相同的。在京津城際延伸線，12 m 大直徑泥水盾構位于成分相對復雜的淤泥質地層，埋深8 ～16 m，盾構上方為城市交通主干道或步行街，其早期施工地面沉降分階段統(tǒng)計情況如表1。

表1 盾構施工地表沉降分階段統(tǒng)計 mm

從控制沉降的措施方面來說，前方沉降、開挖面沉降、通過沉降和盾尾沉降這四個階段的沉降占總沉降量的76．01%，是必須通過地面加固的方式來控制的，如果洞內措施能及時跟進，可對地面加固的效果予以補充;后續(xù)沉降占總沉降量的23．99%，則可以通過洞內加固的方式來控制。

2．4 保護措施思路的確定

保護措施是根據(jù)預測結果并結合沉降原因，同時考慮各階段沉降量來制定的。

通常，選擇對建筑物的保護措施會優(yōu)先考慮洞內措施，但洞內措施是帶有滯后性特點的。由于濱海地區(qū)地質條件的特殊性，地面變形過于敏感，同時基于對沉降原因的分析對沉降趨勢的預測和對沉降階段的統(tǒng)計，因此，單純的洞內措施滿足不了對建筑物保護的要求，濱海地區(qū)大直徑盾構施工對建筑物的保護必須采取地面措施。地面措施主要有兩種作用效果:第一，完全抵抗地層變形對建筑物的影響，即不允許建筑物產生絲毫變形，盾構施工不能對建筑物產生影響。第二，在可承受范圍內，接受地層變形對建筑物影響，然后進行控制和補償，即允許建筑物產生一定量的變形，然后再采取簡單易行的綜合措施控制住變形的進一步發(fā)展，使變形不再威脅建筑物的安全。相比而言，第二種作用效果操作較為靈活，受環(huán)境制約較小，且費用較低，但風險較大。

在京津城際延伸線，主要采用了第二種作用效果，對建筑物保護的總體思路是:首先通過采取地面措施，減緩地面及建筑物的變形，并確?？刂谱冃卧诳沙惺芊秶畠?，直至盾構通過并具備采取洞內措施的條件，然后，通過及時實施洞內措施對地層損失進行補償，從而控制地面及建筑物的進一步變形，或對變形較大的部位實施針對性回彈。

2．5 地面加固保護措施

傳統(tǒng)的地面措施一般有:對已有建筑物進行加固、對兩者中間地基采取隔斷、地基改良等三個方面。主要做法就是直接加固已有建筑物來提高剛度的方法、支承已有建筑物通過托換將支持層轉移到下部的方法等，以及地基強化、改良防護以及隔斷地基變形等。不論在何種情況下，地面措施的選取都必須考慮相鄰建筑物的密集程度、現(xiàn)場制約條件、既有建(構)筑物的重要程度以及地質條件等，綜合評價施工性、安全性、經濟性，以及對工期、環(huán)境影響等。采取的措施必須經濟合理，行之有效。在京津城際延伸線，由于受環(huán)境條件限制，最為可行的保護措施就是隔斷地基變形。而采用隔斷法也有多種形式，如鉆孔隔離樁、地下連續(xù)墻、冷凍法、注漿等等，經過充分比選，最終采用了目前被國內外公認為最可靠的注漿工法——袖閥管地面注漿法。主要做法為:在需要保護的建筑物與盾構隧道之間打設3 ～5 排注漿孔，排距0．5 m，孔距0．75 m，孔位呈梅花形布置，開孔直徑為110 mm，孔內預置Φ50 mm PVC 袖閥管。根據(jù)條件，注漿孔可直打，也可以設置一定角度斜打。袖閥管長度為至破裂面以下至少3 m。在盾構到達前，預先壓注水泥漿液。在盾構通過期間，根據(jù)地表和建筑物沉降的情況，實施跟蹤補充注漿。

在注漿材料側選擇上，對于普通水泥來說，因其顆粒較大，滲透能力有限，一般只能深入大于0．1 mm的裂隙。經注漿試驗取芯結果證明，在濱海淤泥質地層條件下，采用普通水泥注漿，漿液擴散很難控制，基本形成不了均勻的固結體。對于超細水泥，其化學成分與性質和水泥類似，其粒徑小于10 μm 占到90%以上，平均粒徑僅4 μm 左右，比表面積在600 ～800 m2/kg 以上，這一性質使超細水泥漿液具有良好的可注性。用超細水泥制備的漿液經過充分攪拌，具有良好的物理力學特性。漿液黏度在同樣水灰比的情況下比普通水泥漿液黏度低。漿液穩(wěn)定性好，齡期3 d 的結石強度可達25 MPa 以上，91 d 齡期可達62 MPa。注入能力與脲醛樹脂和木質素化學漿液相似，其強度卻遠高于這些化學材料。因此在注漿材料的選擇上，考慮到滲透固結效果，超細水泥是最為理想的，而普通水泥注漿形成的壓密、劈裂效果可對滲透固結產生的隔離效果予以加強，并在一定程度上降低成本。因此，采用了將兩種漿液結合的方式，即:靠近隧道一側的1 ～2 排壓注超細水泥，靠近建筑物一側的1 ～2 排壓注普通水泥。注漿系統(tǒng)如圖1 所示。

圖1 注漿系統(tǒng)示意圖

注漿施工要點如下:①嚴格按注漿配合比進行漿液配制，隨時量測漿液比重。②注漿過程中漿液要連續(xù)攪動，防止水泥沉淀。③每段注漿量必須準確控制。當壓力突然上升或漿液從孔壁、地面溢出時，應立即停止注漿。④注漿過程中，容易發(fā)生相鄰孔串漿地現(xiàn)象，這時，可關閉該串漿孔繼續(xù)注漿，若發(fā)生頻繁，應加大鉆孔與在注漿孔的間隔或鉆一孔注一孔，減少串漿現(xiàn)象。⑤注漿過程中，如跑、漏漿現(xiàn)象嚴重時，可通過間歇注漿或通過調整漿液配比縮短凝膠時間的方法進行封堵，無效時，暫停該孔注漿，分析原因后采取其它措施。⑥地面預注漿施工必須在盾構到達前30 d 完成。

2．6 洞內措施

經過地面預注漿加固的建筑物，比一般建筑物對變形的反應要滯后，且變形值大大減小，因此，地面注漿加固可在一定期間內保護建筑物的變形不會超出限值，保證建筑物的安全。根據(jù)京津城際延伸線統(tǒng)計，這一安全期間一般可達到8 d 以上，為進一步采取后續(xù)保護措施提供了可能(如果變形過快，后續(xù)措施就跟不上了)。但是，一旦后續(xù)措施長時間不能跟上，則后期徐變仍然會造成建筑物變形超限，因此，洞內措施作為控制后期徐變的主要措施及時跟進是非常必要的。洞內措施一般有控制盾構掘進參數(shù)、同步注漿、二次注漿、深孔加強注漿等，均為成熟技術，在此不做詳述。需指出的是，同步注漿是補償?shù)貙訐p失最及時最有效的措施，應充分重視同步注漿的漿液配合比的設計，有效發(fā)揮其填充作用。

3 實施效果

通過將多種措施合理運用，京津城際延伸線大直徑盾構隧道順利通過了多處風險點建筑物，按照清華大學對建筑物評估指標，最小允許差異沉降為4 mm，實際最大差異沉降為1．5 ～2．8 mm，且歷經6 d 以上的時間，建筑物安全可控。詳見表2。

表2 盾構已經過的風險點建筑物沉降情況統(tǒng)計

4 結束語

(1)盾構施工對建筑物的影響因素復雜，且很難準確預測，采用單一的保護措施，也很難達到理想的效果，比較可靠的方法就是多種措施結合進行全過程防護。

(2)大直徑盾構施工中對鄰近建筑物的安全風險主要來自于因土體擾動而導致的地層沉降，因此在保護措施的制定中沉降控制是關鍵。

(3)在進行保護措施設計時，應充分考慮沉降的時空效應，建筑物的變形到某一個限值一般會有一個過程，通過采取措施，將這一過程合理延長，可降低保護施工難度，節(jié)約工程成本。

(4)京津城際延伸線在施工前對建筑物進行了充分合理的評估，并充分分析原因、進行預測，為指導各項保護措施的制定和實施起到了關鍵的作用。

受條件制約，洞內措施可實施的保護措施比較單一，其技術已經趨于成熟，在業(yè)內也已形成共識，實際施工中只需將有關參數(shù)適當調整，即可有效實施。地面措施則有較大的實施空間，但受環(huán)境條件影響較大，對于每一處建筑物，都可以產生多種有效地保護措施，如何根據(jù)具體情況實施更加合理的保護，還需要長期的探索。

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