韓偉，王余鵬，石端文

1.福建林業(yè)職業(yè)技術學院， 福建 南平 353000； 2.中鐵第四勘察設計院集團有限公司， 湖北 武漢 430000

0 引言

地鐵盾構施工不可避免會穿越城市建筑物下部結構或其鄰近區(qū)域，下穿施工擾動了原有土層，使施工近接區(qū)的地層、地表及建筑物產生一定的沉降變形，影響既有建筑物的使用壽命，危及人們的生命安全，對城市地鐵隧道工程建設產生負面影響，因此，在盾構施工中，近接建筑物防護技術的系統(tǒng)化和完善愈來愈重要。

目前對沉降變形的控制和計算方法主要有理論法、試驗法、數(shù)值模擬法、現(xiàn)場實測分析法等。文獻[1-4]從理論上研究盾構行進中對土層的影響，分析雙線盾構隧道施工引起的地層沉降規(guī)律。文獻[5-10]通過注漿試驗，從壁后注漿、同步注漿及雙液注漿角度分析隧道施工對建筑基礎的影響，得到注漿壓力、注漿量等參數(shù)對地面沉降的影響，將數(shù)值模擬結果和現(xiàn)場監(jiān)測結果進行比對，驗證了數(shù)值模擬的可靠性，指出數(shù)值模擬法具有成本低、效率高等優(yōu)點。文獻[11-13]采用數(shù)值模擬法，針對不同風險源，分析研究某地鐵站區(qū)間盾構下穿建筑物地表沉降的規(guī)律，總結了橋樁沉降和內力變化特點。文獻[14]采用三維數(shù)值分析軟件FLAC3D模擬研究不同土質下隧道埋深對地表沉降的影響，分析了盾構周邊各區(qū)域內的結構位移和應變。

為研究盾構下穿既有建筑物引起的地表和上部建筑物的沉降變形規(guī)律，本文依托福州某地鐵隧道盾構下穿文化街項目，采取全過程分階段風險控制措施，并建立三維數(shù)值模型，分析沉降規(guī)律，將模擬結果與實測結果進行比較，驗證數(shù)值模擬的可靠性，以便為類似隧道盾構下穿既有建筑物項目的施工提供參考。

1 盾構近接施工區(qū)既有建筑物的防護

為控制盾構下穿施工對近接施工區(qū)域既有建筑物結構沉降的影響，應對該區(qū)的既有結構物進行防護。

1.1 調查、評估

施工前，應調查近接施工區(qū)建筑物的產權單位、建設年代、結構形式、結構層數(shù)(包括地上和地下)、基礎形式、基礎埋深等。根據設計施工圖，利用測量放線，放出近接施工區(qū)建筑物的隧道中線在路面上的實際位置，確定隧道與近接施工區(qū)建筑物的平面關系與垂直關系。對近接施工區(qū)建筑物進行評估，確定危險等級，編制建筑物結構調查及評估報告。

1.2 地層空洞超前探測

為避免施工前存在的地層缺陷和因施工干擾產生的地層隱患造成的地質災害，施工前對盾構近接施工區(qū)地層進行超前探測。采用探地雷達進行地層超前探測的操作流程為：根據監(jiān)測點的位置，沿隧道中線及中線左、右兩側2 m處各布置一條測線，確保精確探測到盾構近接施工區(qū)域內的地層特性；對道路、管道、各種建筑物基層以下的各類土層進行探測，根據探測對象產生的反射波形狀和強度，確定探測參數(shù)；根據預先確定的不同結構、物質反射波的強度和波形，分析雷達圖像并提供檢測結果和建議，形成最終的檢測報告。

1.3 施工前加固處理

依據對既有建筑物結構調查及評估報告和探地雷達探測報告，確定是否實施加固、處理以及實施的范圍。若有需要，可以采用雙液注漿技術及時對地層進行加固處理，抑制地層沉陷。

1.4 施工過程數(shù)值模擬

結合以往數(shù)值模擬經驗、施工圖設計、巖土勘察和雷達探測報告、建筑物結構調查評估報告以及試驗段確定的施工參數(shù)和地表沉降數(shù)據等，確定計算參數(shù)，建立盾構近接施工的計算模型。編制盾構近接施工數(shù)值模擬報告，并給出施工建議。

1.5 施工過程控制

1.5.1 施工前預防措施

依據工程概況，理論計算和室內的試驗結果，結合100 m試驗段掘進情況，確定盾構施工的關鍵參數(shù)，例如出土量、土壓力、注漿壓力、同步注漿量等。注漿液中水泥、粉煤灰、膨潤土、砂、水的質量比為100：450：60：600：500。對盾構機及其配套設備進行全面、徹底的檢修，對可能產生的故障預先做好應急預案，確保盾構機24 h連續(xù)、勻速推進或盡量縮短停機時間，減少因長時間停機導致建筑物產生沉降、裂縫等。配備充足的管理人員和施工人員，保證人不離崗。與施工物資供貨商簽訂協(xié)議，確保物資供應的連續(xù)性。將盾構機的姿態(tài)調整到最佳狀態(tài)，復測隧道內的測量控制網、地面控制點及井下測量控制點，確認無誤后，根據測得的盾構機姿態(tài)，將盾構機軸線誤差調整到小于10 mm，保證盾構機以準確的姿態(tài)推進[15]。

1.5.2 施工中控制措施

盾構機掘進中，將軸線高程或平面偏差控制在30 mm以內，避免不必要的大糾偏對周圍土體的擾動[16]。結合對每環(huán)土樣的地質情況分析，及時調整掘進參數(shù)。嚴格控制出土量，防止超排，避免因此造成周圍存在空洞或形成地層隱患。采用同步注漿量和同步注漿壓力控制雙重控制標準，以確保節(jié)段后面孔隙填充的致密性。指派專人每天24 h進行檢查，監(jiān)測注漿量和注漿壓力，如果發(fā)現(xiàn)任何異常，根據情況采取適當?shù)拇胧┻M行處理。

1.5.3 施工后控制措施

繼續(xù)對盾構近接施工區(qū)進行監(jiān)控量測，直至沉降速度≤5 mm/d，發(fā)現(xiàn)異常狀況，立即采取措施進行處理[17]。

2 工程實例

以福州地鐵某線隧道盾構施工為例，闡述其盾構近接施工區(qū)的防護措施，通過數(shù)值模擬分析盾構近接施工區(qū)地表和建筑物結構的沉降變形情況。

2.1 工程概況與風險評估

福州地鐵某線隧道盾構施工區(qū)域位于主干道梁厝路下方，東西方向下穿文化街，周邊遍布居民住宅，沿線電力、電信、雨水、污水、燃氣、路燈、軍用電纜等地下管道線路眾多，且工程地質條件復雜，土質軟硬不均、地下水豐富，故下穿文化街的盾構施工存在一定風險，需采取有效措施對盾構近接施工區(qū)的文化街進行防護。

文化街建成于2005年，結構基礎底面在小里程端和大里程端距離隧道頂部僅為5.2 m和6.1 m。文化街位于繁華的梁厝路下方，沿梁厝路方向長約102.65 m，垂直于梁厝路方向寬約32 m，為地下兩層鋼筋混凝土結構。文化街與盾構隧道的結構關系如圖1所示(圖1b)中的A、B、C、D、E點為沉降觀測點)。

a)平面圖 b)橫斷面圖圖1 文化街與盾構隧道的結構關系

盾構隧道頂部與文化街基礎之間的距離小于1倍的隧道掘進直徑(6.16 m)；文化街基礎為柱下獨立基礎，整體性差，對不均勻沉降敏感，且雙線隧道的中線位于結構柱正下方；結構建成至現(xiàn)在已近15 a，建成時間較久；文化街內商販林立、人員眾多，往返不斷；文化街位于城市繁華區(qū)主要交通干道——梁厝路下方。因此，下穿文化街盾構施工為I級風險項目。

2.2 文化街附近地層空洞探測情況

采用探地雷達探測，下穿區(qū)間文化街南北兩端外8 m、梁厝路東西兩側寬32 m，地面以下4 m范圍內存在土層脫落空區(qū)。

2.3 文化街附近地層的加固處理

施工前采取雙液注漿的方式進行加固處理。加固平面范圍為文化街周圍，兩端外8 m，兩側外4 m，如圖2所示。加固深度為12.5 m(文化街基礎以下1 m)。試驗段注漿參數(shù)：注漿壓力為0.3 MPa，注漿量為理論注漿量的1.5倍，漿液初凝時間為20～30 s；水灰比為1.5；水玻璃與水泥漿的體積比為0.35，水玻璃的密度為1.19～1.22 g/cm3。

圖2 土層脫空區(qū)加固平面圖

2.4 盾構下穿文化街數(shù)值模擬

施工前，對盾構下穿文化街施工過程進行數(shù)值模擬。考慮盾構施工過程引起地層運動的時空效應，本文采用FLAC3D建立數(shù)值分析模型，分析盾構施工引起的地表沉降和建筑物沉降等分布規(guī)律，驗證模擬參數(shù)取值是否合理。

2.4.1 建立模型

巖土物理學參數(shù)按物理力學指標選取，具體參數(shù)如表1所示。

表1 巖土物理力學指標

模型尺寸的選取應考慮盾構隧道施工擾動文化街建筑的影響范圍，模型長度為100 m，寬度為90 m，高度為50 m，三維網格模型如圖3所示，模型共計104 150個單元，87 650個網格點。計算模型考慮了空間效應、開挖、結構加固、地層加固、邊界效應等多因素影響[18]。

圖3 盾構下穿文化街數(shù)值分析模型

注漿壓力、注漿量等參數(shù)均采用試驗段的參數(shù)，下穿模擬完成后沉降位移如圖4所示(圖中數(shù)字的單位為mm)。

a)左線 b) 右線圖4 盾構下穿文化街沉降位移云圖

由圖4可以看出：雙線隧道盾構下穿建筑物時，左、右線會對上方地表和建筑物產生沉降影響，地表最大沉降為5.5 mm，建筑結構最大沉降為4.9 mm，由于沉降產生的疊加效應，使圖1中觀測點C的地表沉降和結構沉降最大，而隧道下穿線路建筑物正上方時，由于已進行有效加固措施，沉降較小。

根據文獻[19]的要求，下穿鐵路地面沉降≤10 mm，建筑結構沉降≤5 mm，本文的數(shù)值模擬結果符合設計要求。

(1)開課前的準備：開課前，根據教學目標制定符合混合式教學的教學任務，進行知識點的整體劃分，為每個知識點編寫教學目標。初步進行網絡教學平臺的建設，發(fā)布課程介紹、教學大綱、授課計劃、教師信息、課程通知，對選課學生、教學權限進行管理，完善試題試卷庫和常見問題庫。同時，搜集教學視頻或錄制微課。

2.4.2 沉降模擬結果與實測結果對比分析

根據監(jiān)測方案，在文化街布置A、B、C、D、E5個沉降監(jiān)測點，如圖1b)所示，測量各點的結構沉降和地表沉降，并與數(shù)值模擬的結果進行對比，如表2所示。

由表2可知：數(shù)值模擬得到的沉降結果接近實際監(jiān)測結果，驗證了計算模型的可靠性。

表2 盾構下穿文化街測點實測與模擬沉降對比 mm

2.5 盾構下穿文化街的過程控制

2.5.1 下穿前預防措施

1)增設試驗段。下穿前100 m范圍內進行試驗掘進，確定切實可行的技術參數(shù)和措施。

2)設備檢修。對盾構機及其它輔助設備進行徹底檢修，保證掘進工作順利運行。

3)復測。對隧道內的所有測量控制點進行全面復測，并將盾構軸線誤差調整到小于10 mm[20]，盡可能減小隧道下穿過程中因測量誤差造成的不利影響。

2.5.2 下穿時加固措施

圖5 地面注漿工藝流程

2)選取合適的注漿壓力控制每孔注漿量，如果壓力太小將無法有效的加固填充縫隙，壓力過大則會引起地面的隆起，所以壓力控制設定為2～4 MPa，則每孔注漿量

Q=πR2Hηαβ，

式中：R為漿液擴散半徑，R=0.5～1.0 m；H為小導管有效長度；η為土體孔隙率；α為注漿系數(shù)，α=0.7～0.9；β為漿液損耗系數(shù)，β=1.1～1.4。

注漿順序由中心到頂部進行，注漿壓力達到設定壓力范圍后觀察30 min，如壓力下降，繼續(xù)進行注漿，當壓力不再下降時，關閉灌漿端閥門，每孔漿液注入量約為4 m3。在盾構開挖面前方1.5 m上部形成約為120°范圍的混凝土保護層，保護上方土體不坍塌，從而確保安全開倉更換刀具。超前注漿示意圖如圖6所示。

圖6 超前注漿示意圖

3)跟蹤注漿，每2 h監(jiān)測一次，如有必要，增加監(jiān)測頻率，及時給予反饋，并根據反饋調整注漿量。注漿必須按程序進行，每部分的注漿量必須準確，并且注漿壓力必須由專人嚴格控制和操作[21]。

4)合理布置測點，確定監(jiān)測頻率。

5)采用探地雷達對下穿施工進行全過程跟蹤探測。

2.5.3 下穿后控制措施

1)繼續(xù)對施工區(qū)段進行監(jiān)控量測，直至沉降速度收斂。

2)及時對盾構上方120°范圍的地層進行二次補漿或多次補漿，采取地表注漿加固[22-27]。

3 結語

1)本文通過建立數(shù)值仿真模型，對盾構掘進時下穿文化街的地表和建筑結構沉降進行數(shù)值模擬，分析了盾構施工對建筑物和地表沉降的影響。雙線施工完成且沉降穩(wěn)定后，結構最大沉降為4.9 mm，地表最大沉降為5.5 mm，滿足標準要求。

2)盾構下穿文化街數(shù)值模擬中結構及地表的最大沉降的位置與實測最大沉降的位置相同。數(shù)值模擬結果和實際監(jiān)測結果的沉降大小分布規(guī)律基本一致，證明數(shù)值模擬參數(shù)取值合理，進一步驗證了數(shù)值模擬的可靠性。

3)實測結構沉降和地表沉降均在可控范圍內，表明下穿前的預防措施和下穿過程中的加固措施效果明顯。下穿前采用雙液注漿法對文化街附近地層的加固有效抑制了地表沉降；下穿時采用同步注漿量和同步注漿壓力控制雙重控制標準，確保了節(jié)段后面孔隙填充的致密性，并根據地面實時監(jiān)測的沉降情況，及時調整注漿壓力和注漿量，有效減少了施工中的地表和建筑結構沉降。