嚴(yán)佳梁

（上海城投公路投資集團(tuán)有限公司，上海市 200335）

0 引言

隨著城市的發(fā)展，市政交通基礎(chǔ)設(shè)施不可避免的會(huì)與居民區(qū)在平面上交會(huì)，在以往的建設(shè)過(guò)程中，這樣的交會(huì)通常以居民區(qū)的拆遷為前提，但隨著近年來(lái)房屋價(jià)格的攀升與市民物權(quán)意識(shí)的增強(qiáng)，居民區(qū)的拆遷往往耗資巨大，且時(shí)間不受控制。因此，以盾構(gòu)法為代表的暗挖法表現(xiàn)出了強(qiáng)大的應(yīng)用市場(chǎng)。但在軟土地區(qū)，盾構(gòu)法的使用一定會(huì)對(duì)一定范圍內(nèi)的軟土造成較大的擾動(dòng)，通常會(huì)使盾構(gòu)隧道正上方及側(cè)方一定范圍內(nèi)的地表出現(xiàn)一定的位移沉降，而且這種位移沉降與盾構(gòu)的直徑有很大的相關(guān)性[1-2]，當(dāng)該范圍內(nèi)有需要保護(hù)的建筑物時(shí)，如何采取必要的技術(shù)手段確保有關(guān)建筑物的安全顯得至關(guān)重要，國(guó)內(nèi)對(duì)于此項(xiàng)內(nèi)容的研究包括有數(shù)值模擬分析，實(shí)驗(yàn)研究與工程實(shí)踐[3-5]，本文以一個(gè)典型的實(shí)踐案例展開(kāi)分析。

1 案例背景

上海市“龍耀路越江隧道新建工程（濟(jì)陽(yáng)路至長(zhǎng)清路段）”總長(zhǎng)1.01 km，采用φ11 580 m m 大型泥水盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)，最大坡度4.95%，最小平面曲率半徑為750 m。盾構(gòu)線路正好下穿濟(jì)陽(yáng)二村等小區(qū)內(nèi)多幢建筑，穿越位置盾構(gòu)埋深10～17 m。其中隧道正上方建筑物共12 處，共計(jì)14 530 m2，其中民居住宅10 392 m2。考慮到盾構(gòu)推進(jìn)會(huì)對(duì)正上方有關(guān)建筑造成較大的影響，原計(jì)劃對(duì)隧道正上方房屋在盾構(gòu)施工前進(jìn)行預(yù)加固，但因維穩(wěn)問(wèn)題，預(yù)加固沒(méi)能實(shí)施，因此該項(xiàng)目的實(shí)施高度依賴于工程設(shè)計(jì)施工技術(shù)方案的可行性。

而該處盾構(gòu)范圍內(nèi)的居民房屋為上世紀(jì)80～90年代建造，房屋體形變化較多且不規(guī)則，均為淺基礎(chǔ)磚砌無(wú)柱局部圈梁結(jié)構(gòu)，傾斜率最大已達(dá)12.6‰，且存在較為嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)開(kāi)裂等情況，房屋檢測(cè)數(shù)據(jù)顯示，房屋具備該年代房屋的總體特性，整體性較差。另一方面，隧道位于粉質(zhì)砂土層，該土層觸變性及對(duì)變形的敏感性大，龍耀路一期施工時(shí)曾發(fā)生過(guò)多次地面沉降超過(guò)10 cm 的情況也驗(yàn)證了土層特性。兩個(gè)不利因素疊加，各方面專家都認(rèn)為大直徑盾構(gòu)穿越成片房屋難度及風(fēng)險(xiǎn)大。

針對(duì)上述情況，有關(guān)參建單位開(kāi)展了深入的研究，形成了數(shù)套相互配合的技術(shù)措施與管理方案，下面，將聚焦于技術(shù)措施展開(kāi)論述。

2 技術(shù)措施

2.1 設(shè)計(jì)方案優(yōu)化

對(duì)隧道線形進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化以減少影響范圍；線性調(diào)整分為兩個(gè)方面，一方面是對(duì)縱坡面的調(diào)整，另一方面為平面線型的調(diào)整。平面上，北線隧道平面曲線半徑R 為750 m，兩隧道凈距5.68 m（工作井處）～14.02 m，為減少盾構(gòu)穿越房屋區(qū)段施工引起的地面沉降范圍，首先考慮優(yōu)化南、北線隧道的平面距離，優(yōu)化后隧道凈距最大約為11.36 m（1 倍隧道直徑），優(yōu)化后北線隧道平面曲線半徑R 為700 m。同時(shí)，由于房屋最怕的不是均勻沉降而是不均勻沉降，通過(guò)前期大量的盾構(gòu)推進(jìn)數(shù)據(jù)積累研究發(fā)現(xiàn)，盾構(gòu)沉降槽范圍以內(nèi)與沉降槽范圍以外的沉降坡降非常明顯，因此應(yīng)該將盾構(gòu)線形盡量調(diào)整于房屋正下方，避免斜穿房屋一個(gè)角或半側(cè)的空間位置情況出現(xiàn)。

縱斷面方面，為減少盾構(gòu)施工的平面影響范圍，可考慮減少隧道埋深，以濟(jì)陽(yáng)路φ2 400 污水管和西營(yíng)路2 800 mm×2 000 mm 雨水管為控制點(diǎn)，隧道縱斷面最大上抬的幅度為3 m，但在地層損失率一定的前提下，地面沉降較大，同時(shí)影響范圍的減少有限，不能導(dǎo)致影響范圍內(nèi)房屋的減少。故不考慮調(diào)整縱斷面，維持現(xiàn)狀縱斷面。

考慮利于盾構(gòu)推進(jìn)期間的姿態(tài)控制，隧道豎曲線與平面曲線盡量不同時(shí)出現(xiàn)。

除上述線型優(yōu)化外，考慮如下設(shè)計(jì)技術(shù)措施，以利于控制周邊房屋沉降：

（1）襯砌環(huán)采用錯(cuò)縫拼裝型式，可減少隧道成型后襯砌環(huán)的變形。

（2）管片環(huán)與環(huán)之間設(shè)置2 cm 的凹凸榫，可有效控制隧道環(huán)與環(huán)之間的差異沉降，減少不均勻沉降對(duì)房屋的影響。

（3）管片接縫設(shè)置三元乙丙彈性橡膠密封墊，可有效控制接縫滲漏情況，避免隧道運(yùn)營(yíng)期間地下水流失而導(dǎo)致的房屋沉降。

（4）在穿越范圍內(nèi)采用設(shè)置增設(shè)注漿孔的管片，盾構(gòu)通過(guò)該地段后，根據(jù)地層變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行二次注漿。

2.2 施工設(shè)備改造

針對(duì)使用過(guò)的盾構(gòu)機(jī)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況，對(duì)盾構(gòu)的氣壓倉(cāng)、泥水系統(tǒng)、注漿系統(tǒng)等設(shè)備進(jìn)行改造以提升性能。

由于盾構(gòu)隧道主要切削的土層為④1層、④2－1層、④2－2層（承壓水層）、⑤1層，并且在整個(gè)盾構(gòu)隧道施工過(guò)程中，一個(gè)盾構(gòu)切削面內(nèi)同時(shí)存在上述四個(gè)土層，切口平衡較難控制。因此，保持開(kāi)挖面穩(wěn)定性的切削刀盤、切削土倉(cāng)中土壓力測(cè)量系統(tǒng)、泥水加壓系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)、泥水輸送系統(tǒng)等裝置及設(shè)備的適應(yīng)性設(shè)計(jì)是非常必要的。

為減小盾構(gòu)穿越重要建筑物過(guò)程中的切口波動(dòng)值，從而減少對(duì)正面土體的擾動(dòng)，本次盾構(gòu)機(jī)需增加氣壓補(bǔ)償裝置，增加了氣壓倉(cāng)自動(dòng)氣壓平衡控制功能；同步注漿采用6 點(diǎn)注漿12 根管路（具有備用管路6 根），共3 臺(tái)泵控制（每臺(tái)泵控制2 個(gè)點(diǎn)）。盾構(gòu)機(jī)中殼體前后設(shè)置的16 個(gè)注漿注入口對(duì)盾構(gòu)機(jī)外周土體進(jìn)行加固，防止本體磕頭或下沉；盾尾采用3道鋼絲刷+1 道鋼板刷，增加了10 個(gè)油脂注入口，同時(shí)增加一臺(tái)盾尾油脂泵，增加10 個(gè)高壓電動(dòng)球閥等配套設(shè)備，并對(duì)盾構(gòu)機(jī)PLC 程序及觸摸屏畫面進(jìn)行了修改。

2.3 盾構(gòu)推進(jìn)控制

盾構(gòu)推進(jìn)前，選取代表性斷面，采用有限元數(shù)值進(jìn)行了模擬分析，見(jiàn)圖1。計(jì)算預(yù)測(cè)南線穿越后的地表最大沉降為7.7 cm，北線穿越后的地表最大沉降為8.8 cm。而根據(jù)整理和收集的上海市以往的φ11.58 m 盾構(gòu)施工沉降數(shù)據(jù)分析，盾構(gòu)穿越時(shí)地層沉降一般控制尚可，但穿越后后期沉降均較大。因此，對(duì)于盾構(gòu)施工參數(shù)做了更為精確的把控。在經(jīng)過(guò)了多次組織盾構(gòu)推進(jìn)施工方案專家咨詢會(huì)論證后，主控參數(shù)及控制結(jié)果簡(jiǎn)述如下。

圖1 數(shù)值模擬南線隧道和北線隧道先后穿越之后的地表沉降曲線

（1）切口水壓

嚴(yán)格控制切口水壓力是至關(guān)重要的，需保證正面穩(wěn)定，并盡可能減少切口水壓的波動(dòng)。在實(shí)際操作中，南線推進(jìn)時(shí)，因?yàn)閾?dān)心房屋沉降，切口水壓最高達(dá)到了1.2γh，造成機(jī)頭前方土體隆起過(guò)大，且影響范圍擴(kuò)大，后期沉降時(shí)間長(zhǎng)，沉降量大；后在北線推進(jìn)時(shí)，降低了切口水壓，控制在0.67γh，反而得到了非常理想的效果。

（2）盾構(gòu)姿態(tài)控制

在該區(qū)段掘進(jìn)時(shí)，就必須嚴(yán)格控制盾構(gòu)姿態(tài)，避免較大幅度的糾偏，減小對(duì)土層的擾動(dòng)。但在實(shí)際的南線推進(jìn)過(guò)程中，盾構(gòu)出現(xiàn)了較大的抬頭情況，機(jī)頭中心線高程始終高于設(shè)計(jì)軸線20 cm 左右，雖然過(guò)程中進(jìn)行了糾偏，但是效果很不理想；后來(lái)在北線的推進(jìn)中，調(diào)整降低了切口壓力和注漿量，盾構(gòu)姿態(tài)得到了極大的提高，高程差距僅為±100 mm 以內(nèi)。也因此，北線推進(jìn)時(shí)的環(huán)境影響量要控制得好得多。

（3）掘進(jìn)速度

正常掘進(jìn)如推進(jìn)速度過(guò)快，則會(huì)引起正面土體擠壓過(guò)大。實(shí)際應(yīng)用下來(lái)，在此特定埋深穿過(guò)建筑時(shí)推進(jìn)速度控制在30 mm/min 效果最佳。

（4）襯砌拼裝

襯砌拼裝接縫密貼，環(huán)面平整，且與隧道軸線偏差不大，盾構(gòu)環(huán)縫基本沒(méi)有漏水、漏泥、漏漿現(xiàn)象，這對(duì)控制盾構(gòu)姿態(tài)也很關(guān)鍵。

（5）掘削量控制

盾構(gòu)機(jī)前部是旋轉(zhuǎn)切削刀盤，通過(guò)刀具將開(kāi)挖面上的土體切削下來(lái)送入泥水倉(cāng)，然后與送泥泵送入泥水倉(cāng)的泥水?dāng)嚢韬笠员戎剌^高的泥水形式通過(guò)排泥管路用排泥泵排出。為確保掘削量的準(zhǔn)確，定期對(duì)泥水管路上的流量計(jì)、密度計(jì)進(jìn)行標(biāo)定，嚴(yán)禁超挖，一旦發(fā)現(xiàn)掘削量過(guò)大時(shí)，立即檢查泥水密度、粘度和切口水壓。

（6）同步注漿控制

如果同步注漿不充分，勢(shì)必造成地面沉降。這個(gè)盾構(gòu)機(jī)的理論注漿量為：V=7.192 m3。一般情況下實(shí)際的注漿量為理論建筑空隙的140%～250%。實(shí)際該區(qū)段非穿越房屋階段基本按照9.5 m3/環(huán)進(jìn)行控制，穿越房屋階段基本按照11.5 m3/環(huán)進(jìn)行控制，注漿量較優(yōu)，超出則對(duì)盾構(gòu)姿態(tài)產(chǎn)生較大影響，同時(shí)，注漿壓力控制在0.3 MPa 以內(nèi)（指泵送出口處）。

（7）泥水質(zhì)量控制

泥水平衡盾構(gòu)使用泥水的目的也就是用泥水來(lái)謀求開(kāi)挖面穩(wěn)定，在防止塌方的同時(shí)，將切削下來(lái)的泥膜形成泥水并被輸送到地面。在本案例的土體情況下，泥水比重1.35 g/cm3，粘度23 s，泥壁形成性、潤(rùn)滑性都較好。

（8）分層注漿

在盾構(gòu)穿越建筑物過(guò)程中（前后各20 m 范圍）需進(jìn)行分層加固注漿，預(yù)先在管片上增設(shè)附加注漿孔（每塊管片增設(shè)2 只），通過(guò)管片預(yù)留注漿孔，向周邊土體打管進(jìn)行注漿加固，以提高隧道周邊土體強(qiáng)度，減少建筑物后期沉降，注漿范圍為盾構(gòu)管片外3 m。實(shí)際并沒(méi)有出現(xiàn)需要二次注漿的情況。

2.4 房屋與環(huán)境監(jiān)測(cè)

本次監(jiān)測(cè)擬對(duì)隧道下穿的14 幢房屋房屋進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，主要包括采用傾角儀進(jìn)行房屋傾斜自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，采用裂縫計(jì)進(jìn)行墻體裂縫自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，采用靜力水準(zhǔn)儀、測(cè)量機(jī)器人相結(jié)合的方法對(duì)正穿房屋進(jìn)行沉降監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù)采集頻率為1 h 一次。同時(shí)，輔助以常規(guī)傳統(tǒng)的檢測(cè)內(nèi)容，包括地表沉降監(jiān)測(cè)與地表深層沉降監(jiān)測(cè)。

實(shí)際應(yīng)用下來(lái)，所有的盾構(gòu)推進(jìn)參數(shù)都可依據(jù)房屋每小時(shí)的沉降變化數(shù)據(jù)及時(shí)調(diào)整，這在整個(gè)施工的過(guò)程中發(fā)揮了至關(guān)重要的指導(dǎo)作用。

2.5 后加固及修繕

在盾構(gòu)工程施工結(jié)束，房屋沉降變形趨于穩(wěn)定后，再進(jìn)行了一次全面的房屋質(zhì)量復(fù)核檢測(cè)，根據(jù)房屋的損壞情況、穩(wěn)定狀況，安全狀況，進(jìn)行了必要的修繕加固。

3 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及分析

經(jīng)過(guò)為期一年多的數(shù)據(jù)積累，針對(duì)盾構(gòu)正上方的6 幢居民樓，形成了一套完整的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，由于篇幅的關(guān)系，僅列舉其中的一幢數(shù)據(jù)為例，見(jiàn)圖2。

圖2 1 號(hào)房（門牌號(hào)略）各測(cè)點(diǎn)沉降曲線

通過(guò)對(duì)六幢房屋的沉降曲線的觀察，結(jié)合盾構(gòu)通過(guò)該幢房屋的時(shí)間，及施工參數(shù)，可以比較清晰的形成如下的經(jīng)驗(yàn)：

（1）設(shè)計(jì)上將盾構(gòu)軸線在平面上盡可能地調(diào)整至房屋正下方，避免沉降槽對(duì)房屋產(chǎn)生較大的不均勻沉降影響，這是非常有效的，實(shí)際監(jiān)測(cè)的結(jié)果顯示沉降槽在盾構(gòu)側(cè)邊一倍半徑以內(nèi)較大，超出該范圍的沉降很小，盾構(gòu)通過(guò)15 d 后差異沉降基本穩(wěn)定。

（2）本工程盾構(gòu)機(jī)采用自動(dòng)氣平衡裝置，可有效控制切口壓力波動(dòng)（基本控制±5 kPa 范圍內(nèi)），設(shè)定壓力方面采用0.67γh 計(jì)算水土壓力，可有效較精確地控制切口處沉降。

（3）通過(guò)本項(xiàng)目，形成了一套適應(yīng)于上海地質(zhì)情況的盾構(gòu)推進(jìn)參數(shù)，其中特別值得總結(jié)的是盾構(gòu)切口水壓、同步注漿量和盾構(gòu)姿態(tài)之間的關(guān)系，一旦盾構(gòu)姿態(tài)由于前兩個(gè)參數(shù)而出現(xiàn)較大偏差，推進(jìn)過(guò)程中很難再糾偏。

（4）同步實(shí)時(shí)信息化監(jiān)測(cè)對(duì)盾構(gòu)施工帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)特別顯著，全自動(dòng)測(cè)量裝置對(duì)位移十分敏感，盾構(gòu)施工參數(shù)根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)可按分鐘級(jí)進(jìn)行調(diào)整，極大的避免了推進(jìn)參數(shù)控制的盲目性。

4 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合龍耀路隧道下穿居民小區(qū)的案例，較為詳細(xì)的介紹了各方面的技術(shù)措施對(duì)策，并針對(duì)性的把方案和實(shí)際應(yīng)用效果做了對(duì)比分析。在這樣的工程條件下，必須從設(shè)計(jì)、施工、設(shè)備、監(jiān)測(cè)4 個(gè)方面做好技術(shù)準(zhǔn)備，但必須指出的是，同時(shí)還有本文沒(méi)有提及的居民處置應(yīng)急預(yù)案等大量的管理措施。兩者有機(jī)結(jié)合，才可能在這樣的復(fù)雜條件下成功實(shí)施，避免災(zāi)難性后果。