盾構隧道側穿歷史古建筑的監測分析與施工控制

李 又 云，朱 方 宇，李 松 皓

(長安大學 公路學院，陜西 西安 710064)

城市地下軌道交通具有載運量大、時間精確、空間占用小的特點，在城市交通發展中逐漸占據主導地位。但由于其線路位于城市之中，在盾構隧道掘進過程中會對周圍構筑物產生影響，特別是結構性、耐久性差的古建筑，這給盾構施工和文物保護均帶來了難題。因此，探究掘進施工對古建筑物造成的影響及如何反饋指導施工是非常有必要的。

目前國內外對盾構隧道穿越建筑物的影響已經有了一定研究：姜忻良[1]使用有限元軟件ANSYS建立土體-隧道-建筑三維模型，分析了建筑物產生沉降的范圍及傾斜最大值；葛世平等[2]提出地鐵運營期列車長期振動下沉降的實用估算方法，并用理論公式法計算出沉降主要產生的時期；丁祖德等[3-5]研究了隧道穿越角度對地表建筑物沉降的影響；謝東武[6]根據建筑實際情況提出了盾構側穿古建筑期間的雙控控制指標；Mroueh等[7]使用有限元軟件對隧道開挖進行了三維數值模擬，探究隧道開挖對地表、建筑物的影響，認為忽略建筑物的自重會導致沉降計算結果明顯偏小，但其并沒有考慮建筑物結構的特點，使得地表沉降在獨立基礎連接處產生明顯的變化；Richard等[8]用解析法分析了隧道開挖引起地面框架結構的變形，假定地基梁可以抑制變形，得出了一個簡化的閉合解。可以看出：以上研究多從數值模擬及理論方面展開分析研究，缺乏實際工程論證，且對古建筑所做的針對性監測分析較少。本文以佛山市軌道交通3號線東樂路—大良站地鐵盾構隧道側穿清暉園的監測數據為依據，探究了盾構停機、保壓、側穿等過程對古建筑造成的影響，對類似工程有一定的借鑒意義。

1 工程概況

1.1 古建筑概況

清暉園位于佛山市順德區大良鎮，占地面積22 500 m2，是一座始建于明代的古代園林建筑，最初為明朝萬歷年間的狀元黃士俊修建的家族園林，現存建筑主要為清代嘉慶年間所建，是國家級文物保護單位，被列為中國十大名園之一。院內建筑均為天然基礎的磚木結構，受不均勻沉降的影響較大。在盾構機始發前園外圍墻及院內部分建筑物已出現細小裂縫，清暉園鳥瞰圖如圖1所示。

圖1 清暉園鳥瞰圖Fig.1 Aerial view of Qinghui Garden

1.2 盾構施工概況

東樂路站—大良站盾構區間左線全長1 237.141 m，里程范圍為ZDK17+688.810～ZDK18+914.374，右線全長1 225.564 m，里程范圍為YDK17+688.810～YDK18+917.374，清暉園段為整體下行。由于掘進地層以中風化、強風化泥質粉砂巖為主，地下水含量相對較小，故左右兩線均采用土壓平衡式盾構機掘進，盾構機參數如表1所示。

表1 盾構機參數Tab.1 Shield machine parameters

兩臺盾構機的掘進方式為同向先后掘進，左線掘進至203環時右線始發，最終兩臺盾構機由東樂路站吊出井吊出。由于始發順序的不同，左線掘進至清暉園影響范圍時右線還未開始掘進，且左線穿越清暉園后右線還未到清暉園影響范圍，故本文只探討左線掘進對清暉園建筑物所造成的影響，根據選線位置關系將左線180～310環定為左線盾構隧道對清暉園的影響范圍。左線盾構隧道與清暉園內文物建筑最小凈距約為8.4 m，豎向最小埋深約26.4 m，左右線隧道與清暉園平面關系及清暉園點位布設見圖2，縱向關系及地質斷面見圖3。

圖2 左右線隧道與清暉園平面關系Fig.2 Plane position of left and right tunnel and Qinghui Garden

圖3 地質斷面(單位：m)Fig.3 Geological section

1.3 工程地質情況

東樂路—大良站盾構區間為珠江三角洲沖積平原地貌，地勢平坦開闊，表層多為人工填土。在盾構機進入清暉園影響范圍前施工單位組織了補充勘察，勘察報告顯示區間隧道在清暉園段的主要穿行地層為⑦2強風化泥質粉砂巖、⑧2中風化泥質粉砂巖，180～260環地層主要為強風化泥質粉砂巖，261～310環地層為強風化、中風化泥質粉砂巖相互摻雜。土體力學物理性質指標如表2所示；地下水為松散層中的孔隙潛水和基巖裂隙水，對混凝土有弱腐蝕性，穩定水位在地表下1.5 m。

表2 土體力學物理性質指標Tab.2 Soil mechanics physical properties

2 監測方案

2.1 清暉園建筑監測項目

清暉園內古建筑基礎薄弱，對擾動的敏感度高，受到盾構機掘進的影響會出現較大的不均勻沉降，產生房屋開裂、傾斜等現象危害建筑安全[9-11]，對左線盾構隧道掘進影響范圍內的古建筑物進行沉降監測和反饋控制是成功側穿的關鍵。故主要監測項目為建筑物沉降。

2.2 監測方法

清暉園內的沉降觀測點采用Leica反光貼紙作為觀測標志物，與普通沉降釘相比可顯著減小對園內古建筑的損害，且穩定性更高。根據清暉園的建筑特點，監測點位的布設以古建筑的四角、磚木支柱、高低建筑物及縱橫墻兩側為主，可以真實反映出園內古建筑物的沉降狀況。觀測儀器采用Leica dna 03電子水準儀，每次監測都由高程基準點作為起點引入高程，最終閉合至起始點。測量過程中保持前后視等距，避免測量誤差干擾監測結果。在先行盾構穿越前對園內裂縫進行標記，并在穿越期間定期對園內建筑物進行巡視，觀察有無新裂縫出現及已有裂縫變化情況。

2.3 控制標準

為了更好地對清暉園保護區內古建筑的沉降進行控制，確保文物在盾構隧道側穿期間的安全，提出了采用累計變形與階段增量變形來進行控制的雙控標準，因清暉園園內建筑物年代久遠，抵抗沉降能力較差，必須嚴格控制沉降總量及沉降速率以防園內古建筑產生破壞。結合《城市軌道交通工程監測技術規范》(GB50911-2013) 確定清暉園保護區內古建筑沉降累計控制值為15 mm，沉降增量控制值為1 mm/d，相應預警等級劃分如下。

(1)黃色預警。變化量、變化速率“雙控”指標均超過監控量測控制值的70%，或雙控指標之一超過監控量測控制值的85%。

(2)橙色預警。變化量、變化速率“雙控”指標均超過監控量測控制值的85%，或雙控指標之一超過監控量測控制值。

(3)紅色預警。變化量、變化速率“雙控”指標均超過監控量測控制值，或實測變化速率急劇增長。

3 園內建筑監測與分析

根據已經確定的盾構隧道對清暉園的影響范圍，在盾構機刀盤掘進至180環時開始對清暉園古建筑進行監測。清暉園保護區占地面積大但盾構機刀盤前方的影響范圍有限，故對清暉園古建筑物的重點監測范圍為刀盤前后30 m。由于清暉園內監測點位眾多，下文僅選取有代表性的測點進行分析：在非正常掘進期間選取距清暉園建筑最小凈距處的CJ12～CJ16號測點進行分析；在正常掘進期間選取垂直于盾構隧道軸線的CJ31、CJ33、CJ35、CJ38號測點進行分析。盾構機掘進引起的建筑物沉降量是累積的，即下文所有測點所處時間段的起始沉降量均為上階段結束對應的沉降量。

3.1 掘進異常期間對園內建筑物的影響

左線盾構機刀盤于2019年4月11日掘進至180環，與此同時開始對清暉園后園的沉降進行監測。在進入清暉園影響范圍前，盾構機的正常掘進速度可保持在11環/d，開挖面水量也較小。自掘進189環開始，地層出現中風化泥質粉砂巖比例增高且伴隨地層水量突增的情況，推進速度極為緩慢，4月12～13日每天僅能推進一環。大量地下水進入土倉并由螺旋機排出，導致出土困難，此時清暉園建筑物沉降速率達到橙色報警控制值，為保證安全，盾構機于4月14日開始停機，后于4月30日在停機位置開倉更換盤刀。為便于描述，本文將掘進困難至閉倉恢復掘進前劃為掘進異常階段。

3.1.1掘進困難及停機階段對建筑物的影響

由圖4～5可以看出：2019年4月11日刀盤位于180環時各點沉降量均小于0.5 mm，此時盾構尚未對清暉園造成擾動；4月12～13日推進緩慢，可以看出為了改善掘進困難的情況，操作人員較大幅度地變化了推力和扭矩的大小，但沉降情況并未改善，各點下沉明顯；后為減少對清暉園的進一步擾動又將推力及扭矩數值減小至180環處大小，建筑物下沉的情況有所緩解。從推力及扭矩曲線圖可以看出：盾構機的推力與扭矩大致呈正相關。除了因為盾構機增大推力、扭矩數值產生的地層擾動導致沉降外，土體的固結沉降也是關鍵原因；開挖面處地下水進入土壓平衡倉并由螺旋機排出，地下水位迅速下降，土體有效應力增加，產生沉降。降水形成的“漏斗”形水位線又使各點的沉降具有一定差異性，從圖5可以看出：CJ12、CJ15兩點沉降值要大于其余3點，主要是因為CJ12、CJ15兩點距離開挖面較近，而較遠測點水位線位于“漏斗”的外沿，其水位變化滯后，土體產生的固結沉降較小。隨著停機注漿的進行，各點沉降得到控制，4月14～15日因注漿產生輕微隆起，注漿結束后又有下沉的趨勢，其原因主要是注漿壓力的消散導致的土層固結。停機保壓期間各點沉降曲線平穩，園內古建筑物比較穩定。

圖4 推力和扭矩曲線Fig.4 Thrust and torque curve

圖5 盾構早期掘進及停機期間沉降曲線Fig.5 Settlement curve of shield tunneling during early tunneling and shutdown

3.1.2開閉倉階段對園內建筑物的影響

為保證清暉園古建筑在側穿期間的安全，施工方決定2019年4月30日20：00于207環處氣壓輔助開倉，檢查刀盤狀況，更換刀具以保證掘進連續性。由于帶壓開倉有一定風險性，從開倉前構建泥膜至閉倉恢復掘進采取了加密監測，整個過程的主倉壓力曲線如圖6所示，時間-沉降曲線如圖7所示。

圖6 主倉壓力曲線Fig.6 Main warehouse pressure curve

圖7 開閉倉期間沉降曲線Fig.7 Settlement curve during warehouse opening and closing

由圖6～7可看出，由于4月30日19：00構建泥膜時主倉壓力的升高，各點的累計沉降值發生突變，均出現抬升現象。在泥膜構建完成后盾構土壓倉開始以每小時20 kPa的梯度降壓并維持在280 kPa，壓力降低后沉降曲線仍呈抬升趨勢，但明顯變緩。在20：00土倉壓力穩定在280 kPa上下進行開倉，至5月1日05：00各測點沉降已趨于穩定，后主倉壓力逐漸降低，通過調整注漿壓力及注漿量防止建筑物沉降過大。自5月1日起主倉壓力穩至260 kPa，與4月30日開倉前壓力相等，同開倉前的狀態相比各點均抬升4 mm以上，可以看出氣壓輔助開倉對園內建筑物抬升的作用明顯。

在更換刀盤維修器械后，盾構機于2019年5月4日晚閉倉恢復掘進，5月5～6日刀盤附近測點均發生較大沉降，主要原因為4日晚盾構機恢復掘進時停止出土，并在閉倉過程中向土倉內打入膨潤土提高土壓用以取代氣壓，此時倉內壓力較難控制，一度減小至210 kPa，與開挖面側向土壓力不平衡產生地層損失，開挖面處大量水、土涌入土倉，園內單日建筑物沉降在6 mm以上。為保證安全當日僅掘進一環，但由于開挖面漏水等原因，在土壓升至250 kPa之后各點仍有下沉的趨勢。在根據地質情況調整參數后，5月6日盾構機恢復正常掘進速度，管片拼裝至210環并進行二次注漿，從圖7中可以看出，各點有略微抬升的趨勢，沉降變化恢復正常。

3.2 正常掘進期對清暉園的影響及施工控制

3.2.1盾構正常掘進時的施工控制

在土壓平衡式盾構機掘進過程中，正確的選擇掘進參數可以有效減少地層損失，保證開挖面的穩定。自2019年5月6日盾構機掘進恢復正常，通過更換刀具后每日至少可掘進拼裝6環，在正常掘進過程中，左線盾構機根據地質條件選取了合適的掘進參數。將盾構機PDV系統自動采集的部分推力、扭矩、土壓參數進行針對性研究，開挖范圍內地層如圖8所示，推力、扭矩和土倉壓力如圖9～10所示。側穿過程中，推力大小在11 760～24 117 kN之間，扭矩大小在1 548 ～3 376 kN·m之間，土倉壓力在183～276 kPa之間，在掘進過程中隨工況的不同不斷變化。

圖8 掘進范圍地層Fig.8 Driving range formation

圖9 推力和扭矩曲線Fig.9 Thrust and torque curve

圖10 土倉壓力曲線Fig.10 Soil pressure curve

(1) 210～225環段，盾構機掘進地層以強風化泥質粉砂巖為主，掘進地質情況比較單一，推力量值位于15 000 kN上下；進入262環處時推力數值出現了比較明顯的提升，結合剖面地質資料可以看出：開挖范圍的上下部分中風化粉砂巖含量出現突增，較高的推力值可以保證掘進開挖面的穩定。290環前后地層中2種圍巖含量基本保持不變，此時的推力值也基本維持在了21 000 kN，結合側穿前段的推力值變化情況可以推測：均一地層中的推力基本保持穩定。隨著295環后“硬”巖的含量降低，推力值也逐漸下降，推力的大小與圍巖的軟硬存在明顯的相關性。

(2) 盾構機掘進時的推力越大，相應擠入巖層的程度就越深，從而導致扭矩升高，兩者呈正相關，從圖9中也可以看出兩者到達峰頂與峰谷的環數基本同步。在217環處扭矩出現突降，達到最小值(1 548 kN·m)，但推力、土壓變化并未出現明顯變化，推測原因是因為此環掘進時刀盤并未深入圍巖，出現一定程度的空轉。

(3) 由于隧道的整體下行，埋深不斷增加，土壓整體呈波動上升趨勢。土壓以210～250環段變化幅度最大，表明在以強風化粉砂巖為主地層中土倉壓力較難控制；在259環軟硬圍巖交界處土壓達到276 kPa，為側穿段最大值，較高的土壓量可以保證開挖面在地層突變處的穩定。進入中風化粉砂巖地層后，土壓波動幅度出現了比較明顯的降低，大小控制相對穩定。

3.2.2側穿清暉園控制結果

左線盾構隧道恢復正常掘進穿越后，各測點沉降值變化均在正常范圍內，且變化規律大致相同，故僅選取垂直于盾構隧道軸線的CJ31、CJ33、CJ35、CJ38號測點進行分析，其沉降變化如圖11所示。

圖11 正常掘進期間沉降曲線Fig.11 Settlement curve during normal excavation

從圖11可以看出，盾構正常穿越期間清暉園建筑物的沉降可分為以下階段：① 盾構機刀盤到達前。各測點均產生了不同程度的沉降，其變化趨勢與主倉土壓的大小有關，土壓小于開挖面上側向土壓力會導致開挖面產生地層損失。② 刀盤到達盾殼通過這段時間內。各點的沉降呈緩慢增大趨勢，主要是由于盾構姿態不正導致超挖，產生額外的地層變化影響周圍建筑物。③ 盾尾通過時。因管片與盾構外徑有一定建筑空隙，在管片脫出時會導致周圍建筑物產生一定沉降。④ 同步注漿及二次注漿時。盾尾注漿孔進行的同步注漿以及后期針對沉降量大的區域進行的二次注漿往往會使園內建筑物產生一定的抬升。⑤ 盾構通過后產生的長期沉降或上浮。

盾構機于2019年5月25日掘進拼裝至310環，脫離對清暉園的影響范圍，至此左線盾構機成功側穿清暉園，園內建筑物最大沉降累計值為-4.25mm，位于CJ39號監測點處，所有測點沉降累計值均在正常范圍內且無新裂縫產生，左線沿軸線方向上各建筑物的最大傾斜度為0.52‰，垂直軸線方向上建筑物最大傾斜度為0.78‰，各構件工作正常，根據《危險房屋鑒定標準》[12]，該古建筑群可正常使用。

4 結 論

清暉園古建筑物在盾構機左線側穿過程中經歷了開挖面滲水、停機保壓、氣壓輔助開倉、閉倉及正常掘進等一系列影響，通過施工參數及掘進措施的調整，確保了穿越期間各建筑物的安全。通過穿越全程對現場的監測及分析，得出以下結論和建議。

(1) 開挖面所處地層含水量較大時會導致掘進困難，并使掘進影響范圍內建筑物產生較大沉降，在這種情況下不應盲目增大推力扭矩，以防對地層產生更大擾動。

(2) 當常壓開倉難以滿足對安全的要求時，可采用氣壓輔助開倉。對于該工程中的地質條件，埋深26.4 m處氣壓輔助開倉時的穩壓值可控制在280 kPa。

(3) 盾構機正常掘進時，影響范圍內各建筑物測點的沉降可分為5個階段。若正常掘進時開挖面附近產生較大沉降，可通過加快掘進速度使盾尾到達變化較大測點處，通過同步注漿及二次注漿來控制沉降。