軟土地區大型泥水平衡盾構下穿密集居住區的技術要點研究

嚴佳梁

（上海城投公路投資集團有限公司，上海市 200335）

0 引言

隨著城市的發展，市政交通基礎設施不可避免的會與居民區在平面上交會，在以往的建設過程中，這樣的交會通常以居民區的拆遷為前提，但隨著近年來房屋價格的攀升與市民物權意識的增強，居民區的拆遷往往耗資巨大，且時間不受控制。因此，以盾構法為代表的暗挖法表現出了強大的應用市場。但在軟土地區，盾構法的使用一定會對一定范圍內的軟土造成較大的擾動，通常會使盾構隧道正上方及側方一定范圍內的地表出現一定的位移沉降，而且這種位移沉降與盾構的直徑有很大的相關性[1-2]，當該范圍內有需要保護的建筑物時，如何采取必要的技術手段確保有關建筑物的安全顯得至關重要，國內對于此項內容的研究包括有數值模擬分析，實驗研究與工程實踐[3-5]，本文以一個典型的實踐案例展開分析。

1 案例背景

上海市“龍耀路越江隧道新建工程（濟陽路至長清路段）”總長1.01 km，采用φ11 580 m m 大型泥水盾構機推進，最大坡度4.95%，最小平面曲率半徑為750 m。盾構線路正好下穿濟陽二村等小區內多幢建筑，穿越位置盾構埋深10～17 m。其中隧道正上方建筑物共12 處，共計14 530 m2，其中民居住宅10 392 m2。考慮到盾構推進會對正上方有關建筑造成較大的影響，原計劃對隧道正上方房屋在盾構施工前進行預加固，但因維穩問題，預加固沒能實施，因此該項目的實施高度依賴于工程設計施工技術方案的可行性。

而該處盾構范圍內的居民房屋為上世紀80～90年代建造，房屋體形變化較多且不規則，均為淺基礎磚砌無柱局部圈梁結構，傾斜率最大已達12.6‰，且存在較為嚴重的結構開裂等情況，房屋檢測數據顯示，房屋具備該年代房屋的總體特性，整體性較差。另一方面，隧道位于粉質砂土層，該土層觸變性及對變形的敏感性大，龍耀路一期施工時曾發生過多次地面沉降超過10 cm 的情況也驗證了土層特性。兩個不利因素疊加，各方面專家都認為大直徑盾構穿越成片房屋難度及風險大。

針對上述情況，有關參建單位開展了深入的研究，形成了數套相互配合的技術措施與管理方案，下面，將聚焦于技術措施展開論述。

2 技術措施

2.1 設計方案優化

對隧道線形進行設計優化以減少影響范圍；線性調整分為兩個方面，一方面是對縱坡面的調整，另一方面為平面線型的調整。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，為減少盾構穿越房屋區段施工引起的地面沉降范圍，首先考慮優化南、北線隧道的平面距離，優化后隧道凈距最大約為11.36 m（1 倍隧道直徑），優化后北線隧道平面曲線半徑R 為700 m。同時，由于房屋最怕的不是均勻沉降而是不均勻沉降，通過前期大量的盾構推進數據積累研究發現，盾構沉降槽范圍以內與沉降槽范圍以外的沉降坡降非常明顯，因此應該將盾構線形盡量調整于房屋正下方，避免斜穿房屋一個角或半側的空間位置情況出現。

縱斷面方面，為減少盾構施工的平面影響范圍，可考慮減少隧道埋深，以濟陽路φ2 400 污水管和西營路2 800 mm×2 000 mm 雨水管為控制點，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，同時影響范圍的減少有限，不能導致影響范圍內房屋的減少。故不考慮調整縱斷面，維持現狀縱斷面。

考慮利于盾構推進期間的姿態控制，隧道豎曲線與平面曲線盡量不同時出現。

除上述線型優化外，考慮如下設計技術措施，以利于控制周邊房屋沉降：

（1）襯砌環采用錯縫拼裝型式，可減少隧道成型后襯砌環的變形。

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

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

（4）在穿越范圍內采用設置增設注漿孔的管片，盾構通過該地段后，根據地層變形監測數據進行二次注漿。

2.2 施工設備改造

針對使用過的盾構機，結合現場情況，對盾構的氣壓倉、泥水系統、注漿系統等設備進行改造以提升性能。

由于盾構隧道主要切削的土層為④1層、④2－1層、④2－2層（承壓水層）、⑤1層，并且在整個盾構隧道施工過程中，一個盾構切削面內同時存在上述四個土層，切口平衡較難控制。因此，保持開挖面穩定性的切削刀盤、切削土倉中土壓力測量系統、泥水加壓系統、推進系統、泥水輸送系統等裝置及設備的適應性設計是非常必要的。

為減小盾構穿越重要建筑物過程中的切口波動值，從而減少對正面土體的擾動，本次盾構機需增加氣壓補償裝置，增加了氣壓倉自動氣壓平衡控制功能；同步注漿采用6 點注漿12 根管路（具有備用管路6 根），共3 臺泵控制（每臺泵控制2 個點）。盾構機中殼體前后設置的16 個注漿注入口對盾構機外周土體進行加固，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 個油脂注入口，同時增加一臺盾尾油脂泵，增加10 個高壓電動球閥等配套設備，并對盾構機PLC 程序及觸摸屏畫面進行了修改。

2.3 盾構推進控制

盾構推進前，選取代表性斷面，采用有限元數值進行了模擬分析，見圖1。計算預測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。而根據整理和收集的上海市以往的φ11.58 m 盾構施工沉降數據分析，盾構穿越時地層沉降一般控制尚可，但穿越后后期沉降均較大。因此，對于盾構施工參數做了更為精確的把控。在經過了多次組織盾構推進施工方案專家咨詢會論證后，主控參數及控制結果簡述如下。

圖1 數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

嚴格控制切口水壓力是至關重要的，需保證正面穩定，并盡可能減少切口水壓的波動。在實際操作中，南線推進時，因為擔心房屋沉降，切口水壓最高達到了1.2γh，造成機頭前方土體隆起過大，且影響范圍擴大，后期沉降時間長，沉降量大；后在北線推進時，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）盾構姿態控制

在該區段掘進時，就必須嚴格控制盾構姿態，避免較大幅度的糾偏，減小對土層的擾動。但在實際的南線推進過程中，盾構出現了較大的抬頭情況，機頭中心線高程始終高于設計軸線20 cm 左右，雖然過程中進行了糾偏，但是效果很不理想；后來在北線的推進中，調整降低了切口壓力和注漿量，盾構姿態得到了極大的提高，高程差距僅為±100 mm 以內。也因此，北線推進時的環境影響量要控制得好得多。

（3）掘進速度

正常掘進如推進速度過快，則會引起正面土體擠壓過大。實際應用下來，在此特定埋深穿過建筑時推進速度控制在30 mm/min 效果最佳。

（4）襯砌拼裝

襯砌拼裝接縫密貼，環面平整，且與隧道軸線偏差不大，盾構環縫基本沒有漏水、漏泥、漏漿現象，這對控制盾構姿態也很關鍵。

（5）掘削量控制

盾構機前部是旋轉切削刀盤，通過刀具將開挖面上的土體切削下來送入泥水倉，然后與送泥泵送入泥水倉的泥水攪拌后以比重較高的泥水形式通過排泥管路用排泥泵排出。為確保掘削量的準確，定期對泥水管路上的流量計、密度計進行標定，嚴禁超挖，一旦發現掘削量過大時，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，勢必造成地面沉降。這個盾構機的理論注漿量為：V=7.192 m3。一般情況下實際的注漿量為理論建筑空隙的140%～250%。實際該區段非穿越房屋階段基本按照9.5 m3/環進行控制，穿越房屋階段基本按照11.5 m3/環進行控制，注漿量較優，超出則對盾構姿態產生較大影響，同時，注漿壓力控制在0.3 MPa 以內（指泵送出口處）。

（7）泥水質量控制

泥水平衡盾構使用泥水的目的也就是用泥水來謀求開挖面穩定，在防止塌方的同時，將切削下來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、潤滑性都較好。

（8）分層注漿

在盾構穿越建筑物過程中（前后各20 m 范圍）需進行分層加固注漿，預先在管片上增設附加注漿孔（每塊管片增設2 只），通過管片預留注漿孔，向周邊土體打管進行注漿加固，以提高隧道周邊土體強度，減少建筑物后期沉降，注漿范圍為盾構管片外3 m。實際并沒有出現需要二次注漿的情況。

2.4 房屋與環境監測

本次監測擬對隧道下穿的14 幢房屋房屋進行自動化監測，主要包括采用傾角儀進行房屋傾斜自動化監測，采用裂縫計進行墻體裂縫自動化監測，采用靜力水準儀、測量機器人相結合的方法對正穿房屋進行沉降監測，數據采集頻率為1 h 一次。同時，輔助以常規傳統的檢測內容，包括地表沉降監測與地表深層沉降監測。

實際應用下來，所有的盾構推進參數都可依據房屋每小時的沉降變化數據及時調整，這在整個施工的過程中發揮了至關重要的指導作用。

2.5 后加固及修繕

在盾構工程施工結束，房屋沉降變形趨于穩定后，再進行了一次全面的房屋質量復核檢測，根據房屋的損壞情況、穩定狀況，安全狀況，進行了必要的修繕加固。

3 實測數據及分析

經過為期一年多的數據積累，針對盾構正上方的6 幢居民樓，形成了一套完整的監測數據，由于篇幅的關系，僅列舉其中的一幢數據為例，見圖2。

圖2 1 號房（門牌號略）各測點沉降曲線

通過對六幢房屋的沉降曲線的觀察，結合盾構通過該幢房屋的時間，及施工參數，可以比較清晰的形成如下的經驗：

（1）設計上將盾構軸線在平面上盡可能地調整至房屋正下方，避免沉降槽對房屋產生較大的不均勻沉降影響，這是非常有效的，實際監測的結果顯示沉降槽在盾構側邊一倍半徑以內較大，超出該范圍的沉降很小，盾構通過15 d 后差異沉降基本穩定。

（2）本工程盾構機采用自動氣平衡裝置，可有效控制切口壓力波動（基本控制±5 kPa 范圍內），設定壓力方面采用0.67γh 計算水土壓力，可有效較精確地控制切口處沉降。

（3）通過本項目，形成了一套適應于上海地質情況的盾構推進參數，其中特別值得總結的是盾構切口水壓、同步注漿量和盾構姿態之間的關系，一旦盾構姿態由于前兩個參數而出現較大偏差，推進過程中很難再糾偏。

（4）同步實時信息化監測對盾構施工帶來的優勢特別顯著，全自動測量裝置對位移十分敏感，盾構施工參數根據測量數據可按分鐘級進行調整，極大的避免了推進參數控制的盲目性。

4 結語

本文結合龍耀路隧道下穿居民小區的案例，較為詳細的介紹了各方面的技術措施對策，并針對性的把方案和實際應用效果做了對比分析。在這樣的工程條件下，必須從設計、施工、設備、監測4 個方面做好技術準備，但必須指出的是，同時還有本文沒有提及的居民處置應急預案等大量的管理措施。兩者有機結合，才可能在這樣的復雜條件下成功實施，避免災難性后果。