盾构近接施工对既有构筑物的影响

张珣

（北京市政建设集团有限责任公司，北京 100089）

作为城市轨道交通地下隧道的主要施工方法，盾构法在隧道施工中越来越占据主导地位。随着新建盾构隧道日益增多，不可避免地出现隧道下穿城市主干道、桥桩、高压管线等既有构筑物的情况，对施工过程控制措施提出了很高的要求［1]。

针对盾构法施工对城市主干道、桥桩、高压管线等既有构筑物产生的不利影响，常用分析方法有解析法、模型试验法、有限元法等。魏纲等［2]基于通用Peck公式研究了管线埋深、材质对其受力的影响规律；刘晓强等［3]基于能量变分原理，分析了在隧道穿越过程中地下管线竖向位移的变化规律。吕培林等［4]研究了软土地区盾构隧道下穿铁路干线引起的线路沉降规律；刘银伟等［5]基于数值模拟计算分析并结合实测数据比对，研究了盾构法施工过程中掌子面的受力及变形对地表沉降的影响。朱小龙［6]通过数值模拟计算，分析出盾构下穿铁路过程中地表沉降的规律，并提出有效控制地表沉降的安全措施。

北京地区盾构施工主要采用直径6.4 m 的盾构机，对盾构施工引起的既有构筑物的影响研究也主要基于此种设备型号。北京轨道交通新机场线盾构区间采用管片外径8.8 m 的盾构机，在穿越不同风险源时，不能直接应用原有研究成果。应结合施工现场实测数据，通过参数选择、模型计算等方法，对既有构筑物变形进行研究。为今后类似盾构工程制定相应的施工控制措施。

1 工程概述

以北京轨道交通新机场线一期工程土建04 合同段为工程背景予以介绍。结合新机场的功能定位，新机场线建设充分吸收了北京市及国内其他地铁线的建设经验。新机场线使用的盾构机管片外径8800 mm，北京第一次使用该尺寸的盾构断面，区间隧道全长16.15 km，其中盾构施工长度为15.37 km。

所研究的区间盾构段于里程K27+018.893—K27+162.778 下穿南六环路，洞顶距南六环路路面约17.3～17.4 m。盾构在K27+020.857处下穿φ1000高压燃气管，高压燃气管管底埋深约7.3 m，区间隧道顶部距离地面约16.2 m，隧道距离管底约8.9 m。盾构段K27+050—K27+140侧穿广顺桥，区间与桥梁顺行，拱顶埋深14.5～17.3 m，区间与桥桩净距约4.6～11.9 m。

1.1 工程地质与工程水文条件

根据工程岩土工程勘察报告可知，该标段盾构区间围岩主要为第四纪沉积层，隧道主要穿越细砂～中砂层⑥3、黏土层⑥1，粉质黏土层⑥和粉土层⑥2，土的物理力学性质为一般～较好。该区间隧道结构以上有三层地下水，分别为层间水、第一层承压水、第二层承压水。该盾构区间隧道主要穿越层间水，局部穿越第一层承压水。

1.2 周边环境及工程难点

1）区间盾构下穿的现状道路下方市政管线密集，管径、规模较大，对盾构掘进竖向位移控制要求较高，盾构施工期间须要做好地层竖向位移及管线变形监测。

2）区间盾构侧穿广顺桥，区间与桥梁顺行。盾构侧穿施工过程中道路保持正常通行，且广顺桥交通繁忙，车流量很大。这对盾构施工过程中桥梁及地面的竖向位移控制提出了很高的要求。

2 盾构下穿南六环危险源变形预测

2.1 数值计算模型

以北京地铁新机场线04 标穿越南六环为模拟对象，根据圣维南原理，为满足计算速度与求解精度的要求，在确保计算结果准确性的前提下，尽量缩短计算时间，最为合理的模型尺寸应选取3～5倍的地铁隧道开挖洞径。通过充分考虑盾构隧道开挖过程对周围地层的影响范围，结合施工现场及外部因素综合考虑，选择采用FLAC 3D软件建立60 m（宽）×32 m（高）×90 m（长）的计算模型。为进一步确保计算精度，在建模过程中适当提高了隧道周围网格单元的划分精度，对网格进行了加密。最终的三维计算模型如图1所示。

2.2 计算参数

将六环路附近地层作水平层简化处理，岩土力学计算参数见表1。

表1 计算参数

盾构隧道的开挖采用Null模型，岩土体采用Mohr-Coulomb 弹塑性模型，盾构隧道的管片结构采用Shell结构单元，采用C50混凝土，考虑到螺栓连接和拼装方式对管片刚度的影响，取折减系数0.87 进行修正，弹性模量取30 GPa。管片及桥墩计算参数见表2。模型共划分158960 个单元，164187 个节点。模型两侧边界施加水平位移约束，模型底部施加水平位移约束，模型顶部为固定约束。

表2 管片及桥桩计算参数

2.3 盾构施工近接广顺桥计算结果

无任何加固措施下，盾构隧道下穿期间桥桩最大竖向位移见图2。

图2 盾构施工过程中广顺桥桥桩竖向位移（单位：m）

由图2可知：随着隧道盾构的掘进，在盾构临近广顺桥前，只对1#桩及与其相连的承台A影响较大，会产生2.4 mm 的竖向位移，离隧道盾构较远的5#，6#，7#，8#桩基及承台C、承台D 所受影响不大；随着隧道盾构不断近接广顺桥桩，盾构施工对桥桩的影响日趋明显，产生竖向位移的桥桩不断增加。由图2（e）可知，盾构贯通后对靠近隧道一侧的桥桩产生较为显著的影响，而远离隧道一侧的桥桩则比较稳定。

图3 桥桩竖向位移曲线

选取靠近隧道一侧桥桩为观察点，获取模拟盾构施工过程中相应的竖向位移进行分析。靠近盾构一侧广顺桥桥桩在盾构施工过程中的竖向位移曲线见图3。可知：随着盾构不断推进，靠近隧道盾构一侧桩的竖向位移不断加大，桥桩受盾构影响区域不断增加，但是随着盾构掘进，远离隧道盾构的桥桩在前期会产生少量向上位移。这是由于桩基刚度比周围土体刚度大很多，使得桥桩产生向上的位移，但是随着盾构的接近，桥桩最终全部产生竖向位移，最大位移产生在1#桩，为10.2 mm。

2.4 盾构施工下穿高压燃气管道计算结果

沿高压燃气管道顶部、底部位置观察点的竖向位移见图4。

图4 高压燃气管道不同位置处竖向位移

由图4可知：由于盾构隧道下穿高压燃气管道，所以沿管道方向，高压燃气管道的竖向位移分布遵循Peck 公式，整个管道沿隧道中轴线呈沉降槽分布，影响范围在20 m 左右。无论管道顶部还是底部，随着盾构掘进逐渐产生竖向位移。当盾构掘进到第5 步后，管道位移基本保持不变，管道顶部竖向位移为32.5 mm，底部为27.5 mm，说明盾构掘进对管道变形的影响在前5步较大，第5步之后影响减弱。

3 盾构掘进风险控制

隧道穿越南六环路段，实际穿越地层处于细砂～中砂，粉质黏土地层，在没有加固措施的情况下，通过模拟分析可知，风险源竖向位移各有不同。下面针对各风险源的竖向位移要求进行分析［7]，从而采取适合南六环地层的加固措施。

3.1 各风险源竖向位移控制指标

由于设计未给出针对广顺桥的变形控制限值，现参考桥梁通用标准来确定广顺桥的变形控制限值，见表3。由2.3 节可知，桥桩基础的最大竖向位移为17.5 mm，相邻桥桩基础总竖向位移差值在3 mm 以内。竖向位移超过控制限值，可通过控制施工参数来减小盾构施工对广顺桥的影响。

表3 广顺桥变形控制指标

由于地层的不均匀竖向位移管线挠曲变形，产生了附加的变形和应力，管线的控制指标为管线最大竖向位移10 mm。由2.4 节可知，高压燃气管道的最大竖向位移为32.5 mm，远超过管线变形控制限值，表明盾构对管线的影响较大。为避免管线破坏，须采取必要加固措施以降低管线的变形。

3.2 施工加固措施

1）100m试验段

将下穿南六环路前的盾构推进段作为试验段，按照下穿段进行管理。通过对试验段采集的竖向位移监测数据进行整理分析，及时调整盾构掘进参数。在完善掘进施工工艺的同时总结出合理的盾构机在该类土层中掘进的最佳参数。掘进速度控制在70～80 mm/min，确保盾构能够较为匀速地穿越，同时也能够保证刀盘充分切削土体。根据试验段确定的控制土压动态控制盾构机出土量，土压在0.07～0.15 MPa，盾构单环出土实方量为102.64 m³，单环出土虚方量为115.7 m³，以保证掘进面的土压稳定。

2）土体加固

在隧道内对管片背后进行同步注浆以加固近接区土体，是确保施工安全常用的手段。采用水泥+改性水玻璃双液浆作为盾构穿越段的同步注浆材料，注浆压力控制在0.35～0.55 MPa，注浆量控制在5.37～6.95 m3，浆液凝固时间调整到25～30 s。通过调整参数尽可能减少由于浆液凝固时间导致的竖向位移和浆液损失。

同步注浆在盾构常规段施工过程中，采用注浆量控制即可满足地表竖向位移控制要求。在盾构下穿段须采取“注浆压力控制为主，注浆量控制为辅”的双控措施，确保同步注浆饱满。注浆量主要通过参考施工监测反馈的数据加以控制，尽可能降低施工对地层的扰动。在下穿可能发生过大位移的危险区域，如下穿高压燃气管道等，对危险区域同步注浆可以增大局部应力并改善土质。

在盾构下穿段施工过程中，将盾尾密封油脂的加入量提高为常规加入量的2倍，以确保盾尾密封良好，施工过程中不漏水、不漏浆，巩固同步注浆效果［8-11]。

4 基于Peck公式的地表竖向位移预测

根据实际施工过程的监测数据，通过计算，建议一个沉降槽宽度系数K参数范围，从而修正Peck公式在相似地层的使用范围。

4.1 监测点布置

在穿越位置盾构隧道中线、两隧道中间部位及两隧道结构边线部位布设测点，并沿外侧结构线向外布设测点，测点距结构外边线5，12 m。如图5所示，每个断面布设11 个测点，断面布设在黄马路中间隔离带、两车道外边线以及两侧边沟内。共布设5 个断面，55个测点。

图5 黄马路监测布点情况

4.2 地表监测数据

选取部分监测点数据进行分析，见表4。左侧到轴线的距离为负值，右侧到轴线的距离为正值。将表4中实测数据通过Peak公式计算，所获的沉降槽宽度系数K的参数范围为0.40～0.45。分别取K值为0.42，0.43 对地面竖向位移进行分析，验证K值的取值是否正确。以监测断面2 为例，理论计算预估所得最大竖向位移为-6.00 mm，实际监测最大竖向位移为-5.78mm。计算结果和实测结果差别较小，表明所取K值较为合理。

表4 断面1—断面5地表竖向位移 mm

4.3 地表竖向位移预测

现场经过加固后再盾构施工，沿南六环路断面监测点不同时刻累计竖向位移及监测点最终竖向位移经高斯拟合后得出的曲线见图6。可知，实际施工过程中，通过控制盾构参数以及采取加固措施，经现场检测得到的累计竖向位移曲线与经数值模拟所得图形大体一致。经过实际加固后，现场竖向位移控制良好，地表竖向位移明显减小，地表最大竖向位移为6.2 mm。现场实际监测所得数据经过高斯曲线拟合，计算得出沉降槽曲线宽度系数i= 9.61，则沉降槽宽度系数K=0.42。

图6 监测点不同时刻累计竖向位移及拟合曲线

5 结论

1）在未采取任何加固措施的情况下，盾构侧穿广顺桥时桥桩的最大竖向位移为10.2 mm，发生在靠近隧道一侧的承台角点。盾构隧道下穿高压燃气管道，无论管道顶部还是底部，第5 步掘进竖向位移达到最大值，为32.9 mm，第5步后管道位移基本保持不变。

2）除采取注浆加固措施外，选取了100 m 试验段区间，对盾构下穿段的主要掘进参数进行精细化控制，确定土压参数，为正式掘进打好基础。

3）对试验段地表监测数据进行高斯曲线拟合，得到此地层的沉降槽宽度系数为0.42，以此指导后续盾构施工。