大直径盾构隧道穿越既有建筑物风险控制技术研究

薛一彤

（上海市交通建设工程安全质量监督站，上海 200030）

0 引言

城市中心城区的建设环境复杂，地上地下建筑物及管线众多，新建隧道与现有建筑物之间相互平行、上下重叠、交叉穿越等情况越来越多。上海地区的地质结构属于软土地层，对盾构隧道施工引起的地表沉降、建筑物沉降较为敏感，在制定科学合理的施工管理措施时，既要兼顾安全质量和工期，同时又需充分考虑周边环境各种不利的因素，将工程建设期间的质量安全管理风险降到最低。

本文通过对上海市龙耀路越江隧道工程施工期间近距离浅埋穿越上部集群建筑物的针对性技术管理措施开展研究，归纳各类施工风险能得到有效控制的要素，为今后该类施工工程提供参考。

1 工程概况

1.1 总体概况

龙耀路越江隧道在浦西从龙耀路、龙吴路交叉口开始，沿规划龙耀路穿越黄浦江至浦东，其中盾构隧道（江中段及浦东岸上段）长约 1.7 km，线路总体呈东西走向。本次穿越建筑物为浦东岸上段，北线盾构隧道起始里程为 NK3+058.930 m，终止里程为 NK3+606.97 m，全长 548 m；南线盾构隧道起始里程为 SK3+053.940 m，终止里程为 SK3+597.706 m，全长 544 m。线路最大坡度 4.95 %，最小平面曲率半径为 750 m，推进拟采用一台Φ11 580 mm 大型泥水平衡盾构机。图 1 所示为隧道浦东岸上段施工总平面图。

图1 隧道浦东岸上段施工总平面图

1.2 盾构施工区域概况

1.2.1 隧道与建筑物相对位置关系

受隧道施工影响的建筑物共 28 幢，面积共计39 394 m2，位于隧道正上方的建筑物共 12 幢、其中居民楼 6 幢；位于隧道施工影响范围内的建筑物共 16 幢、其中居民楼 8 幢。南线施工影响范围为盾构推进 147～277 环，北线施工影响范围为盾构推进 78～190 环，隧道顶面距离房屋基础距离为 11.8～18.3 m。盾构工程与上部房屋的平面位置如图 2 所示。

图2 盾构与建筑位置示意图

1.2.2 现有建筑物状况

该区域居民房屋建造年代较早，存在地基土质软弱、基础较浅、结构形式较差、易受施工影响开裂，并且部分房屋现状倾斜率已经较高的固有问题。施工人员对盾构影响范围内的房屋进行检测后发现，现有受影响房屋现状况不良，部分建筑物的倾斜情况较大，最大的达到 12.6 ，其余建筑物还存在结构性墙体裂缝、沉降性开裂等状况。

1.3 工程水文地质情况

根据地质资料（见图 3），盾构在该段穿越的地层主要为④2-1黏质粉土层、④2-2砂质粉土层、⑤1层粉质黏土。⑤3-1层夹有一定量的粉性土，可能具有微承压性。

图3 盾构隧道地质剖面图

2 施工风险分析

2.1 穿越地层地质条件差

水文地质资料显示，盾构穿越施工区域多为软土地层，以粉土、粉质黏土为主，结构覆土浅，盾构穿越施工中地层损失率参数难以保持长期稳定的状态，极易引起地表及建筑的沉降和开裂。

2.2 穿越区域上部建筑结构老旧

施工区域房屋大多为 20 世纪 80 年代初 6 层砖砌结构，基础为条形或片筏基础等浅基础形式，建筑结构形势简单、结构稳定性差、对土体扰动沉降影响敏感。根据现有房屋监测报告分析，现有建筑物已经存在不同程度开裂和倾斜，盾构两次穿越扰动将对建筑结构造成较大的沉降和倾斜。

2.3 穿越地区现状环境复杂 保护要求高

盾构始发后，正下方近距离先后两次下穿济阳路道路，该道路为连接浦东浦西的市级主干道，道路车流量大且道路下方埋设众多老旧管线，隧道施工穿越过程的扰动极易引起路面局部不均匀沉降，导致管线发生事故。

3 施工准备及关键技术控制措施

结合上述对盾构穿越施工可能产生的风险分析，为确保穿越施工风险可控，将隧道施工对地面建筑的影响减少到最小，同时考虑地表沉降量、房屋结构、管线不均匀沉降的控制，施工前各方对盾构机进行了针对性的设备改进、优化了原有的设计方案，使用设备技术改进后的盾构机在风险较小的区域进行试推进，并总结出一套精细化的推进技术参数，下文将重点阐述相关技术控制要点。

3.1 盾构设备改进措施

1）为减小盾构穿越重要建筑物过程中的切口波动值，减少对正面土体的扰动，在盾构机内增加气压仓自动气压平衡控制功能，通过增设气压平衡装置可以使泥水压力波动控制得更小，有利于开挖面的稳定。

2）同步注浆采用 6 点注浆 12 根管路（具有备用管路 6 根），共 3 台泵控制（每台泵控制 2 个点）在盾构机中壳体前后设置 16 个注浆注入口对盾构机外周土体进行加固，防止盾构机本体磕头或下沉。

3）盾尾增加一道钢丝刷（即改造为 4 道钢丝刷），增加了 10 个油脂注入口，同时增加一台盾尾油脂泵。

3.2 优化设计方案

1）衬砌环采用错缝拼装型式，可减少隧道成型后衬砌环的变形。

2）管片环与环之间设置 2 cm 的凹凸榫，可有效控制隧道环与环之间的差异沉降，减少不均匀沉降对房屋的影响。

3）管片接缝设置三元乙丙弹性橡胶密封垫，可有效控制接缝渗漏情况，避免地下水流失而导致的房屋沉降。

4）在房屋下方范围区间隧道管片增设多个注浆孔，盾构穿越过程中根据房屋及地层监测数据有针对性地进行二次注浆。

3.3 盾构试验段措施

大直径泥水盾构连续穿越居民楼在国内尚属首次，施工难度巨大，施工风险极高，因此在盾构推进初期，选择在风险较小的区域开展盾构推进试验段后，对试验段施工通过理论计算得出的各种盾构施工参数进行验证，为之后风险更大的穿越段施工提供重要的实际施工经验。本工程确定在南线隧道设置两处试验段：试验段 1（里程 SK3+053.940～SK3+104）从南线盾构出洞到济阳路西侧，长约 60 m（40 环）；试验段 2（里程 SK3+151～SK3+200）位于济阳公园下方，长约 50 m（33 环）。通过对试验段施工参数的采集及监测数据的汇总，初步掌握盾构推进过程土体变形规律，进一步设置合理的切口压力、优化设定泥水压力及推进速度、改善泥浆性能及进排泥流量，使盾构姿态保持较好的状态，为进入穿越区创造一个良好的施工状态。施工中根据试验段推进时各项推进参数的梳理，及时调整同步注浆和二次注浆量，密切关注注浆压力，同时结合监测资料进行分析研究，掌握盾构设备在地面沉降、纠正轴线偏差等方面的特性，总结出地表沉降随盾构推进参数设定变化的规律，为盾构正式穿越建筑物提供数据支持、积累经验。

3.4 盾构推进施工技术精细化控制

1）推进过程中在盾构机切口接近房屋时（距房屋3～4 环时），现场采用逐步增加切口水压的推进措施。据现场监测，当切口逐渐接近建筑物时，土体仅存在 2 mm 左右隆起，且前期土体扰动较小，后期沉降较小，这种措施有利于土体稳定，减少沉降。

2）盾构推进姿态以“抬头”状态向前推进，过程中采用两次拼装、盾尾压重的方式进行施工，推进姿态控制良好，注浆量稳定，监测数据反应盾尾处沉降较小。在穿越房屋阶段，由于盾构机处于 ④2-2土层，为控制同步注浆浆液流失状况，在推进过程同步注浆添加 HD 干粉，以便更好地控制浆液质量。盾构推进施工过程中持续采用重浆（1.35 g/cm3比重、23 s 粘度）推进，在切口处可形成较好泥膜状态，且压力波动较小，对盾构泥浆循环比较有利。

3）增加车架随行式壁后注浆检测装置，此装置通过雷达扫描的方式检测管片周圈注浆的均匀性及密实性，根据数据反应：管片周圈注浆范围达 15 cm（理论间隙 11 cm），注浆均匀、密实，可有效控制盾尾处沉降。

4）每栋居民房屋与隧道的空间位置关系、大小等因素会对隧道穿越造成不同的影响，因此有必要对盾构穿越过程中风险较大的居民房屋进行现状分析，并提出相应的精细化控制措施，保证盾构穿越过程中房屋的安全。施工现场严格规范管理，强化安全施工，充分运用高精技术平稳推进盾构，做足做细安全措施，保障居民人身安全，同时做好盾构上方建筑物的全程跟踪监测，并做好检测结果的分析反馈工作，为盾构施工提供决策建议与技术支持，做好对建筑物、管线进行补救以及抢险物资和材料准备的应急预案。

4 沉降监测技术

4.1 监测项目和报警值

在盾构推进施工中，由于地层的扰动导致土体性能发生一定程度的变化，从而造成建筑物及地下管线等设施发生沉降变形。根据前期对周边环境、管线及建筑物的分析判定，将穿越施工中的地表沉降控制在f2 cm 以内，建筑物倾斜控制在1 以内。施工中针对地面隆沉监测、隧道结构沉降监测、土体深层位移（垂直和水平）、衬砌环收敛变形、地下管线沉降监测（盾构推进施工影响范围内的地下管线沉降监测），房屋倾斜、裂缝、沉降进行全方位监测。

在穿越施工过程中加强对盾构隧道轴线及高程数据、地表管线及建筑物沉降变形等监测数据情况的及时汇总及信息反馈，直至整个隧道的沉降稳定。

4.2 监测方法和监测频率

根据现场监测条件，在盾构推进阶段的整个时间段内对隧道正上方及侧方建筑物进行沉降、倾斜自动化监测，设置自动化监测的数据采集频率：①数据采集频率：1 小时 1 次；②数据发布频率：1 天 2 次。同时采取常规的人工测量方式，对上述房屋的沉降监测数据进行定期复核，复核周期如下：掘进面前<30 m 到掘进面后 100 m，2 次/周；掘进面后 100 m～盾构结束，2 周 1 次；盾构结束至沉降稳定，1 次/月。

房屋倾斜监测采用倾角仪进行房屋倾斜自动化监测；墙体裂缝监测采用裂缝计进行墙体裂缝自动化监测；房屋沉降监测采用静力水准仪、测量机器人相结合的方法对正穿房屋进行沉降监测，实现测量机器人与静力水准系统相结合的绝对沉降监测。

4.3 监测数据（见表 1）

表1 盾构穿越建筑物前后数据

盾构施工完成后监测数据表明，盾构推进施工期间对周边环境以及道路产生了一定的影响，但影响程度有大有小，各阶段的变形特征也各不相同。总体来看，地层损失和盾构隧道周围土体受扰动及受剪切破坏的重塑土再固结是引起地面沉降的基本原因，在推进过程中由于盾尾空隙及纠偏所引起的地层损失，在土体受扰动后，土体骨架在持续较长时间内会发生压缩变形，因此，盾构施工过程对土体的扰动是一个从平衡到不平衡再到新的平衡的运动过程，其土体变形的不平衡状态表现为加压后的地面隆起和脱离盾尾后的地面沉降。

从监测汇总数据分析图（见图 4、图 5）可以看出各监测点随时间变化逐步平稳，监测点在刀头部位上抬盾构推进过后下沉，后期施工中及时调整注浆量以及二次注浆后，各监测点均表现为缓慢下沉，地表沉降及周边管线逐渐趋于稳定。

图4 550 弄 28 号、29 号房屋沉降曲线图（推进期间）

图5 44 弄 35～38 号房屋沉降曲线图（推进期间）

监测数据表明，房屋监测点随时间变化先是轻微上抬然后下沉，部分房屋监测点下沉累计变化量较为明显，累计沉降均达到报警值，但各测点的变形量基本呈线性关系，基底平面未发生凸起或凹陷现象，随着离盾尾越来越远以及后期及时调整注浆量，沉降数据逐渐趋于稳定，整体处于安全可控状态。

4.4 监测结论

从监测数据表 1 可以看出盾构推进是影响周边环境变形的主要因素，部分监测点超出报警值范围，但其变化趋势较为平缓，累计变化量尚在较为合理的范围内。通过对监测资料的总结分析，可以得出以下结论：推进施工过程中所引起的地层变化是不可避免的，施工中切口液压控制和盾尾注浆量控制比较合理，在沉降变化比较大的区域后期注浆也及时跟进，施工总体上是安全可控的。最终，在各方的共同努力下，本次盾构施工过程中建筑物、周边地表和管线始终处于较安全的状态，监测技术的运用保证了盾构推进的顺利进行，达到了科学指导施工的目的。

5 结语

1）大型盾构隧道近距离穿越上部建筑物时，工况复杂。因此，工程前期应对沿线建筑物的现状进行详细的调查，充分掌握建筑物基础及结构类型。

2）提前展开风险评估分析，制定建筑物变形控制标准，针对性地调整盾构推进措施。

3）通过对盾构设备的改进、衬砌管片拼装的优化以及盾构试验段数据的分析总结，达到精细化控制盾构推进的目的。

4）设置监测数据管理体系，对建筑物的沉降、倾斜、位移等数据汇总分析，及时反馈，以便动态调整盾构推进参数，确保盾构施工安全。

盾构隧道完成穿越后，建筑物、地表、管线的总沉降量均在设定值内，各项指标满足结构安全使用要求。上述技术措施的运用对于此类穿越既有建筑物的工程效果明显，可为今后类似工程施工提供参考。Q