盾構(gòu)近距離側(cè)穿建筑遺產(chǎn)的施工技術(shù)分析及保護(hù)措施加固效果

王 謙， 楊昌鳴*， 陸繼廣， 徐英晉， 王啟力

(1.北京工業(yè)大學(xué)北京市歷史建筑保護(hù)工程技術(shù)研究中心， 北京 100124； 2.中國建筑第二工程局有限公司， 北京 100160; 3.廣聯(lián)達(dá)科技股份有限公司， 北京 100193)

一個(gè)城市的歷史與文化內(nèi)涵大部分存留在城市建筑遺產(chǎn)中。建筑遺產(chǎn)承載著城市的記憶，凝聚著城市居民的情感寄托，是城市的重要物質(zhì)與精神財(cái)富[1]。目前，中國城市軌道交通快速發(fā)展，有效緩解了城市交通問題，有力推動了城市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展[2]。但在其建設(shè)過程中不可避免地對周邊環(huán)境產(chǎn)生影響，其中不乏一些建筑遺產(chǎn)。因此盾構(gòu)穿越建筑遺產(chǎn)時(shí)，需要更高的施工技術(shù)要求和完備的加固措施[3]。

中國采用盾構(gòu)法施工的城市隧道工程逐漸增多，積累了相當(dāng)豐富的經(jīng)驗(yàn)[4]。盾構(gòu)施工技術(shù)憑借其對周圍地層擾動小、隧道成形質(zhì)量高、掘進(jìn)速度快且不阻斷地面交通、安全環(huán)保，其工程造價(jià)不隨隧道埋深的深淺而發(fā)生大幅度的變化等優(yōu)勢，成為城市地鐵隧道施工的主流施工方法，對其研究方法主要有數(shù)值模擬、簡化解析、現(xiàn)場實(shí)測等[5-8]。

即便盾構(gòu)法施工的優(yōu)點(diǎn)如此之多，在其掘進(jìn)過程中仍然會引起周圍地層的變形和移動[9]。地層移動一方面會引起地表沉降，另一方面會引起臨近建構(gòu)筑物的變位，稍有不慎對建筑遺產(chǎn)可能帶來不可恢復(fù)的影響[10]。目前對歷史久遠(yuǎn)、意義重大的古建筑，盾構(gòu)近距離側(cè)穿砂土地層下的研究較少。為此，以鄭州地鐵3號線二順盾構(gòu)區(qū)間近距離下穿二七塔為例，施工前進(jìn)行了三維數(shù)值模擬和施工技術(shù)研究，確定了盾構(gòu)施工參數(shù)，施工中加強(qiáng)地面監(jiān)測，盾構(gòu)順利通過二七紀(jì)念塔，驗(yàn)證了數(shù)值模擬的預(yù)測、加固效果及盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)選取的合理性。

1 工程概況

1.1 工程簡介

圖1 區(qū)間線路側(cè)穿二七塔平面圖Fig.1 Plane of interval line side crossing Zhengzhou Memorial Tower

二七廣場站—順城街站盾構(gòu)區(qū)間隧道為鄭州市3號線一期工程的第10個(gè)盾構(gòu)區(qū)間，本盾構(gòu)區(qū)間小里程端為二七廣場站，大里程端為順城街站。區(qū)間設(shè)計(jì)范圍：區(qū)間設(shè)計(jì)里程右線為YDK15+588.162～YDK16+520.386，長932.224 m，左線為ZDK15+590.462～ZDK16+455.078(長鏈2.365 m)，長869.281 m。最小平面曲線半徑370 m，最大縱坡坡度為25.060‰，拱頂覆土埋深在9.145～18.56 m，盾構(gòu)區(qū)間主要下穿運(yùn)營中的二七廣場站、近距離側(cè)穿二七紀(jì)念塔、二七商廈過街天橋、1 m直徑污水管等主要建(構(gòu))筑物。

1.2 穿越二七紀(jì)念塔概況

二七塔全稱“鄭州二七大罷工紀(jì)念塔”，是紀(jì)念性建筑物，紀(jì)念1923年2月7日的工人大罷工。二七塔位于鄭州市二七廣場， 1971年重建，塔身為并聯(lián)式雙塔，高63 m，共14層，其中基座為3層，塔身為11層，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，2006年被國務(wù)院公布為第六批全國重點(diǎn)文物保護(hù)單位[11]。

地鐵1號線二七廣場站施工時(shí)，已對二七塔進(jìn)行了加固，在二七塔北側(cè)打設(shè)一排φ800@1 000 mm的隔離樁，范圍是62 m，樁底標(biāo)高為71.54 m，距離地面為29 m，位于地鐵3號線二七廣場站～順城街站區(qū)間右線南側(cè)。在右線隧道里程YDK15+713處距隔離樁最近，距離僅為0.41 m。隔離樁距離筏板基礎(chǔ)的水平距離為7.044 m，距離地面建筑物臺階的水平距離為0.5 m。盾構(gòu)施工的影響里程為YDK15+684.886～YDK15+729.886，長度為45 m，隧道頂部埋深為17.76～18.02 m，坡度為5.140‰。區(qū)間線路與二七塔相對位置平面圖如圖1所示，區(qū)間線路側(cè)穿二七塔橫剖如圖2[12]所示。

圖2 區(qū)間線路側(cè)穿二七塔橫剖圖Fig.2 Cross-section of interval line side crossing Zhengzhou Memorial Tower

1.3 工程地質(zhì)

盾構(gòu)右線近距離側(cè)穿二七塔經(jīng)過地段，從上至下主要地層依次為①3砂質(zhì)粉土填土、②21粉質(zhì)黏土、②512粉砂、③25細(xì)砂、②41粉砂、③34黏質(zhì)粉土、②51細(xì)砂、③26粉質(zhì)黏土，具體分布情況及物理特性如圖3、表1所示。

結(jié)合施工設(shè)計(jì)圖紙及巖土勘察報(bào)告，確定區(qū)間范圍內(nèi)存在一層地下水，穩(wěn)定水位埋深15～17.6 m，穩(wěn)定水位標(biāo)高83.14～87.72 m。該層水賦存于水位以下的沖洪積層中，主要接受側(cè)向徑流補(bǔ)給，補(bǔ)給方向?yàn)樽晕髂舷驏|北，以人工開采和徑流排泄[12]。

2 盾構(gòu)施工技術(shù)措施

盾構(gòu)始發(fā)，近距離下穿正在運(yùn)營的地鐵1號線，分析土壓力、推進(jìn)速度、出土量、注漿量和注漿壓力等參數(shù)設(shè)定對地面沉降的影響，掌握此區(qū)間內(nèi)土體性質(zhì)及盾構(gòu)推進(jìn)過程中土體沉降變化規(guī)律，從而準(zhǔn)確設(shè)定盾構(gòu)參數(shù)和采取相應(yīng)措施，減少土體沉降量以確保安全通過二七紀(jì)念塔。

2.1 監(jiān)測布點(diǎn)

盾構(gòu)施工過程中為了對地表建筑物進(jìn)行有效的保護(hù)，并保證盾構(gòu)順利安全穿越重點(diǎn)保護(hù)建筑物，特對二七紀(jì)念塔進(jìn)行沉降監(jiān)測。

圖3 二七塔段地質(zhì)剖面圖Fig.3 Geological section schematic of Zhengzhou Memorial Tower segment

2.1.1 隧道軸向沉降點(diǎn)布設(shè)

根據(jù)施工設(shè)計(jì)圖紙及專家評審建議，在盾構(gòu)機(jī)側(cè)穿二七紀(jì)念塔段沿隧道軸向共設(shè)置11個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，全部采用深層點(diǎn)布設(shè)，確保真實(shí)反映地面位移情況。

2.1.2 隧道橫向沉降點(diǎn)布設(shè)

根據(jù)地鐵施工地面沉降規(guī)律，側(cè)穿段橫向設(shè)置3個(gè)斷面，每個(gè)監(jiān)測斷面沿隧道中線對稱布置測點(diǎn)。

2.1.3 二七塔傾斜點(diǎn)布設(shè)

根據(jù)所調(diào)研資料對二七塔地基基礎(chǔ)及上層結(jié)構(gòu)情況進(jìn)行分析，傾斜點(diǎn)布置在其基礎(chǔ)六個(gè)角上。監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)情況如圖4所示。

表1 主要地質(zhì)分布情況及特性

DBC表示地表沉降；JGC表示建(構(gòu))筑物豎向位移；JGQ表示建(構(gòu))筑物傾斜圖4 盾構(gòu)穿越二七塔段監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)Fig.4 Layout of monitoring point of shield crossing Zhengzhou Memorial Tower segment

2.2 推進(jìn)土壓力設(shè)定

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙、下穿二七廣場站的盾構(gòu)機(jī)及地層實(shí)際狀況分析，確定盾構(gòu)側(cè)穿二七塔的掘進(jìn)參數(shù)并嚴(yán)格控制盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)。在推進(jìn)時(shí)，各項(xiàng)參數(shù)應(yīng)控制在要求范圍內(nèi)，保證盾構(gòu)機(jī)近距離側(cè)穿二七塔期間順利通過。盾構(gòu)側(cè)穿二七塔掘進(jìn)參數(shù)如表2所示。

在盾構(gòu)機(jī)側(cè)穿二七塔前，將上部土倉壓力穩(wěn)定在0.16～0.17 MPa，隨后根據(jù)推進(jìn)過程中的反饋數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。包括盾構(gòu)埋深、所在位置的土層狀況以及監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)整，每次調(diào)整的幅度為0.005 MPa。

表2 側(cè)穿二七塔掘進(jìn)參數(shù)表

2.3 出土量控制

盾構(gòu)是否出現(xiàn)超挖/欠挖最直觀、重要的依據(jù)是出土量的大小。施工中，須嚴(yán)格控制每環(huán)出土量，超挖、欠挖的偏差都不得超過理論值的5%。此外，根據(jù)盾構(gòu)的推進(jìn)速度，合理選擇螺旋輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速、閘門開口率和出土量等參數(shù)，確保過程中出土與開挖保持同步。出土量控制：土壓建立起來后，控制出土方量，具體數(shù)值根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整；出土量控制作為土壓控制的輔助措施，并應(yīng)根據(jù)地面監(jiān)測情況進(jìn)行調(diào)整。

2.4 推進(jìn)速度設(shè)定

設(shè)定合理的盾構(gòu)推進(jìn)速度，確保勻速推進(jìn)，減少盾構(gòu)機(jī)對周邊土體的擾動，以達(dá)到控制地面變形、保護(hù)地面建筑物的目的；依據(jù)試驗(yàn)段的推進(jìn)數(shù)據(jù)，在右線側(cè)穿二七塔盾構(gòu)施工過程中，盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)速度控制在30～40 mm/min，并觀察每環(huán)出土量，避免超挖等情況。

2.5 管片拼裝

通過控制推進(jìn)時(shí)盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)、同步注漿量和二次注漿可以對管片姿態(tài)進(jìn)行有效控制。測量已拼裝管片姿態(tài)，分析管片移動趨勢和程度，對之后的盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)、注漿量進(jìn)行調(diào)整，保證管片成環(huán)的中心位置與設(shè)計(jì)軸線之間的偏差在±100 mm之內(nèi)。

2.6 盾構(gòu)姿態(tài)控制

在盾構(gòu)進(jìn)行糾偏過程中，土體擾動會增加，因此在推進(jìn)過程中，不僅確保盾構(gòu)正面沉降控制良好，而且盡可能使盾構(gòu)勻速、直線穿越，避免大幅度的糾偏，以免造成過大的土體損失[10]。預(yù)先計(jì)算好每環(huán)的楔形量及千斤頂控制行程，并在盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)根據(jù)自動測量系統(tǒng)反饋數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)控制。需要糾偏時(shí)，單次平面糾偏量不超過3 mm/環(huán)，單次高程糾偏量不超過1‰，并注意保證管片與盾殼的間隙。推進(jìn)時(shí)采用穩(wěn)坡法、緩坡法，以減少盾構(gòu)施工對地表建筑物的影響。

2.7 同步注漿及二次注漿

2.7.1 同步注漿

同步注漿由填充性、限定范圍、固結(jié)強(qiáng)度(早期強(qiáng)度)三要素構(gòu)成，這三者相輔相成又相互制約[13]。通過調(diào)整同步注漿的體積、材料配比、注漿壓力和注漿位置等，才能得到理想的同步注漿效果。

根據(jù)試驗(yàn)段(下穿二七廣場站)數(shù)據(jù)分析，經(jīng)計(jì)算確定泵送出口處的壓力應(yīng)控制在0.2～0.3 MPa。具體同步注漿材料配比如表3所示。

表3 同步注漿材料配比

2.7.2 二次注漿

由于同步注漿壓力、注漿量不足和出土量大等原因未能進(jìn)行充分的同步注漿時(shí)，會出現(xiàn)管片漏水、地面沉降等現(xiàn)象。因此，此區(qū)域的管片新增設(shè)10個(gè)注漿孔，在管片脫離盾尾時(shí)，立即對加固區(qū)所在范圍內(nèi)的注漿孔打設(shè)注漿管，實(shí)施二次注漿和洞內(nèi)徑向注漿，注漿量和注漿點(diǎn)根據(jù)注漿時(shí)的壓力值和地層變形監(jiān)測數(shù)據(jù)而定，二次注漿配比如表4所示。

表4 二次注漿配比

3 盾構(gòu)推進(jìn)數(shù)值計(jì)算分析

3.1 施工工況選擇

根據(jù)現(xiàn)場3號線實(shí)際施工情況進(jìn)展，主要分為3個(gè)施工階段，樁基施工階段、左線盾構(gòu)穿越階段、右線盾構(gòu)穿越階段。樁基施工階段考慮到地鐵1號線施工時(shí)已于2009年施工鉆孔樁，此階段已完成。另外，左線盾構(gòu)穿越階段，因左線與建筑遺產(chǎn)距離大于2倍隧道直徑，對建筑影響較小，此文不做具體分析。因此，僅研究右線盾構(gòu)穿越階段。

3.2 模型建立

3.2.1 土體參數(shù)選取

對于盾構(gòu)施工的模擬，與常見的地下工程相同，涉及本構(gòu)模型的選取，采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型。應(yīng)力邊界條件設(shè)置:豎直方向上根據(jù)土層自重應(yīng)力壓力系數(shù)進(jìn)行等代，水平方向上根據(jù)自重應(yīng)力進(jìn)行等代。位移邊界條件設(shè)置:模型的頂面為自由邊界，底面為完全約束，模型的四周邊界設(shè)為各約束面的法向位移。數(shù)值模擬的目的在于研究盾構(gòu)施工過程中引起的二七塔周邊地表沉降以及盾構(gòu)施工前二七塔周邊土體自重力影響下的地表沉降。為了后續(xù)軟件良好運(yùn)行，土層進(jìn)行了迭代優(yōu)化。首先，根據(jù)地層勘探報(bào)告中巖土參數(shù)建議值，利用軟件中Extrusion的命令模擬實(shí)際土層分布，獲取模型初始值；其次，在初始值基礎(chǔ)之上通過迭代計(jì)算獲取適用于模擬計(jì)算的優(yōu)化土層參數(shù)；然后根據(jù)地層勘探報(bào)告中已知數(shù)據(jù)：內(nèi)聚力、有效內(nèi)摩擦角，通過計(jì)算公式換算出軟件所需輸入命令流中土層其他參數(shù)(如泊松比、剪切模量等)；最終得到優(yōu)化后的計(jì)算土層分布[圖6(a)]，土層參數(shù)選取如表5所示。

表5 計(jì)算土層參數(shù)選取

3.2.2 盾構(gòu)參數(shù)選取

為了合理的模擬盾構(gòu)施工，常用等代層來模擬管片外側(cè)的建筑空隙、同步注漿的漿液沿隧道徑向向土體滲透的部分土體。用等代層的彈性模量、泊松比和厚度的不同取值，來模擬同步注漿中漿液的物理力學(xué)性質(zhì)的變化[14]。管片及等代層參數(shù)如表6 所示，盾構(gòu)隧道相關(guān)參數(shù)如表7所示。

3.2.3 數(shù)值模型建立

為了減小邊界效應(yīng)的影響，考慮隧道開挖對土體的擾動及其影響范圍為3～5倍的隧道直徑，將數(shù)值模擬分析的模型尺寸邊界定為3R以外，其中R為盾構(gòu)開挖的直徑，模型長度為50 m，寬度為100 m，上至地面，下至隧道軸線以下19 m為邊界，Z方向共50 m。兩盾構(gòu)掘進(jìn)中心線連線的右側(cè)為X軸正方向，沿盾構(gòu)掘進(jìn)方向?yàn)閅軸正向，豎向向上為Z軸正向。根據(jù)等效剛度和等效面積的原則，將隔離樁基等效成等厚度的排樁墻。整個(gè)模型范圍為100 m×50 m×50 m，共62 400個(gè)單元格，如圖5、圖6所示。

表6 管片及等代層模型參數(shù)

表7 盾構(gòu)隧道相關(guān)參數(shù)

圖5 幾何模型相對尺寸Fig.5 Relative dimensions of geometric model

圖6 FLAC3D數(shù)值計(jì)算模型Fig.6 FLAC3D numerical calculation model

3.2.4 施工工況數(shù)值模擬

(1)工況1：土體先前累計(jì)固結(jié)沉降及鉆孔樁施工完成后—盾構(gòu)施工前累計(jì)位移沉降(圖7)。

圖7 土層、排樁及二七塔自重應(yīng)力下的位移云圖Fig.7 Displacement nephogram of the soil, pile and Zhengzhou Memorial Tower under gravity stress

(3)工況2：右線盾構(gòu)機(jī)穿越二七塔過程中(距離最近)，如圖8所示。

圖8 盾構(gòu)機(jī)側(cè)穿二七塔的位移云圖Fig.8 Displacement nephogram of shield tunneling machine side through Zhengzhou Memorial Tower

3.3 數(shù)值計(jì)算分析

盾構(gòu)施工前，排樁的施工對二七塔附近的沉降固結(jié)有較大的擾動，同時(shí)表明自排樁施工后，排樁自身較穩(wěn)定，沉降微小。此模擬可以得出地層長期累計(jì)沉降以及排樁施工后的沉降，對比說明了排樁在施工前后的沉降對比。

盾構(gòu)穿越過程中，按方案施工參數(shù)代入盾構(gòu)掘進(jìn)過程模擬，得出沉降在允許范圍內(nèi)，預(yù)測盾構(gòu)可以順利安全通過二七塔施工段。

4 現(xiàn)場實(shí)測與數(shù)值計(jì)算對比分析

為了驗(yàn)證施工技術(shù)措施的合理性、數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性以及具體施工過程中對二七塔的影響程度，根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測的數(shù)據(jù)進(jìn)行了實(shí)測結(jié)果對比分析。

隧道軸向?qū)嶋H監(jiān)測值與數(shù)值模擬預(yù)測值對比情況如圖9所示。

(1)監(jiān)測點(diǎn)實(shí)測規(guī)律與數(shù)值計(jì)算模擬沉降規(guī)律一致，變化量級一致，說明數(shù)值模擬的合理性以及前期技術(shù)方案措施的合理性。

(2)盾構(gòu)側(cè)穿二七塔10 d后，實(shí)測點(diǎn)最大累計(jì)隆起1.82 mm，最大累計(jì)沉降-2.15 mm；數(shù)值計(jì)算過程中沉降曲線，最大沉降-3.1 mm，最小沉降-1.1 mm。從數(shù)值上看，實(shí)測結(jié)果與數(shù)值計(jì)算結(jié)果基本一致，說明隧道距離二七塔最近位置地面沉降波動較大。

隧道橫向?qū)嶋H監(jiān)測值與數(shù)值模擬預(yù)測值對比情況如圖10所示。

(1)遠(yuǎn)離二七塔位置的隧道左線位置隆起較大(4.05 mm)，距離二七塔近端的右線隧道成沉降趨勢(-4.47 mm)，距離二七塔最近的斷面監(jiān)測最大沉降為-2.15 mm，符合右線盾構(gòu)施工過程中對先行施工左線的影響實(shí)際施工情況。

(2)7、8、9監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)說明樁基施工完成后，加固了二七塔周邊土體，減緩了由于盾構(gòu)施工帶來的土體損失、應(yīng)力擾動對二七塔的沉降變形影響。

(3)監(jiān)測值和數(shù)值模擬基本趨于一致。由于實(shí)際監(jiān)測中取值的主觀因素和客觀因素，以及數(shù)值模擬計(jì)算時(shí)所選取參數(shù)等效的原因，實(shí)測結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果存在一定的差異。

通過對比分析，在一定程度上驗(yàn)證了數(shù)值模擬方法的可靠性和結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖9 二七塔附近隧道軸向累計(jì)沉降曲線Fig.9 Curve of tunnel axial cumulative settlement nearby Zhengzhou Memorial Tower

圖10 二七塔附近隧道橫向累計(jì)沉降曲線Fig.10 Curve of tunnel transverse cumulative settlement nearby Zhengzhou Memorial Tower

二七塔沉降曲線隨時(shí)間發(fā)展情況如圖11所示。目前文物建筑的差異沉降控制標(biāo)準(zhǔn)暫未發(fā)布，可以參考相關(guān)規(guī)范的嚴(yán)格要求，《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50007—2011)[15]要求差異沉降不宜大于0.5‰，《城市軌道交通工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(GB 50911—2013)[16]要求沉降控制值<10 mm，變化速率控制值<1 mm/d，差異沉降控制值<1‰。通過圖中監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線可知，右線盾構(gòu)近距離穿越二七紀(jì)念塔時(shí)，文物建筑6個(gè)監(jiān)測點(diǎn)沉降為-1～2 mm，最大變化速率為0.97 mm/d，差異沉降0.14‰，均在允許范圍內(nèi)，波動最大的階段是近距離穿越過程，后期沉降趨于穩(wěn)定。

圖11 二七塔沉降曲線隨時(shí)間發(fā)展情況Fig.11 Settlement curve of Zhengzhou Memorial Tower develops with time

5 結(jié)論

文物遺產(chǎn)的不可逆性決定了在其周邊進(jìn)行施工準(zhǔn)確度和安全性的重要意義。結(jié)合鄭州地鐵3號線近距離側(cè)穿古建筑的實(shí)際工程，建立隧道-土體-建筑遺產(chǎn)的三維有限元模型進(jìn)行計(jì)算預(yù)測，提供盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)優(yōu)化依據(jù)，并與實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，得出以下結(jié)論。

(1)施工前施作鉆孔灌注樁加固，有效地控制了二七紀(jì)念塔的沉降，符合規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，確保了結(jié)構(gòu)的長期穩(wěn)定。

(2)數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果規(guī)律一致，驗(yàn)證了數(shù)值方法的準(zhǔn)確性和合理性，因此，數(shù)值模擬方法在工程實(shí)踐中具有重要指導(dǎo)意義。

(3)實(shí)際施工過程中盾構(gòu)推進(jìn)所選定的速度 35 mm/min、注漿壓力0.25 MPa、土倉壓力 0.16 MPa 等參數(shù)證實(shí)可安全通過二七塔，為類似工程施工提供了參考。