王 谦， 杨昌鸣*， 陆继广， 徐英晋， 王启力

(1.北京工业大学北京市历史建筑保护工程技术研究中心， 北京 100124； 2.中国建筑第二工程局有限公司， 北京 100160; 3.广联达科技股份有限公司， 北京 100193)

一个城市的历史与文化内涵大部分存留在城市建筑遗产中。建筑遗产承载着城市的记忆，凝聚着城市居民的情感寄托，是城市的重要物质与精神财富[1]。目前，中国城市轨道交通快速发展，有效缓解了城市交通问题，有力推动了城市的经济发展[2]。但在其建设过程中不可避免地对周边环境产生影响，其中不乏一些建筑遗产。因此盾构穿越建筑遗产时，需要更高的施工技术要求和完备的加固措施[3]。

中国采用盾构法施工的城市隧道工程逐渐增多，积累了相当丰富的经验[4]。盾构施工技术凭借其对周围地层扰动小、隧道成形质量高、掘进速度快且不阻断地面交通、安全环保，其工程造价不随隧道埋深的深浅而发生大幅度的变化等优势，成为城市地铁隧道施工的主流施工方法，对其研究方法主要有数值模拟、简化解析、现场实测等[5-8]。

即便盾构法施工的优点如此之多，在其掘进过程中仍然会引起周围地层的变形和移动[9]。地层移动一方面会引起地表沉降，另一方面会引起临近建构筑物的变位，稍有不慎对建筑遗产可能带来不可恢复的影响[10]。目前对历史久远、意义重大的古建筑，盾构近距离侧穿砂土地层下的研究较少。为此，以郑州地铁3号线二顺盾构区间近距离下穿二七塔为例，施工前进行了三维数值模拟和施工技术研究，确定了盾构施工参数，施工中加强地面监测，盾构顺利通过二七纪念塔，验证了数值模拟的预测、加固效果及盾构掘进参数选取的合理性。

1 工程概况

1.1 工程简介

图1 区间线路侧穿二七塔平面图Fig.1 Plane of interval line side crossing Zhengzhou Memorial Tower

二七广场站—顺城街站盾构区间隧道为郑州市3号线一期工程的第10个盾构区间，本盾构区间小里程端为二七广场站，大里程端为顺城街站。区间设计范围：区间设计里程右线为YDK15+588.162～YDK16+520.386，长932.224 m，左线为ZDK15+590.462～ZDK16+455.078(长链2.365 m)，长869.281 m。最小平面曲线半径370 m，最大纵坡坡度为25.060‰，拱顶覆土埋深在9.145～18.56 m，盾构区间主要下穿运营中的二七广场站、近距离侧穿二七纪念塔、二七商厦过街天桥、1 m直径污水管等主要建(构)筑物。

1.2 穿越二七纪念塔概况

二七塔全称“郑州二七大罢工纪念塔”，是纪念性建筑物，纪念1923年2月7日的工人大罢工。二七塔位于郑州市二七广场， 1971年重建，塔身为并联式双塔，高63 m，共14层，其中基座为3层，塔身为11层，钢筋混凝土结构，2006年被国务院公布为第六批全国重点文物保护单位[11]。

地铁1号线二七广场站施工时，已对二七塔进行了加固，在二七塔北侧打设一排φ800@1 000 mm的隔离桩，范围是62 m，桩底标高为71.54 m，距离地面为29 m，位于地铁3号线二七广场站～顺城街站区间右线南侧。在右线隧道里程YDK15+713处距隔离桩最近，距离仅为0.41 m。隔离桩距离筏板基础的水平距离为7.044 m，距离地面建筑物台阶的水平距离为0.5 m。盾构施工的影响里程为YDK15+684.886～YDK15+729.886，长度为45 m，隧道顶部埋深为17.76～18.02 m，坡度为5.140‰。区间线路与二七塔相对位置平面图如图1所示，区间线路侧穿二七塔横剖如图2[12]所示。

图2 区间线路侧穿二七塔横剖图Fig.2 Cross-section of interval line side crossing Zhengzhou Memorial Tower

1.3 工程地质

盾构右线近距离侧穿二七塔经过地段，从上至下主要地层依次为①3砂质粉土填土、②21粉质黏土、②512粉砂、③25细砂、②41粉砂、③34黏质粉土、②51细砂、③26粉质黏土，具体分布情况及物理特性如图3、表1所示。

结合施工设计图纸及岩土勘察报告，确定区间范围内存在一层地下水，稳定水位埋深15～17.6 m，稳定水位标高83.14～87.72 m。该层水赋存于水位以下的冲洪积层中，主要接受侧向径流补给，补给方向为自西南向东北，以人工开采和径流排泄[12]。

2 盾构施工技术措施

盾构始发，近距离下穿正在运营的地铁1号线，分析土压力、推进速度、出土量、注浆量和注浆压力等参数设定对地面沉降的影响，掌握此区间内土体性质及盾构推进过程中土体沉降变化规律，从而准确设定盾构参数和采取相应措施，减少土体沉降量以确保安全通过二七纪念塔。

2.1 监测布点

盾构施工过程中为了对地表建筑物进行有效的保护，并保证盾构顺利安全穿越重点保护建筑物，特对二七纪念塔进行沉降监测。

图3 二七塔段地质剖面图Fig.3 Geological section schematic of Zhengzhou Memorial Tower segment

2.1.1 隧道轴向沉降点布设

根据施工设计图纸及专家评审建议，在盾构机侧穿二七纪念塔段沿隧道轴向共设置11个监测点，全部采用深层点布设，确保真实反映地面位移情况。

2.1.2 隧道横向沉降点布设

根据地铁施工地面沉降规律，侧穿段横向设置3个断面，每个监测断面沿隧道中线对称布置测点。

2.1.3 二七塔倾斜点布设

根据所调研资料对二七塔地基基础及上层结构情况进行分析，倾斜点布置在其基础六个角上。监测点布设情况如图4所示。

表1 主要地质分布情况及特性

DBC表示地表沉降；JGC表示建(构)筑物竖向位移；JGQ表示建(构)筑物倾斜图4 盾构穿越二七塔段监测点布设Fig.4 Layout of monitoring point of shield crossing Zhengzhou Memorial Tower segment

2.2 推进土压力设定

根据设计图纸、下穿二七广场站的盾构机及地层实际状况分析，确定盾构侧穿二七塔的掘进参数并严格控制盾构机姿态。在推进时，各项参数应控制在要求范围内，保证盾构机近距离侧穿二七塔期间顺利通过。盾构侧穿二七塔掘进参数如表2所示。

在盾构机侧穿二七塔前，将上部土仓压力稳定在0.16～0.17 MPa，随后根据推进过程中的反馈数据进行修正。包括盾构埋深、所在位置的土层状况以及监测数据进行实时优化调整，每次调整的幅度为0.005 MPa。

表2 侧穿二七塔掘进参数表

2.3 出土量控制

盾构是否出现超挖/欠挖最直观、重要的依据是出土量的大小。施工中，须严格控制每环出土量，超挖、欠挖的偏差都不得超过理论值的5%。此外，根据盾构的推进速度，合理选择螺旋输送机的转速、闸门开口率和出土量等参数，确保过程中出土与开挖保持同步。出土量控制：土压建立起来后，控制出土方量，具体数值根据实际情况进行调整；出土量控制作为土压控制的辅助措施，并应根据地面监测情况进行调整。

2.4 推进速度设定

设定合理的盾构推进速度，确保匀速推进，减少盾构机对周边土体的扰动，以达到控制地面变形、保护地面建筑物的目的；依据试验段的推进数据，在右线侧穿二七塔盾构施工过程中，盾构机推进速度控制在30～40 mm/min，并观察每环出土量，避免超挖等情况。

2.5 管片拼装

通过控制推进时盾构机姿态、同步注浆量和二次注浆可以对管片姿态进行有效控制。测量已拼装管片姿态，分析管片移动趋势和程度，对之后的盾构机姿态、注浆量进行调整，保证管片成环的中心位置与设计轴线之间的偏差在±100 mm之内。

2.6 盾构姿态控制

在盾构进行纠偏过程中，土体扰动会增加，因此在推进过程中，不仅确保盾构正面沉降控制良好，而且尽可能使盾构匀速、直线穿越，避免大幅度的纠偏，以免造成过大的土体损失[10]。预先计算好每环的楔形量及千斤顶控制行程，并在盾构推进时根据自动测量系统反馈数据实时控制。需要纠偏时，单次平面纠偏量不超过3 mm/环，单次高程纠偏量不超过1‰，并注意保证管片与盾壳的间隙。推进时采用稳坡法、缓坡法，以减少盾构施工对地表建筑物的影响。

2.7 同步注浆及二次注浆

2.7.1 同步注浆

同步注浆由填充性、限定范围、固结强度(早期强度)三要素构成，这三者相辅相成又相互制约[13]。通过调整同步注浆的体积、材料配比、注浆压力和注浆位置等，才能得到理想的同步注浆效果。

根据试验段(下穿二七广场站)数据分析，经计算确定泵送出口处的压力应控制在0.2～0.3 MPa。具体同步注浆材料配比如表3所示。

表3 同步注浆材料配比

2.7.2 二次注浆

由于同步注浆压力、注浆量不足和出土量大等原因未能进行充分的同步注浆时，会出现管片漏水、地面沉降等现象。因此，此区域的管片新增设10个注浆孔，在管片脱离盾尾时，立即对加固区所在范围内的注浆孔打设注浆管，实施二次注浆和洞内径向注浆，注浆量和注浆点根据注浆时的压力值和地层变形监测数据而定，二次注浆配比如表4所示。

表4 二次注浆配比

3 盾构推进数值计算分析

3.1 施工工况选择

根据现场3号线实际施工情况进展，主要分为3个施工阶段，桩基施工阶段、左线盾构穿越阶段、右线盾构穿越阶段。桩基施工阶段考虑到地铁1号线施工时已于2009年施工钻孔桩，此阶段已完成。另外，左线盾构穿越阶段，因左线与建筑遗产距离大于2倍隧道直径，对建筑影响较小，此文不做具体分析。因此，仅研究右线盾构穿越阶段。

3.2 模型建立

3.2.1 土体参数选取

对于盾构施工的模拟，与常见的地下工程相同，涉及本构模型的选取，采用摩尔-库伦本构模型。应力边界条件设置:竖直方向上根据土层自重应力压力系数进行等代，水平方向上根据自重应力进行等代。位移边界条件设置:模型的顶面为自由边界，底面为完全约束，模型的四周边界设为各约束面的法向位移。数值模拟的目的在于研究盾构施工过程中引起的二七塔周边地表沉降以及盾构施工前二七塔周边土体自重力影响下的地表沉降。为了后续软件良好运行，土层进行了迭代优化。首先，根据地层勘探报告中岩土参数建议值，利用软件中Extrusion的命令模拟实际土层分布，获取模型初始值；其次，在初始值基础之上通过迭代计算获取适用于模拟计算的优化土层参数；然后根据地层勘探报告中已知数据：内聚力、有效内摩擦角，通过计算公式换算出软件所需输入命令流中土层其他参数(如泊松比、剪切模量等)；最终得到优化后的计算土层分布[图6(a)]，土层参数选取如表5所示。

表5 计算土层参数选取

3.2.2 盾构参数选取

为了合理的模拟盾构施工，常用等代层来模拟管片外侧的建筑空隙、同步注浆的浆液沿隧道径向向土体渗透的部分土体。用等代层的弹性模量、泊松比和厚度的不同取值，来模拟同步注浆中浆液的物理力学性质的变化[14]。管片及等代层参数如表6 所示，盾构隧道相关参数如表7所示。

3.2.3 数值模型建立

为了减小边界效应的影响，考虑隧道开挖对土体的扰动及其影响范围为3～5倍的隧道直径，将数值模拟分析的模型尺寸边界定为3R以外，其中R为盾构开挖的直径，模型长度为50 m，宽度为100 m，上至地面，下至隧道轴线以下19 m为边界，Z方向共50 m。两盾构掘进中心线连线的右侧为X轴正方向，沿盾构掘进方向为Y轴正向，竖向向上为Z轴正向。根据等效刚度和等效面积的原则，将隔离桩基等效成等厚度的排桩墙。整个模型范围为100 m×50 m×50 m，共62 400个单元格，如图5、图6所示。

表6 管片及等代层模型参数

表7 盾构隧道相关参数

图5 几何模型相对尺寸Fig.5 Relative dimensions of geometric model

图6 FLAC3D数值计算模型Fig.6 FLAC3D numerical calculation model

3.2.4 施工工况数值模拟

(1)工况1：土体先前累计固结沉降及钻孔桩施工完成后—盾构施工前累计位移沉降(图7)。

图7 土层、排桩及二七塔自重应力下的位移云图Fig.7 Displacement nephogram of the soil, pile and Zhengzhou Memorial Tower under gravity stress

(3)工况2：右线盾构机穿越二七塔过程中(距离最近)，如图8所示。

图8 盾构机侧穿二七塔的位移云图Fig.8 Displacement nephogram of shield tunneling machine side through Zhengzhou Memorial Tower

3.3 数值计算分析

盾构施工前，排桩的施工对二七塔附近的沉降固结有较大的扰动，同时表明自排桩施工后，排桩自身较稳定，沉降微小。此模拟可以得出地层长期累计沉降以及排桩施工后的沉降，对比说明了排桩在施工前后的沉降对比。

盾构穿越过程中，按方案施工参数代入盾构掘进过程模拟，得出沉降在允许范围内，预测盾构可以顺利安全通过二七塔施工段。

4 现场实测与数值计算对比分析

为了验证施工技术措施的合理性、数值模拟的准确性以及具体施工过程中对二七塔的影响程度，根据现场监测的数据进行了实测结果对比分析。

隧道轴向实际监测值与数值模拟预测值对比情况如图9所示。

(1)监测点实测规律与数值计算模拟沉降规律一致，变化量级一致，说明数值模拟的合理性以及前期技术方案措施的合理性。

(2)盾构侧穿二七塔10 d后，实测点最大累计隆起1.82 mm，最大累计沉降-2.15 mm；数值计算过程中沉降曲线，最大沉降-3.1 mm，最小沉降-1.1 mm。从数值上看，实测结果与数值计算结果基本一致，说明隧道距离二七塔最近位置地面沉降波动较大。

隧道横向实际监测值与数值模拟预测值对比情况如图10所示。

(1)远离二七塔位置的隧道左线位置隆起较大(4.05 mm)，距离二七塔近端的右线隧道成沉降趋势(-4.47 mm)，距离二七塔最近的断面监测最大沉降为-2.15 mm，符合右线盾构施工过程中对先行施工左线的影响实际施工情况。

(2)7、8、9监测点数据说明桩基施工完成后，加固了二七塔周边土体，减缓了由于盾构施工带来的土体损失、应力扰动对二七塔的沉降变形影响。

(3)监测值和数值模拟基本趋于一致。由于实际监测中取值的主观因素和客观因素，以及数值模拟计算时所选取参数等效的原因，实测结果和数值模拟结果存在一定的差异。

通过对比分析，在一定程度上验证了数值模拟方法的可靠性和结果的准确性。

图9 二七塔附近隧道轴向累计沉降曲线Fig.9 Curve of tunnel axial cumulative settlement nearby Zhengzhou Memorial Tower

图10 二七塔附近隧道横向累计沉降曲线Fig.10 Curve of tunnel transverse cumulative settlement nearby Zhengzhou Memorial Tower

二七塔沉降曲线随时间发展情况如图11所示。目前文物建筑的差异沉降控制标准暂未发布，可以参考相关规范的严格要求，《建筑地基基础设计规范》(GB 50007—2011)[15]要求差异沉降不宜大于0.5‰，《城市轨道交通工程监测技术规范》(GB 50911—2013)[16]要求沉降控制值<10 mm，变化速率控制值<1 mm/d，差异沉降控制值<1‰。通过图中监测数据曲线可知，右线盾构近距离穿越二七纪念塔时，文物建筑6个监测点沉降为-1～2 mm，最大变化速率为0.97 mm/d，差异沉降0.14‰，均在允许范围内，波动最大的阶段是近距离穿越过程，后期沉降趋于稳定。

图11 二七塔沉降曲线随时间发展情况Fig.11 Settlement curve of Zhengzhou Memorial Tower develops with time

5 结论

文物遗产的不可逆性决定了在其周边进行施工准确度和安全性的重要意义。结合郑州地铁3号线近距离侧穿古建筑的实际工程，建立隧道-土体-建筑遗产的三维有限元模型进行计算预测，提供盾构掘进参数优化依据，并与实测数据进行对比分析，得出以下结论。

(1)施工前施作钻孔灌注桩加固，有效地控制了二七纪念塔的沉降，符合规范标准，确保了结构的长期稳定。

(2)数值模拟结果与实测结果规律一致，验证了数值方法的准确性和合理性，因此，数值模拟方法在工程实践中具有重要指导意义。

(3)实际施工过程中盾构推进所选定的速度 35 mm/min、注浆压力0.25 MPa、土仓压力 0.16 MPa 等参数证实可安全通过二七塔，为类似工程施工提供了参考。