严佳梁

（上海城投公路投资集团有限公司，上海市 200335）

0 引言

随着城市的发展，市政交通基础设施不可避免的会与居民区在平面上交会，在以往的建设过程中，这样的交会通常以居民区的拆迁为前提，但随着近年来房屋价格的攀升与市民物权意识的增强，居民区的拆迁往往耗资巨大，且时间不受控制。因此，以盾构法为代表的暗挖法表现出了强大的应用市场。但在软土地区，盾构法的使用一定会对一定范围内的软土造成较大的扰动，通常会使盾构隧道正上方及侧方一定范围内的地表出现一定的位移沉降，而且这种位移沉降与盾构的直径有很大的相关性[1-2]，当该范围内有需要保护的建筑物时，如何采取必要的技术手段确保有关建筑物的安全显得至关重要，国内对于此项内容的研究包括有数值模拟分析，实验研究与工程实践[3-5]，本文以一个典型的实践案例展开分析。

1 案例背景

上海市“龙耀路越江隧道新建工程（济阳路至长清路段）”总长1.01 km，采用φ11 580 m m 大型泥水盾构机推进，最大坡度4.95%，最小平面曲率半径为750 m。盾构线路正好下穿济阳二村等小区内多幢建筑，穿越位置盾构埋深10～17 m。其中隧道正上方建筑物共12 处，共计14 530 m2，其中民居住宅10 392 m2。考虑到盾构推进会对正上方有关建筑造成较大的影响，原计划对隧道正上方房屋在盾构施工前进行预加固，但因维稳问题，预加固没能实施，因此该项目的实施高度依赖于工程设计施工技术方案的可行性。

而该处盾构范围内的居民房屋为上世纪80～90年代建造，房屋体形变化较多且不规则，均为浅基础砖砌无柱局部圈梁结构，倾斜率最大已达12.6‰，且存在较为严重的结构开裂等情况，房屋检测数据显示，房屋具备该年代房屋的总体特性，整体性较差。另一方面，隧道位于粉质砂土层，该土层触变性及对变形的敏感性大，龙耀路一期施工时曾发生过多次地面沉降超过10 cm 的情况也验证了土层特性。两个不利因素叠加，各方面专家都认为大直径盾构穿越成片房屋难度及风险大。

针对上述情况，有关参建单位开展了深入的研究，形成了数套相互配合的技术措施与管理方案，下面，将聚焦于技术措施展开论述。

2 技术措施

2.1 设计方案优化

对隧道线形进行设计优化以减少影响范围；线性调整分为两个方面，一方面是对纵坡面的调整，另一方面为平面线型的调整。平面上，北线隧道平面曲线半径R 为750 m，两隧道净距5.68 m（工作井处）～14.02 m，为减少盾构穿越房屋区段施工引起的地面沉降范围，首先考虑优化南、北线隧道的平面距离，优化后隧道净距最大约为11.36 m（1 倍隧道直径），优化后北线隧道平面曲线半径R 为700 m。同时，由于房屋最怕的不是均匀沉降而是不均匀沉降，通过前期大量的盾构推进数据积累研究发现，盾构沉降槽范围以内与沉降槽范围以外的沉降坡降非常明显，因此应该将盾构线形尽量调整于房屋正下方，避免斜穿房屋一个角或半侧的空间位置情况出现。

纵断面方面，为减少盾构施工的平面影响范围，可考虑减少隧道埋深，以济阳路φ2 400 污水管和西营路2 800 mm×2 000 mm 雨水管为控制点，隧道纵断面最大上抬的幅度为3 m，但在地层损失率一定的前提下，地面沉降较大，同时影响范围的减少有限，不能导致影响范围内房屋的减少。故不考虑调整纵断面，维持现状纵断面。

考虑利于盾构推进期间的姿态控制，隧道竖曲线与平面曲线尽量不同时出现。

除上述线型优化外，考虑如下设计技术措施，以利于控制周边房屋沉降：

（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，避免隧道运营期间地下水流失而导致的房屋沉降。

（4）在穿越范围内采用设置增设注浆孔的管片，盾构通过该地段后，根据地层变形监测数据进行二次注浆。

2.2 施工设备改造

针对使用过的盾构机，结合现场情况，对盾构的气压仓、泥水系统、注浆系统等设备进行改造以提升性能。

由于盾构隧道主要切削的土层为④1层、④2－1层、④2－2层（承压水层）、⑤1层，并且在整个盾构隧道施工过程中，一个盾构切削面内同时存在上述四个土层，切口平衡较难控制。因此，保持开挖面稳定性的切削刀盘、切削土仓中土压力测量系统、泥水加压系统、推进系统、泥水输送系统等装置及设备的适应性设计是非常必要的。

为减小盾构穿越重要建筑物过程中的切口波动值，从而减少对正面土体的扰动，本次盾构机需增加气压补偿装置，增加了气压仓自动气压平衡控制功能；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）。盾构机中壳体前后设置的16 个注浆注入口对盾构机外周土体进行加固，防止本体磕头或下沉；盾尾采用3道钢丝刷+1 道钢板刷，增加了10 个油脂注入口，同时增加一台盾尾油脂泵，增加10 个高压电动球阀等配套设备，并对盾构机PLC 程序及触摸屏画面进行了修改。

2.3 盾构推进控制

盾构推进前，选取代表性断面，采用有限元数值进行了模拟分析，见图1。计算预测南线穿越后的地表最大沉降为7.7 cm，北线穿越后的地表最大沉降为8.8 cm。而根据整理和收集的上海市以往的φ11.58 m 盾构施工沉降数据分析，盾构穿越时地层沉降一般控制尚可，但穿越后后期沉降均较大。因此，对于盾构施工参数做了更为精确的把控。在经过了多次组织盾构推进施工方案专家咨询会论证后，主控参数及控制结果简述如下。

图1 数值模拟南线隧道和北线隧道先后穿越之后的地表沉降曲线

（1）切口水压

严格控制切口水压力是至关重要的，需保证正面稳定，并尽可能减少切口水压的波动。在实际操作中，南线推进时，因为担心房屋沉降，切口水压最高达到了1.2γh，造成机头前方土体隆起过大，且影响范围扩大，后期沉降时间长，沉降量大；后在北线推进时，降低了切口水压，控制在0.67γh，反而得到了非常理想的效果。

（2）盾构姿态控制

在该区段掘进时，就必须严格控制盾构姿态，避免较大幅度的纠偏，减小对土层的扰动。但在实际的南线推进过程中，盾构出现了较大的抬头情况，机头中心线高程始终高于设计轴线20 cm 左右，虽然过程中进行了纠偏，但是效果很不理想；后来在北线的推进中，调整降低了切口压力和注浆量，盾构姿态得到了极大的提高，高程差距仅为±100 mm 以内。也因此，北线推进时的环境影响量要控制得好得多。

（3）掘进速度

正常掘进如推进速度过快，则会引起正面土体挤压过大。实际应用下来，在此特定埋深穿过建筑时推进速度控制在30 mm/min 效果最佳。

（4）衬砌拼装

衬砌拼装接缝密贴，环面平整，且与隧道轴线偏差不大，盾构环缝基本没有漏水、漏泥、漏浆现象，这对控制盾构姿态也很关键。

（5）掘削量控制

盾构机前部是旋转切削刀盘，通过刀具将开挖面上的土体切削下来送入泥水仓，然后与送泥泵送入泥水仓的泥水搅拌后以比重较高的泥水形式通过排泥管路用排泥泵排出。为确保掘削量的准确，定期对泥水管路上的流量计、密度计进行标定，严禁超挖，一旦发现掘削量过大时，立即检查泥水密度、粘度和切口水压。

（6）同步注浆控制

如果同步注浆不充分，势必造成地面沉降。这个盾构机的理论注浆量为：V=7.192 m3。一般情况下实际的注浆量为理论建筑空隙的140%～250%。实际该区段非穿越房屋阶段基本按照9.5 m3/环进行控制，穿越房屋阶段基本按照11.5 m3/环进行控制，注浆量较优，超出则对盾构姿态产生较大影响，同时，注浆压力控制在0.3 MPa 以内（指泵送出口处）。

（7）泥水质量控制

泥水平衡盾构使用泥水的目的也就是用泥水来谋求开挖面稳定，在防止塌方的同时，将切削下来的泥膜形成泥水并被输送到地面。在本案例的土体情况下，泥水比重1.35 g/cm3，粘度23 s，泥壁形成性、润滑性都较好。

（8）分层注浆

在盾构穿越建筑物过程中（前后各20 m 范围）需进行分层加固注浆，预先在管片上增设附加注浆孔（每块管片增设2 只），通过管片预留注浆孔，向周边土体打管进行注浆加固，以提高隧道周边土体强度，减少建筑物后期沉降，注浆范围为盾构管片外3 m。实际并没有出现需要二次注浆的情况。

2.4 房屋与环境监测

本次监测拟对隧道下穿的14 幢房屋房屋进行自动化监测，主要包括采用倾角仪进行房屋倾斜自动化监测，采用裂缝计进行墙体裂缝自动化监测，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，数据采集频率为1 h 一次。同时，辅助以常规传统的检测内容，包括地表沉降监测与地表深层沉降监测。

实际应用下来，所有的盾构推进参数都可依据房屋每小时的沉降变化数据及时调整，这在整个施工的过程中发挥了至关重要的指导作用。

2.5 后加固及修缮

在盾构工程施工结束，房屋沉降变形趋于稳定后，再进行了一次全面的房屋质量复核检测，根据房屋的损坏情况、稳定状况，安全状况，进行了必要的修缮加固。

3 实测数据及分析

经过为期一年多的数据积累，针对盾构正上方的6 幢居民楼，形成了一套完整的监测数据，由于篇幅的关系，仅列举其中的一幢数据为例，见图2。

图2 1 号房（门牌号略）各测点沉降曲线

通过对六幢房屋的沉降曲线的观察，结合盾构通过该幢房屋的时间，及施工参数，可以比较清晰的形成如下的经验：

（1）设计上将盾构轴线在平面上尽可能地调整至房屋正下方，避免沉降槽对房屋产生较大的不均匀沉降影响，这是非常有效的，实际监测的结果显示沉降槽在盾构侧边一倍半径以内较大，超出该范围的沉降很小，盾构通过15 d 后差异沉降基本稳定。

（2）本工程盾构机采用自动气平衡装置，可有效控制切口压力波动（基本控制±5 kPa 范围内），设定压力方面采用0.67γh 计算水土压力，可有效较精确地控制切口处沉降。

（3）通过本项目，形成了一套适应于上海地质情况的盾构推进参数，其中特别值得总结的是盾构切口水压、同步注浆量和盾构姿态之间的关系，一旦盾构姿态由于前两个参数而出现较大偏差，推进过程中很难再纠偏。

（4）同步实时信息化监测对盾构施工带来的优势特别显著，全自动测量装置对位移十分敏感，盾构施工参数根据测量数据可按分钟级进行调整，极大的避免了推进参数控制的盲目性。

4 结语

本文结合龙耀路隧道下穿居民小区的案例，较为详细的介绍了各方面的技术措施对策，并针对性的把方案和实际应用效果做了对比分析。在这样的工程条件下，必须从设计、施工、设备、监测4 个方面做好技术准备，但必须指出的是，同时还有本文没有提及的居民处置应急预案等大量的管理措施。两者有机结合，才可能在这样的复杂条件下成功实施，避免灾难性后果。