盾構(gòu)穿越古建筑群施工技術(shù)
杭州地鐵1號線12、13號盾構(gòu)定安路站～龍翔橋站區(qū)間大量房屋、古建筑和臨街商鋪，古建筑群主要在清末和民國時期修建，天然基礎(chǔ)，一至兩層磚木結(jié)構(gòu)，全部為杭州市歷史文物保護(hù)建筑。在分析同類型工程經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，盾構(gòu)穿越古建筑群前，通過建立試驗(yàn)段對盾構(gòu)施工參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化、管片注漿孔進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化等，同時配合信息化施工，調(diào)整施工參數(shù)，保證了安全順利穿越古建筑群，為后續(xù)項(xiàng)目提供了經(jīng)驗(yàn)。
隨著社會、經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展,城市化進(jìn)程的不斷加快，為有效緩解地面交通壓力，越來越多的城市進(jìn)行地鐵規(guī)劃和建設(shè)。由于地面資源的利用逐漸趨于飽和和城市歷史形成的原因，地鐵設(shè)計(jì)及建設(shè)的周邊環(huán)境控制因素越來越多，地鐵穿越居民小區(qū)甚至歷史文物保護(hù)建筑大量出現(xiàn)。因此，本文依據(jù)杭州地鐵1號線定安路站～龍翔橋站盾構(gòu)區(qū)間工程較為系統(tǒng)地總結(jié)穿越古建筑群施工經(jīng)驗(yàn)，為后續(xù)工程提供經(jīng)驗(yàn)指導(dǎo)。
一、工程概況
杭州地鐵1號線12、13號盾構(gòu)定安路站～龍翔橋站區(qū)間工程盾構(gòu)自定安路站始發(fā)后沿西湖大道向西掘進(jìn)，隧道右轉(zhuǎn)下穿古建筑群后至延安路下掘進(jìn)，直至到達(dá)龍翔橋站。本區(qū)間隧道頂埋深9.3～22.3m，隧道主要穿越⑦1粉質(zhì)粘土層、⑦2粘質(zhì)粉土層、④3淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土夾粉土層和④2淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土。
本區(qū)間穿越的古建筑群主要在清末和民國時期修建，天然基礎(chǔ)和條石基礎(chǔ)，一至三層磚木（混）結(jié)構(gòu)，抗變形能力差.
二、盾構(gòu)穿越古建筑群施工技術(shù)
2.1建立試驗(yàn)段
試驗(yàn)段在盾構(gòu)穿越古建筑群前50m范圍內(nèi)較為合適（地質(zhì)情況和埋深比較接近），通過試驗(yàn)段試掘進(jìn)，摸索出在不同的推進(jìn)參數(shù)下地面和周邊建構(gòu)筑物變形情況，并根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)對掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，最終實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)是：盾構(gòu)機(jī)通過后地表預(yù)隆起量1～3mm，工后沉降量≤10mm。
2.2 初步確定推進(jìn)參數(shù)
1、土壓力計(jì)算值
在盾構(gòu)掘進(jìn)前，根據(jù)隧道埋深、土層性質(zhì)和地面超載計(jì)算出盾構(gòu)正面土壓力，土壓力設(shè)定值約為計(jì)算值的1.05～1.1倍。
P=KP0
P：土倉設(shè)定壓力
P0：靜水壓力和地層土壓力之和
K：土壓力系數(shù)
試驗(yàn)段范圍隧道埋深為18.8～18.9m，試驗(yàn)段內(nèi)各斷面的計(jì)算土壓力為0.20～0.21Mpa。
2、出土量控制值
盾構(gòu)機(jī)外徑6.34m，管片環(huán)寬1.2m，每環(huán)的理論出土量為37.88m3，為降低地層損失，使地表微隆起，因此將出土量控制在理論出值的98%，即37.12m3/環(huán)。
3、推進(jìn)速度
試驗(yàn)段施工時，推進(jìn)速度不宜過快，盡量做到均衡施工，減少對周圍土體的擾動，避免在途中有較長時間耽擱。如果推得過快則刀盤開口斷面對地層的擠壓作用相對明顯，地層應(yīng)力來不及釋放，所以正常推進(jìn)時速度應(yīng)控制在2~3cm/min。
4、同步注漿
① 注漿壓力
漿液要充分充填盾構(gòu)施工產(chǎn)生的地層空隙，避免由此引起的地表沉陷，影響地表建筑物與地下管線的安全。同時防止過大的注漿壓力引起地表隆起或破壞管片襯砌。同步注漿注漿壓力應(yīng)大于開挖面的土壓力，控制在1.1～1.2倍的靜止土壓力范圍內(nèi)。
② 注漿量
Q=V·λ
λ—指注漿率
V—盾構(gòu)施工引起的建筑空隙（m3）
V=π（D2-d2）L/4
D—指盾構(gòu)切削外徑（m）（削切外徑6.34m）
d—指管片外徑（m）（管片外徑6.2m）
L—管片每環(huán)寬度（管片環(huán)寬1.2m）
根據(jù)公式計(jì)算得
Q=（6.342 -6.22）×3.14×1.2×λ/4=1.654λm3
根據(jù)杭州軟土地層特性和以往軟土地層施工經(jīng)驗(yàn)，試驗(yàn)段的注漿率為200～300%，試驗(yàn)段注漿率暫定為為250%，即注漿量初步確定為4.14m3/環(huán)。
5、二次注漿
為控制盾構(gòu)通過后的工后沉降，在管片脫出盾尾后進(jìn)行二次注漿，二次注漿堅(jiān)持“少量多次”的原則，注漿量為0.3m3/環(huán)·次。
2.3 監(jiān)測點(diǎn)設(shè)置
為了能及時反映盾構(gòu)推進(jìn)過程中隆沉情況，在試驗(yàn)段范圍內(nèi)每10m設(shè)置一個監(jiān)測斷面，每個監(jiān)測斷面共計(jì)9個點(diǎn)，軸線上布設(shè)1點(diǎn)，軸線左右兩側(cè)各布4點(diǎn)，間距分別為2.5m、3.5 m、5 m、4 m，根據(jù)每個斷面的監(jiān)測結(jié)果，繪制出沉降槽正態(tài)分布曲線。
2.4 調(diào)整優(yōu)化施工參數(shù)
在盾構(gòu)試掘進(jìn)期間，每天將監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，根據(jù)各監(jiān)測斷面的監(jiān)測數(shù)據(jù)所反映的地面變形情況對掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。由于同一監(jiān)測斷面在盾構(gòu)機(jī)通過的不同時段所引起的地表隆沉原因不同，因此將各個監(jiān)測斷面按盾構(gòu)到達(dá)前、盾構(gòu)刀盤、脫離盾尾、盾構(gòu)通過后（1天、3天、7天、14天）各時間點(diǎn)的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并采取相應(yīng)的措施調(diào)整盾構(gòu)掘進(jìn)和注漿參數(shù)。
1、盾構(gòu)到達(dá)前
在盾構(gòu)機(jī)到達(dá)前100m時布設(shè)監(jiān)測點(diǎn)并讀取初始時。
2、盾構(gòu)刀盤到達(dá)
（1）地表沉降
當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示盾構(gòu)機(jī)刀盤前方土體沉降較大時，說明正面土壓力設(shè)置偏小，將土壓力系數(shù)適當(dāng)調(diào)高，每次調(diào)整量控制在0.01～0.02范圍內(nèi)。同時應(yīng)調(diào)整盾構(gòu)總推力，扭矩、推進(jìn)速度和土壓力相匹配。
（2）地表隆起
當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示盾構(gòu)機(jī)刀盤前方土體隆起量較大時，說明正面土壓力設(shè)置偏大，將土壓力系數(shù)適當(dāng)調(diào)低，每次調(diào)整量控制在0.01～0.02范圍內(nèi)。同時調(diào)整盾構(gòu)總推力、降低扭矩、放慢推進(jìn)速度。
3、盾尾到達(dá)
（1）地表沉降
當(dāng)盾構(gòu)機(jī)尾部已通過監(jiān)測斷面時，若監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，盾尾土體沉降較大時，說明同步注漿量偏小，可適當(dāng)增大同步注漿量，每次調(diào)整量控制在0.3～0.5m3范圍內(nèi)。
（2）地表隆起
當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，盾尾土體隆起量較大時，說明同步注漿量偏大，可適當(dāng)減少同步注漿量，每次調(diào)整量控制在0.2～0.3m3范圍內(nèi)。
4、盾構(gòu)機(jī)完全通過
當(dāng)盾構(gòu)機(jī)尾部已通過監(jiān)測斷面3天后，同步注漿漿液已凝固并產(chǎn)生一定的收縮，此時的地表沉量會較脫離盾尾前增大，開始進(jìn)行二次注漿。根據(jù)盾構(gòu)機(jī)通過1天、3天、7天、14天時監(jiān)測斷面的變形量和變形速率調(diào)整注漿量和注漿參數(shù)。
（1）沉降變形繼續(xù)增長
當(dāng)?shù)乇沓两底冃卫^續(xù)增長，變形速率衰減時，說明二次注漿量偏少，需要繼續(xù)進(jìn)行二次注漿。
（2）沉降變形趨于穩(wěn)定
當(dāng)?shù)乇沓两底冃嗡俾手饾u減小趨于零，或由沉降開始變?yōu)槁∑饡r，說明二次注漿量已達(dá)到控制地表變形要求，可以減少注漿量或是停止注漿。
（3）地表突然隆起
在二次注漿初期，單日變形為突然隆起且變形速率較大時，說明注漿量較多、注漿壓力偏大，需減少二次注漿量、降低注漿壓力。二次注漿應(yīng)遵循“多點(diǎn)、少量、多次、均勻” 的循環(huán)往復(fù)注漿原則。
2.5 掘進(jìn)參數(shù)的確定
1、按照理論設(shè)計(jì)參數(shù)推進(jìn)
土壓力為0.205～0.21Mpa，同步注漿量約4.14m3/環(huán)，地面沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)如下表。
2、調(diào)整土壓力為0.195～0.205Mpa，同步注漿量約4.14m3/環(huán)，地面沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)如下表。
3、土壓力為0.19Mpa，同步注漿量約4.7m3/環(huán)，地面沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)如下表。
4、經(jīng)過試推進(jìn)，根據(jù)以上三個表格中參數(shù)的設(shè)置和結(jié)果比較分析，最后確定推進(jìn)參數(shù)。土壓力為0.19Mpa，同步注漿量約4.7m3/環(huán)，推進(jìn)時速度應(yīng)控制在2～3cm/min時，地表隆沉較為合理。
2.6 盾構(gòu)穿越古建筑群施工
根據(jù)盾構(gòu)穿越古建筑群前建立的試驗(yàn)段所摸索出的盾構(gòu)施工參數(shù)進(jìn)行掘進(jìn)。盾構(gòu)施工是一個動態(tài)施工過程，穿越過程中，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)不斷的對施工參數(shù)進(jìn)行修正，以試驗(yàn)段中確定的參數(shù)為基準(zhǔn)，不斷的進(jìn)行微調(diào)和優(yōu)化，真正做到信息化施工，進(jìn)而確保安全順利的穿越古建筑群。
三、優(yōu)化管片注漿孔
對于建（構(gòu)）筑物而言，尤其是盾構(gòu)單側(cè)穿越或是左右雙線兩次穿越的建（構(gòu)）筑物，易造成建筑物產(chǎn)生差異沉降，而差異沉降將嚴(yán)重影響建（構(gòu)）筑物的安全。加之盾構(gòu)穿越的地層主要是軟土地層，故盾構(gòu)穿越后的工后沉降控制時間較長，工后沉降控制需反復(fù)多次跟蹤注漿。
普通管片中注漿孔在3個標(biāo)準(zhǔn)塊+2個鄰接塊+ 1個封頂塊的管片中心各設(shè)計(jì)一個注漿孔，共6處注漿孔。為能夠反復(fù)多次注漿，除封頂環(huán)為1個注漿孔外，其余各塊管片均設(shè)計(jì)為3個注漿孔，每環(huán)管片共計(jì)16個注漿孔。優(yōu)化后的管片能夠?qū)崿F(xiàn)多點(diǎn)、多次、均勻的二次注漿，從而保證注漿效果，更能有效控制古建筑群的后期沉降。
四、盾構(gòu)穿越古建筑群施工效果
盾構(gòu)穿越古建筑群期間沒有發(fā)生過大的隆起和沉降，沒有發(fā)生地面和室內(nèi)外房屋墻面開裂。通過連續(xù)100天對古建筑群工后沉降監(jiān)測，數(shù)據(jù)已穩(wěn)定，古建筑物累計(jì)最大沉降量為-5.75mm，97%的監(jiān)測點(diǎn)累計(jì)沉降量在-5mm以內(nèi)。
五、結(jié)束語
地鐵隧道穿越古建筑群施工是地鐵施工中重大的風(fēng)險源，尤其是在軟土地層中穿越。只要我們注重理論與實(shí)踐相結(jié)合，采取有效的措施，就能杜絕事故的發(fā)生，確保穿越古建筑群施工安全。實(shí)踐證明，本工程在軟土地層中盾構(gòu)穿越古建筑群施工措施效果顯著，是非常成功的一次穿越，尤其是試驗(yàn)段模型的建立功不可沒，可供類似工程參考。
