施工工艺选择：对历史建筑影响的研究与实践

盾构施工引起建筑物变形的主要机理为土体开挖卸荷引起地层损失，带动周边土体移动，进而影响到邻近历史建筑地基的变形和应力。为了减小盾构施工对邻近历史建筑的影响，在盾构通过历史建筑时，尽量以最佳盾构推进。最佳盾构推进是指盾构推进时对周围地层及地面的影响最小，表现在地层的强度下降小、超孔隙水压小、地面隆沉小以及盾尾脱开后的实沉幅度小，这些理想指标也是盾构施工中控制地面不均匀沉降、保护历史建筑的首要条件和治本办法。

盾构施工引起的扰动包括盾构机正面、盾尾空隙、盾构纠偏及姿态改变以及盾构掘进动作，如盾构推进速度、均匀性等，其中最主要的还是盾构正面压力的波动、不平衡以及盾尾空隙填充的及时性、密实性、均匀性两大方面。这两大方面具体可由前仓压力、掘进速度、出土量、盾构千斤顶推力、管片后背同步填充注浆和二次压密注浆的浆压和浆量、盾构每次纠偏量和总的纠偏量等施工参数控制。这几个施工参数既是独立的，又存在互相匹配、优化组合的问题，其根本目的是控制盾构推进轴线偏差不超出允许范围，尽量减少地层变形以及对历史建筑的扰动。盾构推进时参数优化组合的宏观表现就是地表变形的有效控制。同时，为了对历史建筑进行保护，施工前需建立历史建筑变形监测系统，盾构通过邻近历史建筑全过程中对建筑的变形进行监测，将实测的各类数据整理分析、优化组合，指导下一步的盾构推进，实现信息化施工。

1.前仓压力

土压平衡盾构施工工法的前提是精确设定盾构机土压力，维持盾构开挖面的稳定。从理论上讲，如果盾构刀盘面提供的压力和原静止土压力相当，则周围土体受到的扰动很小，地层不会出现大位移，邻近历史建筑不会出现大的扰动。如果盾构刀盘面提供的压力超过原静止土压力，前方土体处于被动压力状态，土体单元的水平应力大于垂直应力，则前方土体受到水平方向的强烈挤压而发生前移，因竖直方向的泊松效应使土体出现向上位移，发生地面隆起。而当盾构刀盘面提供的压力小于原静止土压力时，开挖面土体处于主动土压力状态，土体单元的水平应力小于垂直应力，则开挖面土体受到较小的支撑力而向后位移，如果出土速度过快，开挖面前上方土体还会塌落，导致地面沉降。

前仓压力应随隧道上覆土厚度的变化而变化，但如果仅凭土压力理论计算值来设定前仓压力显然是不合适的。另外，因土层的复杂性，如地面超载作用力的大小及建筑物基础结构的不确定性，造成了土压力设定值的计算结果不可能十分准确。再则，盾构机内部的土压传感器自动模式控制器存在系统误差，所以在盾构推进过程中需要对土压力设定值进行调整。根据实际施工经验，当历史建筑位于盾构机切口前方1.5D+H（D为盾构机外径，H为盾构中心至地面高度）范围内时，历史建筑会因盾构引起的地面沉降而受到扰动，而地面的沉降情况与土压力设定值密切相关，所以盾构前方地面沉降监测结果可直接反映土压力设定值与自然土压力的吻合程度。在实际施工过程中，可控制盾构机的地面沉降量在负沉降（隆起0～2 mm），如负沉降过大，则应适当调低土压力设定值，如发生正沉降，则应适当调高土压力设定值。

在盾构实际施工中，前仓压力与推进速度、出土量是一个动态平衡的过程，前仓压力是在一定范围内来回波动的。因此应根据地面变形监测数据的反馈，及时调整、优化掘进参数，控制好推进速度、螺旋机转速、排土闸门的开度等施工参数，使排土量和开挖量平衡，以保持前仓压力与开挖面的稳定。

2.推进速度

推进速度参数的选取应使土体尽量被切削而不是被挤压。若推进速度过快而出土率较小，则土仓压力会增大，其结果将导致地表隆起；反之，推进速度过慢，出土率过大将令土仓压力下降，引起地表下沉。盾构推进速度与前仓压力、千斤顶顶力、土体性质等因素相关，需综合考虑。

不同的地质条件，推进速度应不同。因土压平衡是依赖排土来控制的，所以，前仓的入土量必须与排土量匹配。合理设定土压力控制值的同时应限制推进速度，如推进速度过快，螺旋输送机转速相应值达到极限，密封仓内土体来不及排出，会造成土压力设定失控。所以应根据螺旋输送机转速（相应极限值）控制最高推进速度。由于推进速度和排土量的变化，前仓压力也会在地层压力值附近波动，施工中应特别注意调整推进速度和排土量，使压力波动控制在最小幅度。

推进速度控制的原则是要保证盾构机均匀、慢速地通过历史建筑，同时根据地面变形的实时监控数据即时调整推进速度。根据以往工程经验，盾构通过历史保护建筑时的推进速度初步可确定为8～10 mm/min，监测变形数据较大时控制在6～8 mm/min。

3.出土量控制

盾构排土量多少直接影响到盾构开挖面的稳定，控制排土量是控制地表变形的重要措施。盾构在一定的正面土压力下，其排土量取决于螺旋输送机的转速，而螺旋输送机的转速则与盾构千斤顶推进速度自动协调控制。按国外统计，在主动破坏和被动破坏限界之间的开挖面稳定区间内，压力差和排土量大致成比例关系。假定盾构外直径D为6.15 m，盾构环宽L为1.2 m，盾构推进每环的理论排土量为

出土量应控制在理论值的95%左右，即V=34 m3/环，保证盾构切口上方土体能微量隆起，以减少土体的后期沉降量。

4.同步注浆

注浆对改良地层性状、有效降低地面沉降、减少对历史建筑的扰动可起到积极的控制作用。盾尾同步注浆是利用同步注浆系统，对随着盾构机向前推进、管片衬砌逐渐脱出盾尾所产生的间隙进行限域、及时填充的过程。壁后注浆施工具有防止围岩松弛和把千斤顶推力传递到围岩的作用，因此必须进行充分的填充。在盾构工法中，注浆施工是一个必不可少的重要环节，把握好该环节与其他施工环节的配合是盾构施工的关键之一，也是有效降低地面沉降、减少对历史建筑扰动的关键点。此时，注浆压力和注浆量的控制是保证施工质量的重要手段。(www.xing528.com)

（1）注浆压力

为了使浆液很好地填充于管片的外侧间隙，必须以一定的压力压送浆液。注浆压力大小通常为地层土压力再加上0.1～0.2 MPa。

注浆压力在理论上只需使浆液压入口的压力大于该处水土压力之和，即能使管片与周围土体空隙得以充盈。但注浆压力不能太大，否则会使周围土层产生劈裂，管片外的土层将会被浆液扰动而造成较大的后期沉降并影响盾构隧道管片的稳定性。盾构推进阶段，可按1.2γ0 h（γ0为土容重，h为隧道上覆土厚度）确定注浆压力。如实践下来与理论计算有较大差距，原因可能有二：一是浆液管道造成压力损失；二是实际注浆量大于理论注浆量，超体积的浆液必须用高得多的压力方能压入尾隙。

（2）注浆量的确定

盾构推进的理论总空隙GP：

式中，L为环宽；R为盾构外半径；r为管片外半径。

理论上讲，浆液只需100%填充总空隙即可，但尚须考虑下述因素：

①浆体的失水收缩固结，会使有效注入量小于实际注入量。

②部分浆液会劈裂到周围地层中。

③曲线推进、纠偏或盾构抬头、叩头，会使实际开挖断面成椭圆。

④操作不慎，盾构走蛇形。

⑤盾构推进时，壳体外周带土，会使开挖断面大于盾构外径。

因此，合适的注浆量应比理论注浆量要大。实际操作过程中，注浆量填充率控制在理论空隙量的140%～170%之间。如在盾构推进时同步注浆的浆液填补空隙后，还存在地面沉降的隐患，可根据实际情况，相应增大同步注浆的压浆量。如监测数据证实地面沉降接近或达到报警值，或历史建筑物沉降量过大时，用壁后补注浆或地面跟踪注浆进行补救。