穿越高级文物保护区域的施工技术实践

3.1.2.1　工程概况

龙华塔是上海地区最古老、最宏大的宝塔，迄今已有千余年历史，为全国重点文物，属于一级保护建筑。龙华塔系砖木阁楼式塔，八面七层，总高41.03m（自底层围廊地坪面算至塔尖），龙华塔塔壁由实心烧结黏土青砖砌筑，塔壁为空筒式，为主要承重构件。屋檐、平座、屋顶等木结构构件的自重均通过斗拱等构件传递到塔壁上。

轨道交通12号线的龙华路站—龙漕路站区间上行线60～75环、下行线60～75环，上、下行线盾构将先后侧穿龙华塔，穿越时12号线隧道与龙华塔水平距离39.2m，垂直距离约9.5m。穿越时12号线区间隧道位于④1灰色淤泥质黏土层中，盾构顶埋深约10m。区间隧道穿越龙华塔平剖图如图3-30所示。

图3-30　区间隧道穿越龙华塔平剖图

施工前委托专业单位对龙华塔进行勘察测量得：龙华塔朝东、朝北倾斜，朝东最大倾斜率达到9.3‰，朝北最大倾斜率达到3.09‰，对龙华塔现有受力状况的分析结果表明，龙华塔倾斜率达到5‰时，底部局部砌体最大主压应力达到0.83MPa，大于砌体抗压强度。故施工时需控制龙华塔累计沉降不得超过10mm，沉降速率不超过1mm/d，倾斜率增量不得超过1‰，这给施工穿越保护带来了极大的挑战。此外，穿越段区域附近龙华路有大量地下管线（表3-5），也给穿越施工增加了难度。

表3-5　管线情况统计表

地质土层是影响盾构推进的主要因素之一。根据地质资料，本工程施工时主要涉及的土层为：①1填土、①2浜填土、②黏土、③淤泥质粉质黏土、③j砂质粉土、④1淤泥质黏土、④2黏质粉土夹粉质黏土、⑤2灰色粉质黏土夹砂质粉土。

拟建场地勘探深度范围内的地下水类型有浅部土层中的潜水、第⑤2层中的微承压水及深部第⑤3-3层中的承压水。潜水补给来源主要为大气降水与地表径流，其水位动态变化主要受大气降水和地表径流影响。勘探期间由钻孔中测得的地下水埋深一般为1.3～3.2m，绝对标高为3.60～1.16m。上海地区地下水年平均水位埋深为0.5～0.7m，低水位埋深为1.5m。

第⑤2层微承压水水头、第⑤3-3层承压水水头随季节、气候、潮汐等因素呈年周期性变化，埋深一般为3.0～11.0m。

综上，龙华站建设的主要难点具体表现在以下三方面：

（1）场区工程地质及水文地质条件极为复杂。区内微承压含水层④2层黏质粉土夹粉质黏土和⑤2层砂质粉土埋深为16m；第一层承压水含水层⑦层粉细砂埋深大于50m。11号线龙华站基坑开挖深度最大为26.27m，重点考虑降⑦层承压水，且从附近地层静力触探曲线（如C5、 C8）看⑤3-1层在30～36 m范围粉性较大，层厚大于7m，与上覆⑤2层微承压水很可能存在较大的水力联系。

12号线龙华站最大开挖深度为17 m，不需要降⑦层承压水，仅需要降⑤2层微承压水，但⑤3-1层和⑤3-2层粉性较大（参考C18、 C19），分布在18～23 m范围，很可能具有微承压性，且与⑦层及上部⑤2层之间存在水力联系。因此，要在充分认识地下水条件的基础上制定科学合理的承压水减压技术方案。

（2）周边环境保护要求高。场地周边环境较复杂，其中11号线车站主体结构距离国家级文物保护龙华塔约为80m，距离市级文物保护单位龙华寺约为110m，距离龙华迎宾馆约为160m。车站东端龙华港防汛墙与车站距离仅为5.4 m，也作为重点保护的建（构）筑物。12号线车站主体距龙华塔约100m，距龙华寺约85m，与龙华迎宾馆仅15m，并且龙华路下可能存在的管线较多，对基坑设计和施工都提出较高要求。

（3）基坑开挖难度大。11号线为地下三层岛式车站，车站长度为150m，宽度为19.6 m，车站底板埋深约24 m，顶板覆土约为3 m。 12号线车站为地下二层岛式车站，车站长度为162.4m，宽度为19.6m，车站底板埋深约为15.6m，顶板覆土约为2.5m。

3.1.2.2　保护准备工作

1.现场踏勘及资料收集

施工前制订了龙华塔（寺）的专项保护方案，并完成了文物保护单位审批，实地踏勘龙华塔现场，并取得了龙华塔现状的相关资料。

2.管片预留注浆孔

为了有效控制盾构穿越前后龙华寺的沉降和位移，在穿越区及前后的管片上适当增加注浆孔数量，每环管片增开10个注浆孔（除封顶块外每块增开2个），根据实际情况进行二次注浆，注浆孔位及注浆量可现场确定。

3.盾构机改制

本区间隧道施工选用性能优异的日本进口小松盾构，针对本工程穿越龙华寺施工难点，对盾构机进行以下针对性改制，以确保穿越施工安全。

1）优化盾构刀盘配置

针对穿越区域土层复杂且有拔桩回填区，特对小松盾构刀盘进行优化配置，增加46把先行刀和9把贝壳刀，以顺利穿越拔桩回填区域同时确保龙华寺安全，刀盘优化详见图3-31。

2）同步注浆系统改制

为减小盾构掘进过后土体的后期沉降量，以达到保护上部建构筑物和管线的目的。对盾构同步注浆系统进行改制，采用压注大比重单液浆的同步注浆系统，浆液由混凝土搅拌站统一拌制。此种浆液具有比重大、稠度低、收缩性小等特点，可有效控制土体的后期沉降量。

采用德国施维英注浆泵（图3-32）代替原有同步注浆泵，型号KSP12，安装计数器，采用计数的方式计算流量，油缸每动作一次的最大流量约为12L。每台盾构配备1台施维英注浆泵及配套操作控制系统。盾构掘进时可实施多点位注浆，使浆液均匀分布，可提高浆液填充效率，有效填充建筑空隙，减少施工过程中的土体损失。

施维英注浆泵经久耐用、操作简单、维护方便，是世界著名盾构机械生产厂家海瑞克公司、小松盾构、IHI盾构等的专用注浆设备。

图3-31　盾构刀盘图

3）盾构推进自动化测量的应用

为了确保盾构顺利穿越龙华寺，区间隧道两台盾构机采用实时测量系统，利用先进的测量、电子传感器和计算机技术，计算盾构机的位置、姿态和趋势信息，并与设计隧道轴线进行比较，以直观的方式图文并茂地给盾构机操控人员实时提供信息，实时纠偏，减少盾构纠偏带来的土体扰动（图3-33）。

图3-32　施维英注浆泵

图3-33　自动化测量示意图

4）增配泡沫发生器。

针对穿越施工段12号线隧道底部有⑤2砂质粉土夹粉质黏土，盾构机配置了泡沫剂添加系统（图3-34），必要时可对渣土进行有效改良，保证掘进施工顺利进行。

4.分阶段控制区划分

根据盾构穿越龙华塔的工况特点，将盾构穿越分为三个阶段，分别为盾构穿越前试推进阶段、盾构穿越阶段和盾构穿越后阶段。

1）盾构穿越前试推进阶段

设定一段45环（54 m）为推进试验段，将盾构切口到达穿越段前15环作为盾构穿越试推进段。在该范围内主要收集盾构推进参数，以及不同的施工参数对周围环境的影响大小。

2）盾构穿越阶段

把盾构切口到达龙华塔区域前15环开始设为穿越段开始，直至盾尾脱出龙华塔区域15环范围定为穿越段。该控制区段施工时，主要根据穿越试推进段总结的推进参数和施工数据来指导盾构的推进施工。在这个阶段主要任务是控制盾构的施工参数，包括控制推进速度、正面土压力、同步注浆流量、同步注浆压力等，确保穿越过程中龙华塔的安全。

3）盾构穿越后阶段

盾构脱出龙华塔区域15环定为盾构穿越后阶段。由于盾构穿越后，地面存在一定程度的后期沉降，会对轨道交通造成影响。必须在穿越区域的隧道内准备充足的补压浆材料及设备，根据沉降监测情况进行后期补压浆。

图3-34　泡沫发生器

盾构穿越龙华寺施工控制区段划分详见图3-35。

图3-35　施工控制区段划分图

上行线：1～45环为推进试验段，46～90环为穿越段。

下行线：1～45环为推进试验段，46～90环为穿越段。

切口到达前地面先有少量隆起，随着盾构穿越开始下沉并在后期有所沉降，即盾构尾部土体后期变形大，因此当盾构穿越龙华塔时及时在施工隧道内进行二次注浆，从而更好地控制龙华塔的变形。

3.1.2.3　理论研究

1.12号线基坑地墙沉槽对龙华建筑群影响分析

龙华站是地铁11号线和12号线的交汇站。11号线龙华站基坑面积150m×19.6m，西端头井地下连续墙深度60m，东端头井和中间段地下连续墙深度44m，地下连续墙厚度为1m和1.2m；12号线龙华站基坑面积150m×19.6m，基坑地下连续墙深度28.5m，地下连续墙厚度为0.8m。

根据场地实际工程情况，建立三维有限元模型，模型水平范围取500m×400m，深度取80m。土体和地下连续墙采用实体单元，单元型号C3D8I，龙华塔等保护建筑的基础采用板单元，单元型号S4，板单元节点和土体直接耦合。整体模型共有节点数70408个，单元数70269个。土体侧向边界约束法向位移，底面边界约束所有位移。有限元模型及网格划分见图3-36—图3-39。

考虑到模型比较大，为了简化计算，土体和地下连续墙均采用弹性材料。在计算模型时考虑导墙和加固土体的影响，分析成槽过程中对于周围环境的影响。

图3-36　整体模型图

图3-37　11号线龙华站基坑地下连续墙

图3-38　12号线龙华站基坑地下连续墙

图3-39　龙华保护建筑

计算过程中考虑了槽段土体开挖、泥浆护壁、混凝土浇筑等工序，采用的计算步骤如下：

（1）计算土体的初始自重应力场，作为下一步分析的初始条件。

（2）按照地下连续墙的分幅，进行开挖，每幅地墙开挖一次完成，在每一开挖步，采用Abaqus提供的remove命令来移去被开挖单元，开挖后立即在槽壁和槽底面施加泥浆重度γbentonite = 12 kN/m3的静水泥浆压力，计算达到平衡状态。

（3）进行水下混凝土的浇筑。

（4）在原先开挖的槽段内，利用Abaqus的add命令生成墙体单元，同时移去作用在槽壁和槽底的混凝土压力，以模拟槽段内混凝土的硬化。

由于11号、12号线龙华站地铁基坑距离保护建筑龙华塔距离很近，为了保证基坑施工过程中龙华塔等保护建筑的安全，设计过程中考虑对11号线龙华站车站基坑采用不同深度地下连续墙用来限制周边环境的变形。

利用三维连续介质有限元法对几种地墙深度方案进行计算分析，可以直观地比较出各措施的优劣，从而选择最为经济有效的方案。结果表明，11号线和12号线龙华站的站台基坑地连墙成槽施工引起的周围环境影响较小，施工引起的龙华保护建筑的基础沿X方向最大侧向变形为0.32 mm，发生在龙华塔的基础；沿Y方向最大侧向变形为0.4mm，发生在龙华古寺天王殿的基础；最大沉降为0.08mm，发生在龙华塔的基础。

2.11号线龙华站基坑施工降水对龙华建筑群影响分析

11号线龙华站端头井基坑分别深23.42m， 25.27m，为了限制地下连续墙变形，减少对周边环境的影响，施工过程中分8次分层开挖及支护。根据地质勘察报告，地下连续墙无法穿透第7层承压水层。由于开挖深度较深，因此为了满足基坑坑底的抗渗流稳定性，开挖过程中需要对承压水层进行降水。由于地下连续墙未穿透承压水层，因此坑底承压水层降水可能对周边环境引起较大影响，特别是需要保障距离车站较近的龙华塔及龙华古寺等古建筑的安全性。

为了分析11号线龙华站基坑开挖及降水对周边环境的影响，建立11号线龙华站基坑的三维有限元模型，模拟基坑的开挖及降水过程，分析基坑施工过程对周边环境的影响。

三维有限元模型如图3-40所示，模型尺寸为400m×370m×80m，土体采用六面体实体单元进行模拟，由于需要考虑承压水降水作用，因此单元选用一阶孔压单元。地下连续墙采用六面体一阶实体单元，为了简化计算，计算过程中没有考虑设计中基坑标准段内的封堵墙。

图3-40　三维有限元模型网格划分

利用三维有限元模型建立了11号线龙华站地铁基坑的三维有限元模型，全过程模拟基坑施工工况，直观地分析了基坑开挖及降水对基坑变形及周边建筑的影响，可以发现：

（1）地下连续墙深度对基坑开挖、降水导致周边建筑变形有较大的影响，采用西端头井60 m深、东端头井和标准段44 m深的地下连续墙是比较经济且能较好限制周边建筑变形的方案。

（2） 11号线龙华站地铁基坑（包括端头井和标准段）土体开挖对龙华塔、龙华古寺内建筑物的变形影响很小。

（3）基坑坑底承压水层降水对龙华塔、龙华古寺等建筑物变形影响相对较大，端头井降水导致龙华塔最大沉降约为1.05mm，最大差异沉降约为0.25mm；标准段降水导致龙华塔最大沉降约为0.87mm，最大差异沉降约为0.27mm。

（4）双排搅拌桩加固措施对于减小11号线龙华站地铁基坑施工过程中周边建筑物变形效果很小。

3.11号、12号线龙华站基坑及盾构施工对龙华建筑群的影响分析

11号、12号线龙华站基坑工程距离保护建筑龙华塔、龙华古寺距离较近，因此两车站基坑开挖过程中会对周边环境产生一定的影响。与车站基坑相连的地铁隧道距离保护建筑距离很近，施工过程中势必会对周边环境造成一定的影响。采用三维有限元方法建立两车站基坑、相连隧道的三维有限元模型，模拟两基坑及隧道的施工过程，可以直观地分析施工过程中周边环境的变形特性，对设计和施工具有一定的指导意义。

三维有限元模型如图3-41、图3-42所示，模型尺寸为420 m×280m×80m，土体采用六面体实体单元进行模拟，基坑地下连续墙、板支护结构及盾构管片均采用板单元进行模拟，梁支护结构采用线性梁单元进行模拟。模型单元总数为15万，节点数为16万，四周边界采用水平约束，底部边界采用位移全约束，为了减少模型规模，11号线车站基坑取其长度的一半，该处水平边界为对称约束。计算过程中土体采用线弹性材料，各土层的弹性模量按经验选取地勘报告压缩模量的3倍。结构由于本身刚度较大，因此选用线弹性材料，模量取混凝土弹性模量，即3×1010Pa，泊松比取0.2。

图3-41　三维有限元模型网格划分

图3-42　结构三维有限元模型

利用三维有限元方法建立了复杂的三维有限元模型，模拟相邻两地铁车站基坑以及与其相连的相互交错的两条隧道施工，分析过程包含大量的荷载步，需要巨大的计算资源。通过对整个工程的施工全过程模拟，分析了地下支护结构的变形以及对周边环境的影响，可以发现：

（1）三维有限元方法可以用于分析复杂施工条件下基坑开挖及盾构施工对周边环境的影响。

（2） 11号线龙华站基坑开挖主要对龙华塔变形存在一定影响，而且影响有限，11号线龙华站基坑开挖结束，龙华塔各向变形均不超过0.86mm。 12号线龙华站基坑开挖主要对龙华古寺内建筑存在一定影响，12号线龙华站站基坑开挖结束，古寺内建筑X向最大变形为2.02mm，最大沉降达到1mm。11号、12号线隧道施工对周边建筑影响很小。

（3）考虑双排搅拌桩加固措施，对于限制工程施工引起的周边环境变形有一定效果，但是效果甚微。

4.龙华路地铁运营动荷载对周边环境的影响

12号地铁计划运营路线离龙华古塔最近的距离约为30 m，由于龙华塔属于国家级重点保护文物，因此有必要研究12号线地铁移动荷载对龙华塔的影响。

本节分别考虑了地铁单向运行和双向运行两种情况下地铁移动荷载对龙华塔的影响。二维有限元模型如图3-43、图3-44所示，图3-43为单向运行计算模型图，图3-44为双向运行计算模型图。地铁12号线隧道埋深为8.0m；考虑单条线路地铁移动荷载的影响，分析中取计算模型尺寸为60m×50 m（双向运行模型为70m×50m）；计算时在模型底部施加固定边界，左侧施加黏弹性动力边界，右侧为对称边界；考虑地下水位位于地表，因此在地表施加排水边界条件。

图3-43　地铁单向运行半边模型

图3-44　地铁双向运行半边模型

1）地铁单向运行影响分析

地表水平加速度和速度随着远离地铁正上方而减小，到达30m处，地表的水平加速度最大值约为1.7mm/s2，水平振动速度最大值约为0.07 mm/s。

地表竖向加速度和速度随着远离地铁正上方而减小，到达30m处，地表的竖向加速度最大值约为1.7mm/s2，竖向振动速度最大值约为0.09 mm/s。

由此可见，12号线单向地铁运营对龙华塔的影响很小，满足《古建筑防工业振动技术规范》规定的古建筑的容许振动指标。

2）地铁双向运行影响分析

地表水平加速度和速度随着远离地铁正上方而减小，到达30 m处，地表的水平加速度最大值约为2.4 mm/s2，水平振动速度最大值约为0.09 mm/s。

地表竖向加速度和速度随着远离地铁正上方而减小，到达30m处，地表的竖向加速度最大值约为3.2 mm/s2，竖向振动速度最大值约为0.24mm/s。

综上，在地铁双向运行时，根据保护标准对水平方向速度的规定，对龙华塔基础受到地铁移动荷载的影响仍然在允许范围内。

5.结论

三维有限元分析方法拥有强大的建模和分析功能，因此可用于分析施工工况复杂的基坑和盾构工程施工，亦可用于分析基坑降水对周边环境的影响。

龙华站基坑工程由于距离保护建筑龙华塔和龙华古寺很近，因此施工之前需要对设计、施工方案进行分析，以确保施工过程对龙华塔（寺）影响在可控制范围内。通过建立两车站基坑工程及区间隧道全三维有限元模型，对龙华站基坑地墙沉槽、龙华站基坑承压水降水以及龙华站和区间隧道土体开挖进行模拟，分析了龙华站基坑和区间隧道施工对周边建筑的影响，为设计和施工方案提供理论依据。

通过分析可以发现：

（1）地下连续墙深度对沉槽施工导致周边建筑变形有一定的影响，考虑到后续降水、开挖等，采用西端头井60m深、东端头井和标准段44 m深的地下连续墙是对周围环境影响较小且经济的方案。

（2）龙华站基坑地下连续墙沉槽阶段，基坑地连墙施工引起的龙华保护建筑的基础沿X方向最大侧向变形为0.32 mm，发生在龙华塔的基础；沿Y方向最大侧向变形为0.4 mm，发生在龙华古寺天王殿的基础；最大沉降为0.08mm，发生在龙华塔的基础。地下连续墙沉槽施工对于龙华保护建筑的影响较小。

（3）地下连续墙深度对基坑开挖、降水导致周边建筑变形有较大的影响，采用西端头井60 m深、东端头井和标准段44 m深的地下连续墙是比较经济且能较好限制周边建筑的变形的方案。

（4）基坑坑底承压水层降水对龙华塔、龙华古寺等建筑物变形影响相对较大，端头井降水导致龙华塔最大沉降约为1.05mm，最大差异沉降约为0.25 mm；标准段降水导致龙华塔最大沉降约为0.87 mm，最大差异沉降约为0.27mm。双排搅拌桩加固措施对于减小龙华站地铁基坑施工过程中周边建筑物变形效果很小。

（5）龙华站基坑开挖主要对龙华塔变形存在一定影响，但影响有限，龙华站基坑开挖结束，龙华塔各向变形均不超过0.86 mm。 12号线龙华站基坑开挖主要对龙华古寺内建筑存在一定影响，12号线龙华站基坑开挖结束，古寺内建筑X向最大变形为2.02 mm，最大沉降达到1 mm。11号、12号线区间隧道施工对周边建筑影响很小。考虑双排搅拌桩加固措施，对于限制工程施工引起的周边环境变形有一定效果，但是效果甚微。

（6）在地铁运行时，根据保护标准对水平方向速度的规定，对龙华塔基础受到地铁移动荷载的影响仍然在允许范围内。

综上所述，11号、12号线车站基坑地墙沉槽，11号线车站基坑承压水降水，11号、12号线龙华站基坑开挖和区间隧道盾构推进过程中，以及地铁营运过程中，龙华塔和龙华古寺的变形远远小于监测报警值。

3.1.2.4　施工技术措施

1.基坑施工保护措施

1）地下连续墙成槽施工保护措施

（1）分块清障

由于地墙施工区域存在地下障碍物，为了减少清障施工对周边环境的影响，地下室采用分区域分段凿除，完成一段清障后及时施工地下墙两侧导墙，增加地下室结构刚度，待前一段结构养护至要求强度后，再分段凿除剩余地下室结构。通过分段施工，减少清障作业对周边环境的影响。

（2）优质护壁泥浆保证成槽质量。

地下墙护壁泥浆采用德国进口膨润土进行配置，并采用泥浆桶仓进行储存，现场合格泥浆储备量达到3倍成槽方量，确保每幅地下墙均能达到100%清孔换浆。同时，针对成槽泥浆、新鲜泥浆、清孔泥浆的各个指标均在工序开展前进行检测，确保泥浆指标100%根据方案进行实施，尽可能避免地下墙施工过程中发生槽段塌方。另外，为了减少基坑开挖时地墙接缝处的渗漏及坑内降水对周边环境的影响，采用十字钢板接头形式。

2）基坑开挖保护措施

优化开挖施工顺序减少龙华塔侧的地基变形，按先远后近、分段分块、及时支撑，减少龙华塔侧基坑土体暴露时间。同时通过增加混凝土板撑下素混凝土垫层的厚度，增加垫层刚度，在混凝土板撑上部设置临时钢支撑，并结合短排架加快混凝土板撑的施工时间，有效减少基坑的变形。

3）基坑降水

通过加深地下墙隔断微承压水层、基坑满堂加固压重减少承压水水头降深的施工措施，同时设置降水观测井，按需降水，另外在施工地下墙时就严控地墙质量，尤其是地墙接缝的施工质量，确保坑内降水不引起坑外水位大的变化。

2.盾构施工保护措施

1）推进试验段

在推进试验段，主要就土压力、推进速度、出土量、注浆量和注浆压力设定与地面沉降关系进行分析，掌握此段区间盾构推进土体沉降变化规律以及摸索土体性质，以便正确设定穿越龙华塔的施工参数和采取相应措施减少土体沉降，以保证安全。

试验段控制目标：盾构掘进穿越时地层损失率≤1‰。

试验段推进以微量隆起控制为主，单次沉降控制在0～+0.5mm。

（1）监测布点措施。

①深层点布设。

为确保地面监测点能真实反应土体位移情况，隧道轴线上监测点间距为每5环（即6 m）一点，全部采用深层点布设。

地面深层沉降监测点布设时须穿透路面结构硬壳层，沉降标杆采用Φ25 mm螺纹钢标杆，螺纹钢标杆应深入原状土60 cm以上，沉降标杆外侧采用内径大于13 cm的套管保护。保护套管内的螺纹钢标杆间隙须用黄砂回填。套管顶部设置管盖，管盖安装须稳固，与原地面齐平；为确保测量精度，螺纹钢标杆顶部应在管盖下20 cm为宜。深层监测点埋设结构如图3-45所示。(www.xing528.com)

图3-45　深层监测点埋设图

提前进行深层布点，待试验段及推进段布点完成后，及时进行监测，盾构施工前监测频率为1次/d，摸索其沉降规律以指导推进施工。

②横断面监测布点。

地铁隧道对地面沉降影响见图3-46。

图3-46　隧道上部地面沉降槽示意图

地面横向沉降分布估算公式为

地层损失率

式中S（x）——沉降量（mm）；

S（max）——隧道中心线处的最大沉降量（mm）；

X—距隧道中心线的距离（mm） ；

Z——隧道中心埋深（mm） ；

r——隧道外径（mm），6340/2=3170 mm；

R——地层损失率（mm·mm-2）；

V1——地层损失量（mm）；

V——盾构的截面面积（mm2 ），π（6340）2/4=31553546mm2；

i——沉降槽宽度系数。

根据地铁施工沉降规律进行横向沉降监测布点，以隧道中心为轴线，距离轴线3m，根据监测数据确定该地质条件下的沉降槽宽度，再确定修正沉降槽计算公式（图3-47）。确定沉降影响范围，以指导施工。

图3-47　横断面监测点图（单位：mm）

（2）推进土压力设定。

由于地质条件、地面附加载荷等诸多因素的制约，将导致刀盘前方土压力有所差异，为此需及时调整土压力值。同时对沉降报表进行分析，反馈给推进班组。若盾构切口前地面沉降，则需调高平衡压力设定值，反之调低。若盾尾后部地面沉降，则需增加同步注浆量，反之减少。

分三阶段确定土压力设定值：

①摸索阶段（1～30环）：根据切口沉降数据调整土压力，反算初步确定K值；

②验证阶段（31～45环）：确保切口单次沉降控制在0～+0.5 mm，对K值微调；

③确认阶段（46～90环）：确定最终K值，由此确认土压力设定值。

试穿越段理论土压力值设定详见表3-6。

此段推进期间切口土压力控制范围以上表作为参考，根据地面监测成果进行修正。

盾构在掘进施工中均可参照以上方法来取得平衡压力的设定值。具体施工设定值根据盾构埋深、所在位置的土层状况以及监测数据进行实时优化调整，每次调整的幅度不大于0.005MPa。

表3-6　试穿越段理论土压力值设定表

（3）出土量控制。

根据盾构及管片之间的建筑间隙及各土层特性，合理控制出土量，一般为开挖断面的98%～100%。通过分析调整，寻找最合理的数值。

为确保出土量的准确性，在行车上配置起重计量器（图3-48），对盾构出土进行称重计量，确保出土量控制在开挖断面的98%～100%。

图3-48　行车起重计量器

（4）推进速度设定。

控制合理的推进速度，使盾构匀速慢速施工，减少盾构对土体的扰动，达到控制地面变形的目的。在试验段推进时，推进速度宜为1～1.5cm/min。

（5）管片拼装。

在盾构进行拼装的状态下，由于千斤顶的收缩，必然会引起盾构机的后退，因此在盾构推进结束之后不要立即拼装，等待2～3min之后，直到周围土体与盾构机固结在一起后再进行千斤顶的回缩。回缩的千斤顶应尽可能的少，并应逐一伸缩千斤顶，以满足管片拼装即可，保持开挖面的平衡压力。拼装过程中，盾构司机注意土压力的控制，必要时通过反转螺旋机维持盾构前方土体平衡。同时，尽量熟练拼装工艺，确保优质快速拼装管片。

在恢复推进时，应避免先行启动螺旋机，应先恢复盾构的平衡压力，可以先适当推进略微的距离，防止平衡压力下降。

拼装完成后，下一环推进时及时进行管片螺栓复紧，确保隧道管片稳定。

（6）盾构姿态控制。

因盾构进行平面或高程纠偏的过程中，会增加对土体的扰动，因此在穿越过程中，在确保盾构正面沉降控制良好的情况下，尽可能使盾构匀速、直线通过，尽量避免大幅纠偏，以免造成过大的地层损失。预先计算好每环的楔子量，并在盾构推进时预先控制。需纠偏时不急纠、不猛纠，根据自动测量系统反馈数据实时纠偏，单次平面纠偏量控制在5mm/环内，单次高程坡度纠偏量不超过1‰，多注意观察管片与盾壳的间隙，采用稳坡法、缓坡法推进，以减少对地面的影响。

（7）同步注浆。

根据盾构及管片之间的建筑间隙及各土层特性合理控制出土量，根据施工经验一般为开挖断面的98%～100%。通过分析调整，寻找最合理的数值。

同步注浆浆液采用大比重单液浆。通过同步注浆及时充填建筑空隙，减少施工过程中的土体变形。通过三阶段确定同步注浆填充系数，从而确定注浆量（表3-7）。

表3-7　试穿越段注浆量设定表

①摸索阶段（1～30环）：根据以往经验起始设定填充系数150%（即2.5m3/环），根据盾尾沉降数据调整注浆量，反算初步确定填充系数N；

②验证阶段（31～45环）：确保盾尾单次沉降控制在0～+0.5mm，对N值微调；

③确认阶段（46～90环）：确定最终N值，由此确认同步注浆量。

外送同步浆液进场时由项目部进行检验验收，运送至盾构机车架浆桶上时再进行压注前坍落度检测，确保浆液质量。

压浆量控制采用盾构机自动计量器计量与人工量测相结合控制，进行精细化压浆施工，确保施工人员按照指令压注浆液量，压浆量、压浆上下比例、压浆时的压力值变形根据监测数据进行相应调整（图3-49）。

图3-49　同步注浆浆液质量和压注量现场控制

为保证注浆的有效性，在盾构进入试验段时，先进行模拟穿越状态掘进及二次注浆，通过在施工过程中进行补压浆作业，达到控制盾构影响区域内土体沉降的目的。以此来掌握控制土体后期沉降所需的二次注浆量及压注频率等数据，指导和优化盾构穿越时及后续补压浆的施工参数。

本区域内的二次注浆浆液选定为双液浆，注浆量根据沉降监测数据的情况及时进行调整。

同步注浆和二次注浆的浆液初定配比详见表3-8和表3-9。

表3-8　1 m3同步注浆浆液配比（重量比）单位：kg

表3-9　二次注浆浆液配比（重量比）

推进试验段期间，在确保盾构正面沉降控制良好的情况下，尽可能保证盾构匀速通过，减少盾构单次纠偏量，做到“勤测勤纠”以便控制好盾构姿态。此外，及时进行施工总结，对推进试验段数据进行仔细分析，掌握此段区间盾构推进的土体变形规律：盾构切口到达之前，土体沉降变化情况；穿越过程中，因盾构对土体扰动而产生沉降变化情况；穿越后，尤其是脱出盾尾10环范围内土体变形情况。根据推进试验段内的监测结果优化盾构土压力设定、推进速度设定、出土量、同步注浆和二次注浆量、注浆压力。根据推进试验段的摸索，使盾构姿态保持较好的状态，为进入穿越段创造良好的条件。

（8）盾尾油脂压注。

由于盾构下卧⑤2层砂性地层，需做好防止盾尾漏泥、漏水措施。

①定期、定量、均匀地压注盾尾油脂。每环压装25 kg，盾尾油脂桶的高度为80cm，每桶油脂重量为200 kg，则计算得出每厘米的重量为2.5kg。由于盾尾油脂桶上沿边的位置是固定不变的，故我们选择这个点作为0的基准点，在盾尾油脂泵上安装刻度尺作为标识，每环压注10 cm、每箱土压注2.5cm，如图3-50所示。

②若需壁后补压浆，则要控制壁后注浆的压力，以免浆液进入盾尾，造成盾尾密封装置被击穿，引起土体中的水跟着漏入隧道，盾尾密封性能降低。

③管片尽量居中拼装，以防盾构与管片之间的建筑空隙过分增大，降低盾尾密封效果，引发盾尾漏泥、漏水。

2）穿越段

穿越段控制目标：盾构掘进穿越时地层损失率≤1‰，且龙华塔沉降报警值≤±1 mm，最终龙华塔沉降控制≤±5mm。

穿越段由地层损失率≤1 ‰，确定单次沉降控制在0～+0.5mm 。

（1）正面平衡压力设定。

由于地质条件、地面附加载荷等诸多因素不同的制约，将导致刀盘前方土压力有所差异，为此需及时调整土压力值。同时对沉降报表进行分析，反馈给推进班组。若盾构切口前地面沉降，则需调高平衡压力设定值，反之调低。若盾尾后部地面沉降，则需增加同步注浆量，反之减少。计算公式如下：

图3-50　盾尾油脂压注

式中P——平衡压力（包括地下水）（kPa） ；

γ土体的平均重度（kN/m3），取17.5kN/m3 ；

h——隧道埋深（m）；

k0——土的侧向静止平衡压力系数，由试验段摸索情况取0.75。盾构在掘进施工中均可参照以上方法来取得平衡压力的设定值。具体施工设定值根据盾构埋深、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0.005MPa。

（2）出土量控制。

根据盾构及管片之间的建筑间隙及各土层特性合理控制出土量，一般为开挖断面的98%～100%。通过分析调整，寻找最合理的数值。

（3）推进速度。

控制合理的推进速度，使盾构匀速慢速施工，减少盾构对土体的扰动，达到控制地面变形的目的。

在穿越区施工过程中，盾构掘进速度控制在0.5～1.0cm/min，尽量保持推进速度稳定，确保盾构均衡、匀速地穿越龙华寺，以减少对周边土体的扰动影响，以免对其结构产生不利影响。

盾构推进速度将根据监测情况作必要的调整，如必要时可推进半环（60cm），然后暂停10～20 min，根据监测单位提供的监测数据调整推进速度后再推进半环（60cm），依次组织施工以便更好地控制沉降。

（4）管片拼装。

在盾构进行拼装的状态下，由于千斤顶的收缩，必然会引起盾构机的后退，因此在盾构推进结束之后不要立即拼装，等待2～3min，直到周围土体与盾构机固结在一起后再进行千斤顶的回缩，回缩的千斤顶应尽可能的少，并应逐一伸缩千斤顶，以满足管片拼装即可，保持开挖面的平衡压力。拼装过程中，盾构司机注意土压力的控制，必要时通过反转螺旋机维持盾构前方土体平衡。同时，尽量熟练拼装工艺，确保优质快速拼装管片。

在恢复推进时，应避免先行启动螺旋机，应先恢复盾构的平衡压力，可以先适当推进略微的距离，防止平衡压力下降。

（5）同步注浆和二次注浆。

①增开注浆孔。

在隧道穿越段范围内，每环管片增开10个注浆孔，除封顶块外每块增开2孔。根据实际情况，确定各注浆孔注浆量。

②严格控制同步注浆量和浆液质量。

通过同步注浆及时充填建筑空隙，减少施工过程中的土体变形。同步注浆量由试验段摸索情况取建筑空隙的170%左右，即每推进一环同步注浆量约为2.8m3。浆液采用大比重单液浆。

注浆量和注浆孔位视注浆时的压力值和地层变形监测数据而定。穿越时，特别是当盾构机推进速度较慢时，应严格控制浆液压注的均匀性，避免注浆过于集中或间断，尽量有效合理填充建筑空隙。注浆指派专人负责，对注入位置、注入量、压力值均作详细记录，并根据地层变形监测信息及时调整，确保压浆工序的施工质量。

由于盾构推进时同步注浆的浆液在填补建筑空隙时可能会存在一定间隙，且浆液的收缩变形也存在地面沉降的隐患，因此为控制土体后期沉降量，应根据监测数据情况，采用在脱出盾尾隧道上方管片补充压注浆液方法，在隧道内对盾构穿越后土体进行加固。

③穿越龙华寺的二次加固。

隧道管片脱出盾构机后，再对龙华寺有影响的施工区段从隧道底部45°范围内预留注浆孔，根据监测数据和实际要求，进行跟踪注浆，以起到稳定12号线隧道自身和保护龙华寺的作用。

当龙华寺沉降监测数值超过-3 mm时，将进行二次注浆作业，二次注浆浆液选定为双液浆。注浆量和注浆次数根据地面沉降监测数据的情况及时进行调整。

（6）盾构姿态控制。

在盾构穿越龙华寺时，上行线平曲线为R=359.9 m的小半径、坡度为-3‰变为R5000的竖曲线，下行线平曲线为R=349.9m的小半径、坡度为-3‰变为R5000的竖曲线。

因盾构进行平面或高程纠偏的过程中会增加对土体的扰动，因此在穿越过程中，在确保盾构正面沉降控制良好的情况下，尽可能使盾构匀速、直线通过，尽量避免大幅纠偏，以免造成过大的地层损失。

盾构在小曲率半径段推进时，盾构机的纠偏控制尤为重要。盾构的曲线推进实际上是处于曲线的切线上，因此推进的关键是确保对盾构头部的控制。由于曲线推进盾构环环都在纠偏，因此必须做到勤测勤纠，而每次的纠偏量应控制在2～3 mm/环，单次高程坡度纠偏量不超过1 ‰，多注意观察管片与盾壳的间隙，采用稳坡法、缓坡法推进，确保楔形块的环面始终处于曲率半径的径向竖直面内。除了采用楔型管片，为控制管片的位移量，管片纠偏在适当时候仍需采用软木楔子，从而达到有效地控制轴线和地层变形的目的，以减少盾构施工对龙华寺和地面的影响。

3）盾构穿越后阶段

（1）穿越后阶段的施工参数设定。

当盾尾脱离穿越区域后，便进入了穿越后阶段。盾构机通过穿越区后，推进速度逐渐增大到2 cm/min，继续推进。

盾构操作人员严格按照指令推进，控制好土压力、推进速度、出土量、区域油压控制和同步注浆等参数。相关值班人员密切注意与轨道交通监测人员和盾构推进施工人员的相互配合，及时将监测数据进行分析并下达指令指导盾构操作人员正确推进。

（2）穿越后的加固措施。

①加固概况。

盾构穿越龙华寺后，为减小后续施工及今后列车运行对龙华寺的影响，从12号线隧道内对龙华寺和12号线隧道之间的土体进行注浆加固。

②加固配比及要求。

注浆加固采用双液浆，加固后的土体强度qu=0.15～0.2MPa。具体配比如表3-9所示。

③注浆工艺及流程。

注浆设备选用海纳泵，注浆管采用30 cm长的6分黑铁管，设3个截面开口，同一截面开口数量为4个，截面排距为8cm，喷口开口孔径5mm。注浆泵配备注浆压力、注浆流量计等准确计量仪表，注浆孔口设置防喷装置，注浆管及输浆管路应定期进行清洗，以防止堵塞。施工流程如图3-51所示。

图3-51　打拔管注浆流程图

④注浆顺序。

同一孔内采用从外到内的方式进行分层注浆，每次拔管长度15 cm。同一衬砌环内不同注浆孔的注浆保持对称平衡。一般情况下，隧道纵向注浆顺序采取隔环跳打的方式，每环一次施工1～2孔，每两个施工环间隔4环。特殊情况下应根据上行线监测数据适当调整，如图3-52所示。

图3-52　隧道纵向注浆顺序示意图（单位：cm）

加固以“多点、均匀、少量、多次”为原则，利用12号线隧道管片注浆孔及时注浆，减少施工所引起的龙华寺的沉降。双液分层注浆加固的每孔注浆时间间隔由密至稀，直至隧道沉降稳定为止。

3.1.2.5　穿越施工技术应用结果

在龙华塔上设置垂直位移监测点16点，编号T1～T16；在龙华塔上设置倾斜监测点QX，测量龙华塔在隧道区间施工期间塔身倾斜增量。塔身倾斜增量监测，在第7层、第5层及第2层的3个高度上，每个断面内均粘贴4个反射片作为固定观测点，布置QX1， QX2，QX3， QX4共4个测站，每个测站分2L—5 L（2层至5层）、2 L—7 L（2层至7层）两段进行倾斜增量监测（图3-53）。

图3-53　龙华塔沉降监测点及倾斜增量监测点设置示意图

12号线区间隧道盾构于2013年12月16日完成龙华寺穿越，于2014年7月21日工程竣工监测，龙华塔累计沉降量控制在-0.01～-2.84 mm，累计倾斜增量控制在-0.08‰～+0.07‰。具体数据如表3-10和表3-11。

表3-10　龙华塔累计沉降量

表3-11　龙华塔累计倾斜增量

（1） 11号、12号线龙华站的设置对沿线居民和旅游资源的开发具有非常积极的作用，场区工程地质及水文地质条件极为复杂。基坑开挖深度范围有微承压含水层和承压含水层，周边有重要历史建筑，保护要求高，工程地下结构复杂，基坑开挖难度大。

（2）龙华塔是全国重点文物保护单位，主要承重构件为塔砖砌塔壁，预计倾斜率达到25‰时，底层局部砌体最大主压应力将大于砌体抗压强度。龙华寺是上海市文物保护单位，寺内古建筑均为砖木结构，在假定的不均匀沉降曲线作用下，6幢大殿主要受力构件应力均小于材料强度。

（3）该工程属于第Ⅶ类土层，⑤2层水位埋深为4.30～4.50m，绝对标高为0.19～0.45 m； 53-1层夹粉性土较多，具有弱透水性，与上覆⑤2层有较大的水力联系；⑦层承压水水位埋深为8.47～9.20 m，绝对标高为-3.75～-4.45 m。

（4）在地铁施工期间，龙华塔监测报警值为：累计沉降不超过10 mm，沉降速率不超过1 mm/d；龙华寺监测报警值为：累计沉降不超过20mm，沉降速率不超过2 mm/d（连续2 d） 。

（5）从施工和运营两个方面，对影响到龙华建筑群的各个因素进行详细分析，提出相应的应对策略，强调由地铁运营期间引起的振动对环境的影响，确保文物安全。

（6）确定11号线和12号线的线位、断面设计、建筑方案设计、基坑围护结构方案设计、盾构区间结构设计。11号线龙华站为地下三层岛式车站，12号线为地下二层岛式车站。其主体结构基坑的环境保护等级为一级，采用地下连续墙作为基坑的围护结构；附属结构基坑环境保护等级为二级，对龙华塔和龙华寺提出针对性的加固、隔离措施降低影响。

（7）利用ABAQUS软件建立有限元分析模型，分析不同工况对龙华建筑群的影响。结果表明，11号线和12号线龙华站基坑地连墙成槽施工、11号线龙华站基坑土体开挖对周围环境影响较小。地下连续墙深度对基坑开挖、降水导致周边建筑变形有较大的影响，采用西端头井60 m深、东端头井和标准段44 m深的地下连续墙是比较经济且能较好限制周边建筑变形的方案。基坑坑底承压水层降水对龙华塔、龙华寺等建筑物变形影响相对较大；端头井降水导致龙华塔最大沉降约为1.05mm，最大差异沉降约为0.25 mm；标准段降水导致龙华塔最大沉降约为0.87mm，最大差异沉降约为0.27mm。地铁单向运行和双向运行两种情况下地铁移动荷载对龙华塔的影响都在允许范围内。

（8）结合理论计算分析，在基坑施工过程中开发了一系列针对性关键技术，提出了分块清障、优质护壁泥浆、优化开挖顺序、隔断微承压水层、满堂加固、设置降水观测井等保护措施，并且针对盾构掘进和盾构进洞的过程也提出了充分的保护措施。