摘 要 西安地鐵二號(hào)線區(qū)間隧道施工對(duì)城墻等國家級(jí)文物的影響是隧道安全施工中需要解決的關(guān)鍵問題之一。 文章針對(duì)該地鐵工程介紹了上行線隧道盾構(gòu)下穿護(hù)城河及城墻時(shí)的地表變形控制措施和施工變形監(jiān)測方案，并對(duì)監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行分析。 分析結(jié)果表明，隧道盾構(gòu)施工中，造成地表沉降是多種因素共同作用的結(jié)果；盾構(gòu)施工過程中，注漿必須同步、足量且補(bǔ)漿及時(shí)；隨著盾構(gòu)的推進(jìn)，需要不斷調(diào)整土壓力以適應(yīng)地層的變化。 隧道已經(jīng)安全通過城墻，表明所采用的地表沉降控制措施和監(jiān)測方案是合理可行的。
關(guān)鍵詞 地鐵區(qū)間隧道 城墻 盾構(gòu) 地表沉降
盾構(gòu)隧道施工技術(shù)可在不影響城市正常功能的前提下快速完成隧道建設(shè)， 已成為城市地鐵隧道及越江隧道施工的主要方法[1~2]。 盡管盾構(gòu)法隧道施工技術(shù)已發(fā)展得很成熟， 但不可避免地仍要產(chǎn)生對(duì)土體的擾動(dòng)，引發(fā)不同程度的地層位移和變形。如何最大限度地減少地表沉降是盾構(gòu)施工的核心問題[3~9]。西安地鐵二號(hào)線盾構(gòu)隧道是在西安地區(qū)特有的土質(zhì)情況下首次采用盾構(gòu)法進(jìn)行施工， 隧道穿過的城墻是保存最完整的中國古代城垣建筑，屬國家級(jí)文物保護(hù)單位。在盾構(gòu)通過時(shí)必須保證萬無一失，不能對(duì)其造成任何損害。因此，對(duì)控制地面沉降措施和施工監(jiān)測方案的研究和制定十分重要。
1工程概況
1.1 地質(zhì)條件
西安地鐵二號(hào)線南門到鐘樓區(qū)間（上行線）隧道采用盾構(gòu)法施工，施工中需穿越護(hù)城河與城墻 （圖1）。 西安護(hù)城河深度約 12 m，河岸采用漿砌片石護(hù)坡，河床底寬度約22 m，河床面寬度約 40 多米，水深約2 m。 區(qū)間下穿西安南護(hù)城河，此處拱頂覆土最小處僅有3.5~4.5 m， 屬于薄覆土條件下進(jìn)行施工。西安城墻高12 m，頂寬 12～14 m，底寬 15～18 m；隧道線路以350 m 曲線半徑先后下穿南門門洞。
根據(jù)勘察報(bào)告所揭示的土層， 按成因及年代分為人為雜填土、素填土、飽和軟黃土、古土壤、老黃土和粉質(zhì)粘土。表 1 所示為土層分類及其物理參數(shù)，取自試驗(yàn)室所得數(shù)據(jù)。
受護(hù)城河的影響，該段地層內(nèi)水位埋深較淺，位于地表以下6~10 m，水位標(biāo)高在隧道頂部以上 3~6m，對(duì)盾構(gòu)施工有較大影響。
1.2 支護(hù)參數(shù)
隧道施工采用整環(huán)管片做支護(hù)的方式進(jìn)行掘進(jìn)，管片拼裝順序?yàn)?B1 塊、 B2 塊、B3 塊、L1 塊、L2塊以及F 塊 （即楔形塊 ）。 其中管片外徑為 6 000mm、 內(nèi)徑為 5 400 mm、 管片厚度為 300 mm、 管片環(huán)寬1 500 mm。 整環(huán)管片拼裝完后，在盾尾密封刷內(nèi)填塞密封油脂，以保護(hù)盾尾密封刷不被磨損，然后將管片往盾尾后推出1 500 mm。 支護(hù)結(jié)構(gòu)見圖 2。
2控制地面沉降的施工措施
盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)， 如果開挖面土體受到的水平應(yīng)力小于原始應(yīng)力，開挖面土體則向盾構(gòu)內(nèi)移動(dòng)，引起地層損失從而導(dǎo)致盾構(gòu)上方地面沉降； 反之正面土體則向上、向前移動(dòng)，引起負(fù)地層損失（欠挖）而導(dǎo)致盾構(gòu)上方土體的隆起。 另外， 盾構(gòu)在曲線段掘進(jìn)糾偏時(shí)，實(shí)際開挖斷面呈橢圓形，也會(huì)造成一定的地層損失；并且盾構(gòu)軸線與隧道軸線的夾角越大，則對(duì)土體的超挖量越大，所造成的地層損失也越大。在盾構(gòu)推進(jìn)的過程中，應(yīng)根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)及時(shí)調(diào)整土壓力值，科學(xué)合理地設(shè)計(jì)土壓力值及相宜的推進(jìn)速度等參數(shù)，以防止超挖和減少對(duì)土體的擾動(dòng)。
2.1 對(duì)過護(hù)城河采取的措施
（1）護(hù)城河段盾構(gòu)覆土厚度為4.5 m，河底沙袋堆載厚度為4 m，將沙袋堆載以覆土來計(jì)算，盾構(gòu)土壓力為0.08 MPa，但堆載沙袋的穩(wěn)定性及粘聚力遠(yuǎn)不如覆土，因此在盾構(gòu)通過護(hù)城河段時(shí)，宜將土壓力控制在0.06 MPa 左右、推力控制在 1 200 t 左右，并根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)節(jié)。
（2）盾構(gòu)推進(jìn)過程中的同步注漿及二次補(bǔ)漿是控制地面沉降的主要因素，以往的經(jīng)驗(yàn)顯示，盾構(gòu)推進(jìn)過程中的盾構(gòu)姿態(tài)不好易造成盾尾處漏漿、 地面沉降。 因此，在盾構(gòu)試驗(yàn)段期間，要確保盾構(gòu)推進(jìn)軸線與設(shè)計(jì)軸線相吻合、盾尾四周間隙均勻。
2.2 對(duì)過城墻采取的措施
（1）南城墻段隧道埋深15~17 m， 考慮到南城墻自身重量，根據(jù)計(jì)算和以往施工經(jīng)驗(yàn)，土壓力控制在0.18～0.20 MPa 之間， 推力控制在 1 200 t 左右，并根據(jù)施工情況調(diào)整。
（2）為防止在盾構(gòu)通過城墻下方時(shí)發(fā)生險(xiǎn)情導(dǎo)致城墻垮塌，對(duì)城門洞施作臨時(shí)鋼拱支護(hù)，可對(duì)城墻起臨時(shí)加固作用。盾構(gòu)穿越時(shí)降低推進(jìn)速度，保證平穩(wěn)推進(jìn)；嚴(yán)格控制盾構(gòu)推進(jìn)方向，減少糾偏，特別是大量值糾偏；合理確定配合比,保證漿液在進(jìn)入間隙后4 h 內(nèi)初凝。
3監(jiān)測方案的制定
3.1 監(jiān)測方案
盾構(gòu)隧道施工有以下幾個(gè)監(jiān)測項(xiàng)目：地表沉降、隧道沉降、地下水位、建筑物變形、深層沉降、地表水平位移、襯砌變形和地下管線變形等。所用測量儀器為徠卡TCA1800 全站儀 （標(biāo)稱精度為 1″1+2 ppm）、DINI 電子水準(zhǔn)儀（標(biāo)稱精度為 0.3 mm/km）及配套條形碼水準(zhǔn)標(biāo)尺。
城墻的重要性決定需對(duì)其沉降進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測；同時(shí)由于護(hù)城河靠近城墻，盾構(gòu)施工時(shí)的地層沉降（隆起）易引起河床底部開裂，使河水沿著貫通面下滲到隧道周圍，不利于隧道防水，需同步監(jiān)測河底沉降。
護(hù)城河監(jiān)測網(wǎng)由縱橫各6 個(gè)監(jiān)測斷面組成 ；城墻監(jiān)測網(wǎng)分別由位于兩邊墻壁上的監(jiān)測點(diǎn)組成。 測點(diǎn)布置見圖3、圖 4(1-1 剖面為城墻基礎(chǔ)監(jiān)測網(wǎng)剖面)。
3.2 觀測頻率與變形極限值
盾構(gòu)過護(hù)城河與城墻時(shí)， 由于護(hù)城河底在隧道上部覆土層較薄， 監(jiān)測頻率定為每天 3 次。 在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，對(duì)路面及周圍建(構(gòu))筑物實(shí)行 24 h 巡邏、觀察。加強(qiáng)對(duì)監(jiān)控量測的監(jiān)督，保證監(jiān)測數(shù)據(jù)采集、傳遞能夠準(zhǔn)確、及時(shí)、可靠；當(dāng)有異常情況出現(xiàn)時(shí)應(yīng)提高觀測次數(shù)，保證監(jiān)測與施工進(jìn)度同步進(jìn)行。表2 所示為變形監(jiān)測時(shí)有關(guān)的位移極限控制值 （根據(jù)西安市軌道交通二號(hào)線土建工程建設(shè)工程測量管理辦法及業(yè)主提供的測量方面相關(guān)要求， 經(jīng)專家聽證會(huì)討論制定），在此變形極限值范圍內(nèi)，可以保證城墻的安全。
4監(jiān)測結(jié)果分析
4.1 護(hù)城河底沉降規(guī)律
限于篇幅， 僅對(duì)具有代表性的護(hù)城河底隧道兩旁的HZ3、HZ4 截面進(jìn)行分析。 HZ3-1、HZ3-2、HZ3-3、HZ3-4、HZ3-5、HZ3-6 監(jiān)測點(diǎn)在圖 3 的 HZ3 截面上從南向北排列，HZ4-1，HZ4-2、HZ4-3、HZ4-4、HZ4-5、HZ4-6 監(jiān)測點(diǎn)在圖 3 的 HZ4 截面上從南向北排列。
從圖5 可以看出， 從盾構(gòu)機(jī)進(jìn)入護(hù)城河南岸段起到盾尾脫離護(hù)城河北岸止， 監(jiān)測點(diǎn)基本上均呈現(xiàn)負(fù)值（負(fù)值表示下沉），并有增大趨勢。當(dāng)離盾構(gòu)切口較近時(shí)，受開挖面土體位移的影響而發(fā)生隆沉。河岸的覆土層厚度隨盾構(gòu)機(jī)的前推逐漸變薄， 開挖面土體承受的水平應(yīng)力可能會(huì)略小于原始應(yīng)力， 開挖面土體則向盾構(gòu)內(nèi)移動(dòng)，從而引起地層損失，即導(dǎo)致盾構(gòu)上方地面沉降。河底處土層最薄，而盾構(gòu)機(jī)又保持在以河南岸時(shí)的速度和壓力前進(jìn)， 因此該曲線一直呈負(fù)值狀態(tài)。
因?yàn)椴扇〉氖峭阶{，并及時(shí)、充足地進(jìn)行補(bǔ)漿，故盾構(gòu)機(jī)后邊的沉降曲線趨于平緩。直至盾構(gòu)脫出北河岸， 護(hù)城河底的沉降速率才逐漸減小至基本不變（保持在-2 mm 左右）。
4.2 城墻沉降規(guī)律
圖6 是城墻 CQZ1、CQZ2、CQZ3 和 CQZ4 監(jiān)測斷面測點(diǎn)變化曲線，各監(jiān)測點(diǎn)在截面上從南向北排列。其下隧道線路為半徑350 m 的左轉(zhuǎn)圓曲線。 總體來看, 在盾構(gòu)通過期間， 地表沉降并未超出警戒值，保證了城墻的安全。
5結(jié)語
（1）盾構(gòu)施工中，地表沉降是多種因素共同作用的結(jié)果，如地質(zhì)情況、地下水位、隧道埋深及截面特征等。 特別是在濕陷性黃土地區(qū)更要注意施工方法和技術(shù)水平等主觀因素的影響。
盾構(gòu)通過護(hù)城河分為三個(gè)關(guān)鍵階段：
① 盾構(gòu)下穿護(hù)城河南岸段時(shí)， 即切口從第 62環(huán)(掘進(jìn)第 58 環(huán))開始 ，覆土埋深逐漸降低 ，為避免 南河岸護(hù)坡出現(xiàn)裂縫或隆起現(xiàn)象， 需要逐步降低盾構(gòu)土壓力；同時(shí)盾構(gòu)掘進(jìn)速度控制在 20~30 mm/min左右，并以該速度保持勻速前進(jìn)。
② 盾構(gòu)通過護(hù)城河底期間，土壓力宜控制在0.06 MPa 左右 ， 同時(shí)盾構(gòu)掘進(jìn)速度控制在 20~30mm/min 左右，并以該速度保持勻速前進(jìn)。
③ 盾構(gòu)完成穿越護(hù)城河后，向河北岸前進(jìn)，以盾構(gòu)切口接觸河岸開始，土壓力逐漸提高，由 0.06 MPa提高至0.08~0.1 MPa 左右； 同時(shí)盾構(gòu)掘進(jìn)速度控制在20~30 mm/min 左右，并以該速度保持勻速前進(jìn)。
盾構(gòu)通過城墻時(shí)，土壓力控制在 0.18～0.20 MPa之間，推力控制在 1 200 t 左右；穿越時(shí)的推進(jìn)速度應(yīng)控制在10~15 mm/min，確保平穩(wěn)掘進(jìn)。
盾構(gòu)在此推進(jìn)過程中， 每環(huán)的壓漿量一般為建筑空隙的150％～200％，即 3～4 m3；注漿壓力控制在0.25~0.35 MPa。
（2）通過現(xiàn)場監(jiān)測可以及時(shí)了解城墻等地表建筑的變形情況，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果的反饋信息調(diào)整施工工藝，保證安全施工。 目前， 隧道盾構(gòu)施工已經(jīng)順利通過城墻，表明過城墻的施工方案和監(jiān)測方案是合理 的。
（3）本文所述的西安地鐵二號(hào)線盾構(gòu)施工過城墻的變形控制措施和監(jiān)測方案對(duì)西安地鐵一號(hào)線隧道過西城墻和東城墻的安全措施的制定具有一定的參考價(jià)值。
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