摘 要 西安地鐵二號線區(qū)間隧道施工對城墻等國家級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。 文章針對該地鐵工程介紹了上行線隧道盾構(gòu)下穿護城河及城墻時的地表變形控制措施和施工變形監(jiān)測方案，并對監(jiān)測結(jié)果進行分析。 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、足量且補漿及時；隨著盾構(gòu)的推進，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)生對土體的擾動，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，屬國家級文物保護單位。在盾構(gòu)通過時必須保證萬無一失，不能對其造成任何損害。因此，對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，施工中需穿越護城河與城墻 （圖1）。 西安護城河深度約 12 m，河岸采用漿砌片石護坡，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)，取自試驗室所得數(shù)據(jù)。
受護城河的影響，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，對盾構(gòu)施工有較大影響。
1.2 支護參數(shù)
隧道施工采用整環(huán)管片做支護的方式進行掘進，管片拼裝順序為 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。 支護結(jié)構(gòu)見圖 2。
2控制地面沉降的施工措施
盾構(gòu)掘進時， 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，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，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)在曲線段掘進糾偏時，實際開挖斷面呈橢圓形，也會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)推進的過程中，應(yīng)根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)及時調(diào)整土壓力值，科學(xué)合理地設(shè)計土壓力值及相宜的推進速度等參數(shù)，以防止超挖和減少對土體的擾動。
2.1 對過護城河采取的措施
（1）護城河段盾構(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)通過護城河段時，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)實際情況進行調(diào)節(jié)。
（2）盾構(gòu)推進過程中的同步注漿及二次補漿是控制地面沉降的主要因素，以往的經(jīng)驗顯示，盾構(gòu)推進過程中的盾構(gòu)姿態(tài)不好易造成盾尾處漏漿、 地面沉降。 因此，在盾構(gòu)試驗段期間，要確保盾構(gòu)推進軸線與設(shè)計軸線相吻合、盾尾四周間隙均勻。
2.2 對過城墻采取的措施
（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)計算和以往施工經(jīng)驗，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)通過城墻下方時發(fā)生險情導(dǎo)致城墻垮塌，對城門洞施作臨時鋼拱支護，可對城墻起臨時加固作用。盾構(gòu)穿越時降低推進速度，保證平穩(wěn)推進；嚴(yán)格控制盾構(gòu)推進方向，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監(jiān)測項目：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其沉降進行重點監(jiān)測；同時由于護城河靠近城墻，盾構(gòu)施工時的地層沉降（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。
護城河監(jiān)測網(wǎng)由縱橫各6 個監(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)測點組成。 測點布置見圖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)過護城河與城墻時， 由于護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)掘進過程中，對路面及周圍建(構(gòu))筑物實行 24 h 巡邏、觀察。加強對監(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、可靠；當(dāng)有異常情況出現(xiàn)時應(yīng)提高觀測次數(shù)，保證監(jiān)測與施工進度同步進行。表2 所示為變形監(jiān)測時有關(guān)的位移極限控制值 （根據(jù)西安市軌道交通二號線土建工程建設(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 護城河底沉降規(guī)律
限于篇幅， 僅對具有代表性的護城河底隧道兩旁的HZ3、HZ4 截面進行分析。 HZ3-1、HZ3-2、HZ3-3、HZ3-4、HZ3-5、HZ3-6 監(jiān)測點在圖 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)機進入護城河南岸段起到盾尾脫離護城河北岸止， 監(jiān)測點基本上均呈現(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，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)機的前推逐漸變薄， 開挖面土體承受的水平應(yīng)力可能會略小于原始應(yīng)力， 開挖面土體則向盾構(gòu)內(nèi)移動，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)機又保持在以河南岸時的速度和壓力前進， 因此該曲線一直呈負(fù)值狀態(tài)。
因為采取的是同步注漿，并及時、充足地進行補漿，故盾構(gòu)機后邊的沉降曲線趨于平緩。直至盾構(gòu)脫出北河岸， 護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)測斷面測點變化曲線，各監(jiān)測點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)通過護城河分為三個關(guān)鍵階段：
① 盾構(gòu)下穿護城河南岸段時， 即切口從第 62環(huán)(掘進第 58 環(huán))開始 ，覆土埋深逐漸降低 ，為避免 南河岸護坡出現(xiàn)裂縫或隆起現(xiàn)象， 需要逐步降低盾構(gòu)土壓力；同時盾構(gòu)掘進速度控制在 20~30 mm/min左右，并以該速度保持勻速前進。
② 盾構(gòu)通過護城河底期間，土壓力宜控制在0.06 MPa 左右 ， 同時盾構(gòu)掘進速度控制在 20~30mm/min 左右，并以該速度保持勻速前進。
③ 盾構(gòu)完成穿越護城河后，向河北岸前進，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； 同時盾構(gòu)掘進速度控制在20~30 mm/min 左右，并以該速度保持勻速前進。
盾構(gòu)通過城墻時，土壓力控制在 0.18～0.20 MPa之間，推力控制在 1 200 t 左右；穿越時的推進速度應(yīng)控制在10~15 mm/min，確保平穩(wěn)掘進。
盾構(gòu)在此推進過程中， 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線盾構(gòu)施工過城墻的變形控制措施和監(jiān)測方案對西安地鐵一號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值。
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