礦山法隧道近距側穿保護性建筑的數值影響分析及保護研究

蘇 軍,薛 暉,于學敏

(1.北京交通大學土木建筑工程學院, 北京 100044； 2.鐵道第三勘察設計院集團有限公司, 天津 300251)

隨著中國軌道交通的快速發展，地鐵隧道穿越密集建筑物的機會和范圍越來越大，特別是穿越一些有特殊保護需要、敏感度高的構筑物，控制施工沉降，保護地上構筑物顯得尤為重要。例如具有重大歷史意義的歷史構筑物，由于年久失修、結構不穩定、敏感破壞，因此對地鐵隧道的穿越施工提出了更高的要求。目前，國內對地鐵隧道穿越常規地上構筑物積累了比較豐富的經驗，主要通過剛性隔離和注漿加固兩種主要措施[1-12]，在某種意義上控制地層的擾動以達到降低并預測隧道穿越對地上構筑物造成的影響，主要的研究方法有簡化解析法、數值模擬法及施工現場監測等方法[2]。但是當前對地鐵隧道穿越年久失修、古老易壞的歷史構筑物研究的資料比較少，對其施工環境影響控制要求更高，因此本文開展這一方面的研究。

1 工程概況

某地鐵施工時，先施做保護性建筑東側的礦山法隧道，該隧道為單洞單線馬蹄形隧道，區間距離保護性建筑水平距離約3.5 m，豎向距離約9.68 m。再施做保護性建筑西側的暗挖法換乘通道，通道為圓拱直墻圓底結構，其距離建筑最近距離約1.9 m，豎向距離建筑基礎底約9 m，其位置關系如圖1所示。

圖1 地鐵結構與建筑物的平面關系

2 風險分析

隧道開挖引起的沉降分析項目主要為建筑物橫、縱墻不均勻沉降(橫墻指承重墻所處方向)，包括整體及局部不均勻沉降中最大值[3]。據《建筑地基基礎設計規范》，保護性建筑屬高度小于24 m的建筑，允許沉降控制值30 mm，差異沉降控制值10 mm，傾斜控制值0.4%。由于建筑為北京市級重點保護性建筑，變形指標從嚴控制，允許沉降控制值10 mm，差異沉降控制值4 mm，傾斜控制值0.1%。

根據區間隧道所穿越的地上構筑物工程地質條件，隧道穿越建筑物橫向影響范圍重點考慮隧道軸線兩側各9 m區域。同時借鑒北京市地鐵隧道施工經驗，區間隧道施工地表沉降橫向影響一般范圍為隧道中心線左右兩側各20 m的范圍[4]。重點保護性建筑正處于其影響范圍內且是兩風險源近距離穿越，側穿對建筑物的影響較大，沉降控制標準要求高，故建筑的風險評估顯得尤為重要。

3 加固前施工安全預測分析

為了便于與加固后效果進行對比分析，對加固前的施工安全進行分析，利用數值模擬的方法對右線隧道及左側通道雙側穿建筑的變形進行預估，并為控制隧道開挖施工、加固措施提供指導意見。

3.1 建模說明

計算的最終工況取右線隧道及左側通道施工都貫通完成后的施工工況，分析步驟：

(1)土層固結沉降完成的初始狀態IS階段；

(2)右線隧道開挖過程CS1～CS31階段；

(3)左側換乘通道開挖過程CS32～CS62階段。

計算模擬時，右線隧道開挖完成后再進行換乘通道開挖，開挖進尺都為2 m，將隧道及通道的動態開挖過程分別分為30個施工步，整體模型共分60個開挖步，土體開挖和結構施作通過鈍化和激活單元實現，每個開挖步內荷載通過開挖邊界荷載釋放系數分配，荷載應力釋放系數為0.4、0.3、0.3。

模型計算采用MIDAS-GTS4.0有限元計算軟件，建立三維實體模型。沿隧道及通道方向(南北向)取60 m，垂直于隧道及通道(東西向)取62.3 m，向上至地面，向下至卵石層底的范圍，取24.78 m。地應力場按自重應力場考慮。整體有限元模型如圖2所示。

圖2 整體有限元模型

建筑高16 m，3層磚混結構，根據建筑荷載設計經驗值[5]，取磚混樓層每層等效均布荷載為20 kN/m2，為了便于建模將建筑等效成8 m高的實體，等效實體重度為20×3÷8=7.5 kN/m3，設置其中實體參數即可。右線隧道及換乘通道結構尺寸見表1。

表1 右線隧道及換乘通道結構尺寸

隧道及通道的初期支護均采用噴C25混凝土，二次襯砌均采用C30混凝土，襯砌及土層參數見表2、表3。

表2 支護結構參數

表3 土層參數

3.2 結果分析

分析加固前地表及建筑地面沉降規律，地面最小位移沉降主要發生在通道及隧道的中間位置，為-4.331 94 mm；最大位移沉降發生在通道最后開挖處，為-2.822 60×10-2m。

選取建筑地面墻角處A、B、C、D四個點(四點為底部承重磚墻的各個角點處)進行施工過程整體沉降和差異沉降分析，各點沉降規律如圖3所示。

圖3 加固前4個角點不同施工階段豎向位移匯總

圖4表示加固前隧道及換乘通道襯砌最大主應力情況，最大主應力位置主要在左側換乘通道的開始洞口部位，為拉應力δmax=+4.888 51 MPa，且大部分襯砌應力值均大于《混凝土結構設計規范》中規定混凝土C30最大主拉應力限值(混凝土強度標準值)2.01 MPa[6]。

圖4 加固前通道及隧道襯砌最大主應力云圖

考慮此建筑文物年代久遠，其環境影響較敏感及文物保護的重要性，且初步施工模擬沉降量遠大于10 mm，建議隧道及通道礦山法施工期間臨時疏散人員，并在地基范圍、隧道通道周圍實施加固處理措施，確保隧道施工過程中結構安全。

4 處理方案

為了減少施工對地面建筑的影響，保證文物建筑的穩定性，針對結構物的受力特點及變形規律，采取對建筑物進行維修、地基注漿加固、設置隔離樁及隧道通道周圍土層注漿加固等措施。

4.1 建筑物的修繕補強及維修處理

建議在地鐵結構施工前對該建筑進行危險構件的修繕補強處理，在樓房外部采用框架鋼架加固，施工后對影響使用功能的構件進行維修處理[7]。

4.2 地面保護措施

擬采取地面打設隔離樁，樁為φ1 000 mm@1 200 mm，打設至隧道底板下1 m，以期在隧道、通道與建筑物之間形成一道隔離幕墻，起到隔離作用。同時預埋袖閥管進行預注漿的措施(根據監測結果進行補充跟蹤注漿)。

4.3 洞內及洞周加強措施

4.3.1 右線隧道及左側通道的洞內措施

根據以往類似地層經驗，本次暗挖法施工時區間隧道的支護參數建議值如表4所示。

表4 暗挖區間隧道結構推薦參數

4.3.2 右線隧道及左側通道的洞周土層加固措施

采用徑向二次注漿對拱頂土體進行加固處理(圖5)。

5 加固后施工安全預測分析

利用有限元軟件，采用數值模擬的方法，研究相同加固措施條件下不同施工工序對控制沉降的影響，使得地表沉降及建筑結構沉降值在控制范圍內，進一步指導施工。

5.1 數值計算模型及參數

根據樁與墻的抗彎剛度等效原則，將隔離樁基換算成等厚度的隔離墻，計算如下:πD4/64=Lb3/12，由D=1 000 mm，L=1 200 mm，得厚度b=800 mm，取等效連續墻厚為800 mm，注漿加固層參數見表5。

表5 加固措施下注漿層、隔離樁的力學參數(均為實體單元)

圖5 加固斷面示意及加固后整體有限元模型(單位:mm)

5.2 施工階段模擬

由于建筑已經進行內部修繕補強及維修處理，數值模擬中暫且將建筑構筑物作為一個整體來考慮，忽略建筑內部結構。考慮對地基進行注漿加固、設置隔離樁及隧道通道周圍土層注漿加固，因此在相應的加固區部位分別設置不同參數來模擬注漿后的土層環境。即采用應力釋放程度和等代層來模擬注漿，通過調整空洞周邊地層釋放荷載的大小反映注漿的影響，通過等代層參數反映漿液的性質[8]。初始應力狀態下為加固區域處于原始土層狀態，隨著實際工程施工的展開，分別激活相應的加固部位地層參數來模擬注漿過程。分段、逐段地變化隔離墻區域內的土體參數，來反映樁基的施工擾動與樁基施工后的強度增長。參照傳統水泥攪拌樁的施工擾動影響和加固效果，樁基施工擾動階段隔離樁區域的土層參數取為原來土層的1/3[2]。

分別使用2種方案進行加固模擬，比較相同加固措施下不同開挖順序對加固效果的影響情況。

方案一：先開挖右線隧道，當隧道施工完成后再開挖左側通道，計算的最終工況取右線隧道及左側通道都貫通完成后的施工工況，施工步共65步。

方案二：兩側同時開挖直至兩側隧道及通道同時貫通為止。開挖進尺都為2 m，施工步共35步。

5.3 數值計算結果分析

5.3.1相同加固措施在不同開挖順序下產生的加固效果對比分析

為了便于分析地表變形及建筑物沉降，在模型中分別選取3個剖面和6個點，如圖1所示。各個剖面分別經過建筑的南北邊墻及中截面，即截面A-B，中截面E-F及截面C-D，而6個點(A、B、C、D、E、F)均位于建筑底部承重磚墻的各角點處。

(1)沉降分析

①建筑地面四角點(A、B、C、D)沉降對比(圖6)

圖6 建筑地面四角點(A、B、C、D)沉降對比

方案一先開挖右側隧道，接近隧道的兩角點B、C沉降較快，當右側隧道開挖完成時，兩點沉降曲線曲率開始減小，隨著左側通道的開挖，曲線平緩，沉降趨于穩定；然而A、D兩角點的沉降規律剛好和B、C相反，先開挖右側隧道，遠離隧道的兩角點A、D沉降較慢，當右側隧道開挖完成左側通道開始施工時，兩點沉降曲線曲率開始增大，隨著左側通道開挖的推進，曲線加速下降，沉降不斷增大。

方案二兩側同時開挖推進，4個角點的沉降曲線相似，隨著縱向開挖的推進，新開挖面逐漸遠離截面A-B而接近截面C-D，開挖對A、B兩角點的影響逐漸減弱，對C、D兩角點的影響逐漸加強，使得A、B兩角點的沉降曲線逐漸趨于平緩穩定，C、D兩角點的沉降加速下降，曲線曲率增大，達到最大沉降值。

比較兩方案可知，橫向同一截面上的2個點其沉降值基本是一致的，在隧道、通道側穿時由于A、B下方及時注漿加固洞周，故受側穿沉降影響較小，C、D由于不能及時在其下方注漿加固，沉降積累時間長，受隧道及通道側穿沉降影響較大。

②A-B截面各點沉降分布對比(圖7)

圖7 A-B截面點沉降分布對比

兩方案起始階段由于建筑物兩側樁基的施工擾動，樁基施工處的地層出現較小的不同程度沉降，最大沉降為0.334 mm，發生在兩側的施工樁位處。

方案一右側隧道開挖步1開始直至右側隧道開挖完成，右側隧道附近的地表沉降逐漸增大，右隔離樁左側建筑及附近地表沉降要小于遠離右隔離樁周往隧道一側的地表沉降；同理在左側通道開挖步1開始直至左側通道開挖完成，左側通道附近的地表沉降逐漸增大，然而，左隔離樁右側建筑處及附近地表沉降要小于遠離左隔離樁周往通道一側的地表沉降；因此，在左、右隔離樁的共同作用下，使得兩樁之間的重點保護性建筑處于被隔離保護狀態，隧道及通道開挖對建筑產生的影響被大大的減弱了，故隔離樁隔離作用明顯。

方案一先右側隧道施工后左側通道施工，使得建筑地面沉降先右側沉降明顯后左側沉降明顯，最后趨于穩定，施工過程中建筑的左右側沉降差較大；而方案二是右側隧道和左側通道同時施工，使得建筑截面A-B上地面沉降左右兩側沉降規律基本相同直至趨于穩定，施工過程中建筑截面A-B上的左右側沉降差較小。但是兩方案中截面A-B上各點的最終沉降值基本一致，只是沉降路徑不同而已。

③中截面E-F點沉降分布對比(圖8)

圖8 中截面E-F點沉降分布對比

方案一在右側隧道開挖過程中中截面E-F整體逐漸隆起，直至右側隧道施工完成后隆起最大值一度達到1.64 mm，但是截面各點差異沉降不大；隨著左側通道進行開挖，中截面E-F逐漸沉降，但是左隔離樁往通道一側沉降幅度較大，由于左隔離樁的隔離保護作用，左隔離樁往建筑一側的地表沉降變化幅度小，基本是整體同時沉降，差異沉降較小，最終左隔離樁右側的中截面點最大沉降值為0.51 mm，可見左隔離樁的隔離保護作用很明顯。

方案二在同時開挖過程中建筑沒有出現隆起現象，隨著開挖的推進，建筑沉降平緩，由于左右隔離樁的隔離作用，建筑的沉降幅度相對于左隔離樁左側、右隔離樁右側地面點要小得多，但是最大沉降值達到2.11 mm，比方案一建筑最大沉降0.52 mm要大得多，可見方案一對建筑中截面的影響較小。兩方案通道一側的地面點最終沉降值基本一致，最大值為4.232 mm，但是隧道一側地面點的最終沉降值差異較大，方案一隧道中線處隆起0.239 mm，方案二隧道中線處沉降3.316 mm，可見同時開挖對中截面與隧道中線交叉處產生較大沉降影響。

通過對比可知，方案一先開挖右側隧道后開挖左側通道，能夠極大地降低建筑物中截面E-F的沉降量，起到保護建筑文物的作用。

④D-C截面各點沉降分布對比(圖9)

圖9 D-C截面點沉降分布對比

方案一D-C截面在右側隧道開挖過程中，往隧道方向距離左隔離樁越遠，產生的沉降幅度則越大，當右側隧道開挖完成時隧道中線處達到最大沉降值，為-3.456 mm，此時D-C截面建筑處差異沉降較大。而這一過程中左隔離樁左側的地面沉降幅度較小，沉降緩慢，受到右側隧道開挖的影響較小；當左側通道逐漸開挖時，左隔離樁左側的地面沉降迅速加大，通道開挖完成時在通道中線處達到最大沉降值，為5.504 mm。此時兩隔離樁之間的建筑沉降最大值為3.66 mm，滿足安全控制要求。

方案二兩側的隧道及通道同時開挖，且D-C截面在整個開挖過程中由于不能及時在其下方注漿加固，沉降積累時間長，最終沉降值大，故在D-C截面上通道中線處達到最大沉降值，為5.449 mm，與方案一的沉降值基本一致。但方案二D-C界面建筑處上各點整體沉降規律基本一致，建筑沉降平緩，差異沉降較小。兩方案D-C截面的最終沉降規律基本一致，只是發展路徑不同而已。

(2)應力分析

分別在隧道及通道二襯上取6個點1，2，3，4，5，6點(圖4)(兩點間距6個進尺l=2×6=12 m)，隨施工步的進行其最大主拉應力如表6、表7所示。

距離起始開挖面越近，二襯承受的最大主拉應力越大，且每一進尺二襯是隨著開挖步的進行其應力值呈不斷增大趨勢。在前6個開挖進尺范圍內的隧道及通道二襯混凝土應力值超過C30標準應力限值2.01 MPa，因此在這里需要加強注漿或者增加配筋保證強度；而往后開挖進尺部分的二襯混凝土最大主拉應力基本小于2.01 MPa，滿足安全控制要求。

表6 方案一隧道及通道二襯施工過程最大主拉應力 MPa

表7 方案二隧道及通道二襯施工過程最大主拉應力 MPa

5.3.2 加固前與加固后沉降情況對比分析

表6及表7表示加固后襯砌最大主拉應力規律，最大主拉應力位置主要在隧道的開始洞口部位(即隧道1位置)，最大拉應力為δmax=2.534 MPa，大于《混凝土結構設計規范》中規定混凝土C30最大主拉應力限值(混凝土強度標準值)2.01 MPa，但是除了隧道的開始洞口部位(即隧道1位置)外，隧道及通道各部分主拉應力均小于C30最大主拉應力限制值2.01 MPa，因此，在隧道開挖1至6進尺(約12 m)范圍內宜提高襯砌混凝土強度、需要加強注漿或者增加配筋保證強度，避免襯砌混凝土破壞，基本上滿足應力控制要求。

6 結語及建議

(1)與暗挖施工相關的許多輔助加固工藝已經很成熟，對建筑物進行維修、地基注漿加固、設置隔離樁及隧道通道周圍土層注漿加固等措施，評估分析實現了設計預期的效果，特別是建筑兩側隔離樁隔離作用明顯，可以在類似的暗挖側穿既有重點保護性建筑物工程中推廣應用。

(2)方案一采用先右線隧道開挖后左側通道開挖和方案二采用兩側同時施工，兩種施工工序都使建筑最終沉降值基本相同，但是方案二比方案一明顯減小了建筑A-B，E-F，D-C截面及四角點之間的差異沉降，起到保護重點建筑的作用，因此優先選擇方案二；同時兩方案對建筑影響的最終沉降值基本相同，要注意的是遠離起始開挖面的建筑一側截面受到的沉降積累時間長，沉降大，施工時注意及時監控。

(3)另外，建議在施工中建立地表沉降及建筑物變形等結構監控量測系統，隨時掌握施工過程中的動態變化，合理安排，調整施工工藝和修改設計參數，確保施工安全。

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