城市隧道下穿既有建筑的安全控制模擬試驗研究

中鐵十八局集團有限公司 天津 300350

0 引言

最近幾年，伴隨著經濟的與日發展，城市化進程也在不斷推進，在整個推進過程中，城市交通量也在迅猛地增加，為了讓土地能得到高效利用，地下軌道交通工程應運而生。

與以往工程相比，近年來，工程不僅有著較大的規模，還需下穿更多的已有建（構）筑物，且需要更為嚴格的修建技術。所以，在進行城市的地下工程時，不僅要對其附近的結構物進行合理的影響分析，還要探討相應的安全措施，這不僅是當前的一項熱點問題，也具有非凡的現實價值，值得進一步探討。

1 工程概況

某城際線路區間長11.7 km，在其左線GDZK45+200～GDZK45+405段，伴隨著較為復雜的區間結構形式。其下穿2～5 層的民居住房，大部分的結構都為框架。在進行模擬計算的時候，選取GDZK45+300作為斷面的里程，最下面的一層為弱風化泥質粉砂巖，其上為強風化泥質粉砂巖，再上為殘積粉質黏土，接著是游泥質粉質黏土，最上面的一層是素填土，隧道埋深17.5 m。針對隧道下穿居民區的狀況，本文對上部建筑物結構在隧道挖掘中的安全控制進行探討。

2 城市隧道下穿既有建筑的安全控制模擬試驗[1-4]

2.1 模擬試驗相似關系

結合研究目的，對該城際線路隧道的相關設備及其操作性進行充分的考慮，然后進行相關計算與推導和合理的類比與分析，從而對試驗中需要確定的地基相似比及時確定，這些相似比有幾何相似比，也有堆積密度相似比，進而使得在規定范圍中，一些控制性物理力學的參數相似性得以全部實現。結合相似原則，將參數原型值與模型值的相似比進行相關推理，幾何、強度、壓力、凝聚力、彈性模量相似比為20，堆積密度、應變、摩擦角相似比為1。

2.2 模擬試驗材料

2.2.1 相似材料之圍巖

對于該城際線路來說，其GZH-7標隧道的位置是城市中較為繁華的道路。當該隧道下穿繁密的居住區時，其圍巖的級別是六級，在試驗中就將其作為了土體配比的原型。為了使得試驗既結合實際，又能夠在相關工程中進行合理推廣，圍巖參數應該在結合實際的基礎之上，與相關標準中規定的巖體選值充分結合起來。

2.2.2 相似材料之加固區

結合施工計劃，應該在于隧道拱部的180°范圍中，做好小導管超前支護的工作，將φ22 mm超前錯桿打設好，做好半斷面相關的注漿止水工作。由于條件受限，要想于臺架上做出拱形的超前支護十分不易，所以一般都是在拱頂上加設相應的加固土體，由此來充當加固區的圍巖角色，此土體的圍巖強度與原土體相比，要高一個層次。圍巖加固區詳見圖1、圖2。

圖1 現場圍巖加固區示意

圖2 試驗圍巖加固區示意

2.2.3 相似材料之支護

因試驗條件受限，一些初支措施諸如鋼架等較難進行模擬，所以就參考之前的模擬試驗，將水和石膏的比值為1∶1.12的特種石膏相似材料作為初支的模擬對象，在試驗的過程中，以繞灌注的方式做好支護工作。對于石膏的模擬材料來說，其試驗指標為0.5 h的力學指標，試驗結果發現，在0～10 ℃下，這種相似材料的強度在0.5～8 h之間基本不發生變化。

2.3 模擬試驗裝置及量測系統

2.3.1 模擬試驗裝置

對于試驗模型來說，其槽的尺寸如下：4.3 m×3.7 m×0.8 m；對于隧道試體來說，其尺寸如下：0.85 m×0.9 m×0.8 m。為了使得圍巖和隧道試體處于易于控制狀態，應用了相應的約束器材對模型槽前后進行控制。為了將模型槽的邊界效應控制到最低，在其整個內表面都進行了厚1 mm的聚四氟乙烯板粘貼。

2.3.2 量測系統

1）量測項目及措施：主要對各種工況下進行開挖的時候隧道結構等位移的變化進行測量，采用精度為0.000 1 m的差動變壓器式位移計做好相關測量工作。

2）測點的相關布置：在地表布置7 個測點，從隧道的正上方開始，從左向右間距為4 m依次排列；對于土中的測點來說，加上拱頂共有4 個；對于每個房屋來說，各自有2 個在對角線上的監測點。監測點的布置詳見圖3（圖中矩形代表房屋建筑物，圓形代表監測點）。

圖3 模擬試驗監測點平面布置

2.4 模擬試驗步驟

1）為確保試驗平面的應變態勢，將槽和模擬圍巖間的摩擦控制在最低，要在槽的全內表面進行厚1 mm的聚四氟乙烯板粘貼。

2）做好儀器的調試和場地布置工作，制作在測量位移時需要的相關材料。

3）結合試驗工況實際，在槽內做好填土工作，當填到隧道的拱頂位置時，依據標準增添加固區土體。并在其中合適位置埋置合理的銅管，待找平結束，做好一次性的壓實工作從而避免分層現象的發生。

4）結合設計計劃，將槽內的測點位置及時確定，將位移計安置好并保證其處于合理的讀數標準下，將其調至垂直態勢，將其初始讀數記錄下來。

5）一切準備結束，開始隧道的模擬開挖，開挖時，要依據實際采取合理的工序，對于各個工序在挖前、挖中、挖后以及支護之后的測點位移對應值要做好認真記錄。

6）整理和分析相關數據，從而總結監測點的位移存在的相關規律。

對于模型隧道來說，其長為80 cm，在試驗的過程中有8 次開挖，每次都控制在10 cm，將40 cm所在的平面作為目的面。

2.5 模擬試驗成果分析

試驗中，中隔壁的模擬材料為招材板，支護的模擬材料為石膏，每次開挖的尺度為10 cm。模擬開挖示意如圖4所示。

圖4 模擬開挖示意

拿測點212和274來看，前者是4 層框架房屋的監測點，后者是4 層磚混房屋的監測點，2 個監測點的沉降變化曲線通過圖5可以看出，其位移有著類似的規律，都存在著一定的空間效應，但后者的位移值要大于前者，沉降值也大了約1 mm。

圖5 4 層框架和磚混房屋監測點地表沉降變化曲線

拿測點215和218來看，前者是4 層框架房屋的監測點，后者是2 層框架房屋的監測點，2 個監測點的沉降變化曲線通過圖6可以看出，其位移有著類似的規律，都存在著高度效應，但前者的沉降值明顯大于后者，大約0.2 mm。

圖6 4 層和2 層框架房屋監測點地表沉降變化曲線

3 城市隧道下穿既有建筑的安全控制措施[5-9]

由于本標段路線需要下穿不少建筑物，且大都為框架以及磚混的結構，結合上述分析，為了在隧道開挖時保障建筑物的相關安全，對其采用的安全控制措施如下：

1）結合建筑物實際及其周圍環境和隧道的埋深度，進行相關模擬推算，就隧道的不同位置采用主動注漿加固法（圖7），從而對建筑物下面的天然松散土體及其周圍地層進行合理的加固。同時，加強管柱和土體間存在的摩擦力，改良建筑物的相關基礎地層，從而為隧道的安全下穿提供保障。

圖7 主動注漿加固平面示意

2）結合建筑物實際及其周圍環境和隧道的埋深度，進行相關模擬推算，就隧道的不同位置采用跟蹤注漿加固法（圖8），從而對隧道開挖時伴隨的失水等引發的空隙進行相應跟蹤監測并及時注漿控制，進而保障其安全的下穿。采用此法加固的建筑物，要做好動態的監控與量測，如果沉降超過標準時，要結合實際進行相應的跟蹤注漿加固。

圖8 跟蹤注漿加固平面示意

3）要結合工程的實際，建立健全的動態監測系統，布置合理位置的監測點，進行全面的動態測定，進而依據信息進行相應施工，同時結合監測實際動態調整施工參數，使得掌子面處于穩定狀態，防止建筑物伴隨變形現象。

4）結合房屋的結構以及其和隧道存在的位置聯系，制定房屋的沉降量界限值與沉降差標準值以及安全的保障限度。

5）對于隧道來說，在不超過其開挖的標準內，那些基礎不牢固的房屋，應該從地面出發，向下布置豎向的袖閥注漿管，也可以向下布置斜向的袖閥注漿管，做好地表注漿工作，一般來說，都是采用水泥漿充當注射漿液。

6）結合監測結果，如果房屋的沉降度較大基本到達警戒界限時，應該先停止隧道的開挖工作，結合實際，通過地面向著基礎的下方進行跟蹤注漿加固工作，一般采用水泥漿充當注射漿液。

4 結語

結合模擬試驗，我們能夠推斷出，兩種結構磚混與框架基本存在類似的位移變化規律，同時都存在著一定的空間效應。基于量值的角度來看，前者的位移值要大于后者的位移值，這個結果基本雷同于數值的模擬分析。

綜上所述，在隧道施工的時候，要注重對其正上方的房屋地基的注漿處理工作，并通過此項措施來控制房屋的沉降。如果房屋在其開挖縱向影響范圍的20 m內，則要進行相應的地基加固工作。

對于那些地基條件不好、容易倒塌的房屋，要注意對其上部結構剛度的強化，從而提高墻體的抗倒塌度。與此同時，在整個過程中，也不要放松對地基的相關處理工作，對每個房屋的沉降控制，應該結合國家規定的相關標準認真執行。