地鐵雙連拱隧道暗挖下穿既有建筑的穩定性評價

唐明明，劉 淼，林 森，韓 飛

（1.北京安捷工程咨詢有限公司，北京100037；2.長春市軌道交通集團有限公司，吉林長春130118；3.吉林建筑大學，吉林長春130118）

地鐵雙連拱隧道暗挖下穿既有建筑的穩定性評價

唐明明1，劉 淼1，林 森2，韓 飛3

（1.北京安捷工程咨詢有限公司，北京100037；2.長春市軌道交通集團有限公司，吉林長春130118；3.吉林建筑大學，吉林長春130118）

以西安地鐵臨潼線暗挖下穿既有芙蓉小區住宅樓為工程背景，研究地層沉降分布規律及傾斜情況。研究表明：雙連拱隧道最大沉降區域位于隧道中墻上方偏右側位置，最大沉降值量為10.30mm；暗挖對直接下穿的建筑物影響最為顯著，最大沉降量為5.37mm，位于住宅樓鄰近隧道開挖入口位置；暗挖影響范圍內的3棟住宅樓傾斜方式有所不同，直接下穿的住宅樓的不均勻沉降主要沿建筑物長邊方向，最大值為7.67×10-5m/m，鄰近下穿的兩棟住宅樓則沿建筑物短邊方向，最大不均勻沉降為4.26×10-5m/m；隔離樁對于減少地層擾動、控制沉降及傾斜起到一定程度的作用，但對于本工程隔離樁設置與否，住宅樓的沉降、傾斜均處于安全范圍內，從經濟角度可考慮不設置。

雙連拱隧道；暗挖施工；沉降

1 概述

城市軌道交通作為一種低污染、低能耗、高效率的運輸方式，以其快速、運量大、環保等優點成為可持續發展戰略的優良選擇。國內軌道工程隧道施工方法主要有盾構法、明挖法和暗挖法。地鐵暗挖隧道施工引起地層應力重分配，可能導致路面破損、已有管線破壞，影響既有建筑物安全[1-2]。

雙連拱隧道由于其結構復雜、橫截面大，目前對其下穿影響地層沉降問題已經進行了大量的研究[3-5]。劉大剛[6]應用隨機介質理論開發了一套適用于城市隧道施工引起的地表變形及沉降預測系統,可以預測隧道分步開挖產生的水平變形和地表沉降；劉波、陶龍光[7]等應用FLAC模擬了隧道下穿建筑物基礎引起的地層變形，并考慮不同工況下開挖產生的地表變形對地表建筑物的變形影響，證明了其可行性和有效性。

暗挖對既有結構的影響除了與施工工法、地層條件有關外，還受到結構類型、剛度以及與隧道相對位置關系的影響。地鐵臨潼線于起點處下穿芙蓉小區住宅樓，受影響的3棟住宅樓中間一棟位于暗挖隧道正上方，住宅樓基礎與隧道豎向凈距約為12.1m，距離較近，研究暗挖下穿住宅樓對其結構安全性的影響十分必要。

2 工程概況

西安地鐵臨潼線起點位于紡織城站西端，柳鳴路與紡北路交叉口西北。起點隧道暗挖下穿芙蓉小區住宅樓（混7），如圖1所示。受暗挖施工影響的主要有3棟磚混住宅樓，此3棟樓高7層，每棟樓占地面積約70m× 12m，平行布置，間距約12.5m。為保護既有住宅樓的安全，在暗挖施工前擬在隧道兩側鉆射?800mm@ 1600mm鉆孔灌注樁作為保護住宅樓的隔離樁。

圖1 臨潼線起點下穿住宅樓位置關系圖

受影響的3棟住宅樓其中一棟位于暗挖隧道正上方，住宅樓基礎與隧道豎向凈距約為12.1m，隧道下穿建筑物距離長約23.5m；另外兩棟則臨近暗挖隧道，與隧道水平距離分別為10.75m及12.15m。該段地層以老黃土、古土壤和粉質粘土為主，地下水位位于隧道底部。開挖前采用深孔注漿方式加固隧道開挖輪廓線3m內的土體（上半斷面），如圖2所示。

圖2 住宅樓與暗挖隧道位置關系橫斷面圖

3 計算要點

3.1 計算模型

雙連拱隧道采用單導洞臺階法施工，每步開挖臺階長度為0.6～1.0m，襯砌厚度為0.7m，中隔壁厚度為0.5m，開挖之后即建立襯砌單元。具體開挖工序如圖3所示。

圖3 計算施工工序圖

計算模型共劃分了137920個實體單元，如圖4所示，小區住宅樓采用等高實體單元代替，隔離樁按實際直徑采用實體單元計算，各地層參數、結構參數均取自勘察資料和設計資料。模型尺寸長96m，寬84.3m，高58m。模型側面和底面為位移邊界，模型頂面取為自由邊界，底面采用固定約束，側面采用法向約束。

計算載荷主要為結構自重載荷，其中住宅樓磚混結構載荷根據其建筑面積按照2.5t/m2進行計算。

圖4 計算模型的網格劃分圖

3.2 計算參數

根據場地勘察資料以及設計施工說明，分析時將性質相近的土體進行了合并，并對勘察報告中提供的參數做一定的折減，具體計算參數如表1所示。

表1 地層及隧道材料參數

4 住宅樓穩定性分析

4.1 沉降變形分析

雙連拱隧道采用單導洞法先施工右半側隧道，待中墻施工完畢后開挖左半側隧道，在開挖過程中提前注漿。各施工階段總體沉降云圖如圖5、圖6所示。

4.2 住宅樓不均勻沉降及穩定性分析

分別讀取各個住宅樓地基4個角點（順時針順序）的最終沉降量，角點位置示意圖如圖7所示，各角點沉降值見表2（負號表示沉降）。

圖5 右側隧道施工完畢后的沉降云圖

圖6 左側隧道施工完畢后的沉降云圖

表2 住宅樓地基沉降值表

芙蓉小區住宅樓尺寸為70m×12m，因此可計算沿住宅樓地基四邊單位長度不均勻沉降值，見表3。

表3 住宅樓地基單位長度不均勻沉降值表

住宅樓單位長度不均勻沉降均處于較小范圍，其中兩側的住宅樓沿短邊方向的不均勻沉降值略大于其沿長邊方向值，表明在暗挖施工影響下，此兩棟住宅樓為側向傾斜；中間位置的住宅樓沿長邊方向的不均勻沉降值則略大于沿短邊方向，受施工影響該住宅樓偏向于沿長邊方向傾斜。綜合考慮3棟住宅樓的計算結果，中間位置的住宅樓沿長邊方向的不均勻沉降最大，其最值為7.67×10-5m/m，據《建筑地基基礎設計規范》（GB50007-2011）[8]，其不均勻沉降量應小于0.002m/m。因此，受暗挖施工影響，芙蓉小區住宅樓的不均勻沉降符合規范要求。

4.3 隔離樁對住宅樓沉降控制的作用

為保證既有住宅樓的安全，設計要求在暗挖施工前在隧道兩側鉆射?800mm@1600mm鉆孔灌注樁作為保護住宅樓的隔離樁。隔離樁起到減少暗挖施工沉降影響范圍，保護鄰近建筑物安全的作用。住宅樓不均勻沉降最大值7.67×10-5m/m遠小于規范設定0.002m/m標準。因此，是否可以不設隔離樁有必要進行對比計算。

計算模型中省去隔離樁，其余條件相同。雙連拱隧道開挖完畢后的總體沉降云圖如圖8所示。

圖8 兩側隧道均施工完畢后的總體沉降云圖

從總體沉降云圖可知，不設置隔離樁時的沉降規律和設置隔離樁時相近，最大沉降區域仍然出現在中墻上部偏右的位置，沉降量為12.30mm，略高于設置隔離樁時的沉降值（10.30mm）。

施工完畢后的住宅樓沉降云圖如圖9所示。

圖9 兩側隧道均施工完畢后的住宅樓沉降云圖

住宅樓沉降最大位置與設隔離樁時一致，最大沉降值8.23mm，略高于設置隔離樁工況下的沉降值。

不設置隔離樁時的住宅樓地基沉降以及不均勻沉降分別見表4、表5所示（負號表示沉降）。

表4 住宅樓地基沉降值表（無隔離樁）

表5 住宅樓地基單位長度不均勻沉降值表（無隔離樁）

不設置隔離樁時的住宅樓沉降及不均勻沉降值仍然處于較小范圍，其最大不均勻沉降值為1.17×10-4m/m，仍然小于規范要求。

通過是否設置隔離樁工況的對比可知，隔離樁對于減少隧道暗挖施工對周圍環境的擾動、控制住宅樓沉降及不均勻沉降起到了積極的作用。對本工程而言，隔離樁設置與否和住宅樓的不均勻沉降值均符合規范要求范圍，隔離樁并未顯著改善住宅樓的安全狀態。因此，從經濟角度考慮，在實際施工過程中可以考慮不設置隔離樁。

5 結論

根據西安地鐵臨潼線起點—紡織城站區間工程暗挖段隧道的結構特點和既有芙蓉小區住宅樓結構及相關資料，采用數值方法分析，主要結論如下：

（1）暗挖施工對于直接下穿的住宅樓影響最為顯著，對鄰近下穿影響相對較小，中間位置住宅樓的最大沉降值為5.37mm，位于住宅樓鄰近隧道開挖入口位置處。

（2）受暗挖施工的影響，這3棟住宅樓產生了不同程度的不均勻沉降，位于中間位置的住宅樓主要沿長邊方向，最大值為7.67×10-5m/m；兩側住宅樓主要沿短邊方向呈側向傾斜，最大值為4.26×10-5m/m。

（3）隔離樁對于減少隧道暗挖施工對周圍環境的擾動、控制住宅樓沉降及不均勻沉降起到了積極作用。本例中設置隔離樁與否，住宅樓均處于較安全范圍。從經濟角度考慮，可以考慮不設置隔離樁。

[1]吳波.復雜條件下城市地鐵隧道施工地表沉降研究[D].西南交通大學，2003.

[2]于潔浩，高志萍，謝勇濤.淺埋大跨連拱隧道下穿既有建筑物施工沉降控制[J].隧道建設，2010(1)：67-71.

[3]盛春革.淺埋暗挖法在下穿公路連拱隧道施工中的應用[J].鐵道建筑技術，2009（3）：39-43.

[4]李懷鑒，張桂揚.大斷面連拱隧道暗挖工法數值模擬研究[J].石家莊鐵道大學學報：自然科學版，2013（26）：51-56.

[5]鄭學貴，郭軍，吳勝忠.連拱隧道下穿高層建筑安全性分析[J].地下空間與工程學報，2010（6）：867-872.

[6]劉大剛，陶德敬，周仁強，等.城市隧道十字墻法施工引起的地表沉降及變形預測方法[J].巖石力學與工程學報，2007（增1）：2828-2833.

[7]劉波，陶龍光.地鐵隧道施工誘發地表變形預測及反分析系統研究[C]//中國土木工程學會第九屆土力學及巖土工程學術會議論文集，北京：清華大學出版社，2003：1346-1349.

[8]GB50007-2011建筑地基基礎設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2011.

U25

A

1004-5716(2015)01-0175-04

2014-11-06

2014-11-14

唐明明(1984-)，男（漢族），山東淄博人，工程師，現從事地下巖土工程方面的研究工作。