上下重疊地鐵盾構隧道施工對鄰近建筑物影響及控制措施研究

雷江松

(深圳市地鐵集團有限公司,深圳 518026)

城市地鐵修建過程中往往需要穿過城市商業區或居民住宅區。然而這些區域因建筑物密集、施工場地狹小、地質情況復雜、地下管網密布、交通繁忙，對施工的控制要求更為嚴格[1]。地鐵作為關乎民生的重點工程，必須在各方各面精心設計、精確施工[2]。

地鐵重疊隧道施工過程中由于上下重疊隧道施工力學行為復雜，對周圍環境的影響較大[3-6]。其中重疊隧道下穿建筑物時，若不能精準控制盾構掘進過程，將導致建筑物產生較大的變形及沉降，影響建筑物的安全。

孫曦源等以北京地鐵下穿砌體結構建筑物為工程案例，提出了地鐵下穿建筑物引起建筑為基礎沉降的規律[7]。張天明根據深圳地鐵2號線2222標盾構機下穿翠海幼兒園及景煜小學的工程實例，對盾構下穿建筑物掘進參數給出了建議[8]。夏元友等對漢口火車站區間盾構隧道與樁基互相接近時的施工力學行為進行數值模擬，分析了盾構隧道施工對群樁及群樁上部地表的影響，對盾構施工控制提出了建議[9]。李進軍等采用簡化分析方法和位移控制有限元方法，對單隧道工況和多隧道工況下盾構穿越對PHC管樁樁基礎的影響進行分析，提出減小盾構隧道對樁基礎影響的相關工程設計措施[10]。張頂立等以首次采用大直徑(φ10.22 m)土壓平衡盾構穿越建筑物的北京地鐵14號線為例，研究地表及建筑物沉降規律并提出施工建議對指導地鐵施工很有必要[11]。然而，當前對于重疊地鐵下穿建筑物的施工研究相對較少，而且相對于地表地層沉降，對建筑物樁基的控制影響研究也較少。

以某重疊隧道下穿某新建建筑物為研究背景，采用三維有限差分法，對注漿加固前和注漿加固后盾構掘進(先下洞后上洞)地表沉降和地層沉降及樁基位移進行分析，并對實際工程中可能碰到的問題給出了施工建議。

1 工程概況

1.1 工程背景

以某區間重疊隧道為背景，下穿某大廈，區間隧道為單線圓形斷面隧道，如圖1、圖2所示。本地鐵工程采用鋼筋混凝土管片襯砌，管片外徑為6 200 mm，內徑為5 500 mm，寬度為1 200 mm，厚度為350 mm，混凝土采用C50高強混凝土。該大廈是新建高層建筑，兩層地下室，地下室樁基布置預留本區間線路通道；區間隧道與其關系為斜下穿，隧道與地下室基礎梁豎向凈距2.13 m，與樁基水平凈距2 m。隧道基底埋深17～30 m(高程-9.747～-3.169 m)。

圖1 區間隧道下穿某既有建筑物橫斷面(單位：m)

圖2 區間隧道下穿某既有建筑物縱剖面(單位：m)

由于地鐵區間需從新建高層建筑物下面穿過，屬于近接重要建構筑物施工。根據工程經驗，地面沉降控制標準如下：盾構掘進時地層損失率應≤1‰；已完成的隧道結構沉降控制標準：附加沉降或隆起量≤5 mm；警戒值≤3 mm。

1.2 地質概況

區間沿線場地地貌主要為第四紀河口相沖海積平原地貌單元。場地地形較為平坦，地面高程5.86～8.04 m(以勘探孔口高程統計)。

按地質成因時代及其工程特征分類，區間場地淺部為厚15～20 m的沖海積砂質粉土及粉砂，中上部為厚度10～12 m的淺海相的高壓縮性流塑狀淤泥質粉質黏土，中下部為厚度5～10 m的河流相軟可塑～硬可塑狀灰黃色粉質黏土，再下層為古錢塘江河床相性能較好的粉砂、圓礫，底部為白堊系風化基巖(砂礫巖)。

2 計算模型

2.1 模型建立

FLAC3D采用三維有限差分法，利用動態運動方程求解問題，特別適合在求解非線性問題和大變形問題中使用[12]。

根據上述的地質資料及設計圖紙，模型如圖3所示。圖中x軸為水平橫向，y軸為隧道掘進方向，z軸為豎向。模型尺寸充分考慮了邊界效應對數值計算的影響，模型左右邊界到隧道中心線的距離為40 m，沿隧道軸向取120 m，豎向取47.7 m。模型四周和底面為法向位移約束，上表面自由，不進行約束[13-14]。

圖3 數值計算模型

2.2 計算參數

根據地質勘察報告，將土層分為7層，計算中先用彈性方法模擬在初始地應力作用下的土體。表1為各地層基本物理力學參數。表2為管片與注漿層物理力學參數。

表1 土體基本物理力學參數

表2 管片及注漿基本物理力學參數

2.3 盾構掘進模擬

盾構隧道施工主要分為4個階段(開挖掘進、盾尾注漿、盾尾脫開、固結沉降)。整個過程可以簡略地用圖4和圖5表示。

圖4 盾構掘進模擬示意

圖5 盾構掘進注漿示意

假定盾構隧道為一步一步跳躍式掘進，每次掘進距離為1環管片的寬度(1.2 m)，土體采用實體單元(solid)進行模擬，管片采用殼單元(shell)模擬。

盾構開挖過程的模擬順序為：首先進行初始地應力場分析，即在自重作用下完成固結沉降。然后進行初始位移場清零，研究盾構施工的影響。盾構施工過程為開挖隧道輪廓范圍內土體，施加掌子面盾構頂推力，進行管片結構支護，注漿。在前一步開挖支護完成后，再進行下一環開挖支護。重疊隧道上下線的施工順序為先進行下洞隧道施工，待下洞隧道施工完畢后，再進行上洞隧道施工。

2.4 數據提取點的布置

為了反映盾構掘進對下穿建筑物的影響，監測了地下室底板的變形、承臺的沉降和樁基的側移。監測斷面定為y=60 m處，即隧道長度一半的位置。監測地下室底板變形時，在底板的頂部，共布置58個數據提取點，監測承臺時，選擇監測位置為模型z=16.32 m處(承臺的頂部)，布置了8個數據提取點。提取樁基位移時，選擇提取位置為模型z=-3.067，0，3.067，6.133，9.2，12.267 m處，隧道縱向每排樁的z位置均布置數據提取點。具體布置如圖6所示。

圖6 監控點布置

3 數值模擬結果分析

圖7顯示非加固情況下盾構掘進至60 m處時，建筑物地下室底板沉降結果。

圖7 未注漿加固條件下盾構掘進(下洞)引起地下室底板沉降三維示意

由圖7可以看出，下洞隧道在掘進過程中，由于開挖擾動的影響，可以定性地看出地下室底板產生了較為明顯的地層沉降，且左右兩側地表沉降呈對稱分布，沉降基本相同。

為定量分析盾構掘進對地下室底板擾動的影響，分別監測了盾構掘進下洞上洞完成后，y=60 m(中間斷面)處地下室底板沉降的情況，如圖8所示。

圖8 未注漿加固條件下盾構掘進引起地下室底板沉降

從圖8可以看出，隧道掘進后，地下室底板發生了明顯的沉降。沉降曲線呈對稱凹形分布。由于區間近接建筑物樁基施工，盾構在掘進過程中一般采用微欠壓的掘進模式，因而下洞隧道在掘進過程中地層位變很大，最大沉降達到117 mm。且從沉降槽的分布形態可以看出，在沉降最大的區域，處于不同埋深處地層的沉降值基本相同，這主要是由于隧道上方有樁基承臺支承。

從上面的分析可以看出，若不對地層進行注漿加固而直接進行盾構掘進，開挖擾動大，地層變形難以控制，建筑物及施工安全難以保證，因此，考慮采用預留注漿孔對樁基承臺中間土體進行加固后再開挖的施工方法。該作業模式下，地下室底板沉降分布如圖9所示。圖9定量分析了對樁基間地層進行注漿加固后進行盾構掘進對地下室底板擾動的影響，分別監測了盾構掘進下洞上洞完成后，y=60 m(中間斷面)處地下室底板沉降的情況。可以看出，注漿加固后地下室底板沉降發生了大幅度降低。由于加固后土體的工程性質得以改善，沉降得到了很好控制。沉降曲線呈對稱分布的凹槽形，最大沉降發生在隧道正上方，量值為5.6 mm，遠小于沉降監測預警值20 mm，說明注漿加固后進行隧道掘進，開挖擾動對地層沉降的影響較小。因而，從控制地層的角度，采用注漿加固措施進行地層處理后掘進，施工風險可靠，施工安全。

圖9 注漿加固條件下盾構掘進引起地下室底板沉降

圖10和圖11定量分析了注漿加固條件下盾構掘進對承臺的影響。承臺沉降主要是由于開挖卸荷后地層的沉降。施工后應該嚴格控制開挖后承臺的沉降。

圖10為隧道掘進過程中水平相鄰承臺的差異沉降，由于模型左右對稱，可以取一半進行提取，所提取點的位置在模型y=60 m處斷面，分別為x=-10，-8，-6，-5，-4，-3，-2，0 m。在隧道未掘進前，承臺沉降為0，隨著掘進至20 m，承臺開始沉降。最開始沉降速率較快，掘進至60 m后，逐漸放緩，最后呈水平趨勢。承臺水平方向最大差異沉降為掘進至90 m處，約為2.5 mm，未超過臨界值[15]。

圖10 隧道掘進過程中水平相鄰承臺差異沉降

圖11為隧道掘進過程中縱向相鄰承臺的差異沉降，分別取y=40 m處和y=60 m處承臺進行監控，沉降曲線趨勢與之前敘述相同。縱向最大差異沉降約為0.5 mm，符合要求。

圖11 隧道掘進過程中縱向相鄰承臺差異沉降

圖12為下洞隧道掘進完畢后監測斷面商貿大廈的樁基側移。

圖12 盾構掘進(下洞)引起樁基水平位移

從圖12可以看出，下洞隧道掘進后，右側樁基向隧道內變形。由于隧道施工的部位靠近樁基頂部，所以，靠近樁頂處樁基側移最大，最大水平側移達到1.75 mm。隧道洞周附近樁基由于受到盾構掘進擠壓的影響，發生向外的膨脹變形，最大變形量為0.25 mm，在變形允許范圍內。

圖13為盾構掘進(上洞)引起樁基水平位移。

從圖13可以看出，上洞隧道施工完成后，樁基側移有所增大。增大的原因與上洞隧道施工完成后承臺沉降增大的原因相同，是樁基比較接近上洞隧道。上側樁基最大位移為1.75 mm，下側樁基最大側移為2.6 mm。從樁基水平位移的量值看，量值較小，小于允許值5 mm，施工安全能夠得到保證。

4 結論及建議

本文通過三維有限元分析，針對隧道下穿商貿大廈近接樁基施工建立數值計算模型，對盾構掘進過程進行了模擬。通過分析盾構掘進過程中地下室底板沉降、承臺差異沉降、樁基變形等數據，對比了未注漿和注漿加固條件下施工的安全性。得到如下結論。

(1)采用本文所述的加固措施后，滿足承臺、樁基變形控制指標及地下室底板沉降要求。

(2)從計算結果看，注漿加固后，地層性質得到改善，盾構掘進過程中地層沉降和建筑物變形均在控制標準以內，施工安全能夠得到保證。

(3)隧道洞周附近樁基由于受到盾構掘進擠壓的影響，發生向外的膨脹變形，其中由于隧道施工接近樁基頂部，因此樁基頂部側移最大，工程中應該留意樁基的變形。

結合實際工程中遇到問題提出如下建議。

(1)盡量保證盾構機掘進面壓力、注漿壓力與地層原始地應力相匹配。

(2)確保盾構機在掘進過程中盡量維持土壓平衡狀態。

(3)嚴格控制出土方數。

(4)采取必要的壓重措施。

(5)上洞隧道掘進時在下洞隧道內設置支撐結構。

(6)盡可能加大注漿加固范圍。

(7)采取必要的監控量測手段輔助施工。

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