地鐵盾構隧道下穿建筑物施工影響規律與風險分析

杜雪峰

（中鐵十二局集團第三工程有限公司，山西 太原 030000）

地鐵隧道工程受地形地質等條件的限制，施工難度系數較大，對隧道技術的要求較高，尤其遇到下穿建筑物的情況，可能會造成建筑物的沉降與變形，加大安全風險。此時，相關人員不僅需要注重隧道施工技術的選擇，還需要加強安全施工管理。

1 地鐵盾構施工對建筑物的影響

1.1 主要影響因素

（1）地質與水文地質條件。盾構隧道下穿建筑物時，穿越區不同的地質條件是影響建筑物穩定性的主要因素。此外，地下水也會引發地層變形，水位上下土體性質的差異性將會使得地層沉降規律受其影響。

（2）隧道埋深。隧道設計需考慮經濟性、安全性等綜合性的因素，盡量在滿足隧道基本功能與安全性的基礎上將隧道設計在地質條件相對均一、地層強度適中的區域內。而在地鐵盾構隧道下穿建筑物施工過程中，如果不考慮隧道埋深因素，將會影響周邊建筑物的穩定性，加大建筑沉降的發生概率。根據相關經驗，地表沉降值與隧道埋深存在緊密的關系：當埋深越大時，建筑物的沉降值反而越小[1]。

（3）隧道斷面形式和大小。地鐵盾構隧道下穿建筑物施工時，建筑物的沉降還會受到隧道斷面形式與大小的影響。如果為圓形的隧道斷面形態，那么在其他條件相同或者相似的情況下，地表沉降值、沉降槽寬度都與隧道開挖半徑呈正向變化的關系。當開挖斷面較大時，由于施工作業的時間較長，會對周邊土體產生嚴重的擾動，土體的穩定性大大降低，隧道的穩定性難以保障[2]。

1.2 建筑物面臨的風險

（1）建筑物沉降。盾構法下的隧道開挖施工，可能會造成地層的不均勻沉降。在這種情況下，雖然對建筑物造成的影響是局部性的，但是同樣會使建筑物面臨著一定的安全威脅，再加上受到不良地質條件等影響，最終將會不斷增大建筑物不均勻沉降的威脅。

（2）建筑物傾斜。地鐵盾構隧道施工同樣會造成建筑物的傾斜情況，當建筑物受到施工擾動發生不均勻沉降以后，建筑物會出現嚴重的傾斜。對于高層建筑、樁基底部面積較小的建筑物而言，傾斜將會造成建筑物重心的偏斜。在這種情況下，建筑物結構內部的部分應力將會重新分布[3]。在建筑物的傾斜度超出了安全范圍以后，將會造成倒塌事故。

2 工程概況

以濟南地鐵某區間工程為例，線路全長2.114km，多處下穿商業樓、居民樓、加油站及鐵路運營線，區間隧道線間距為12～27.5m，拱頂埋深約為10.2～23.0m，采用盾構法施工。

在本地鐵工程的施工區段圍巖裂隙發育，地下水豐富，洞身處于上軟下硬地層，線路主要穿過全風化閃長巖、強風化閃長巖，局部穿越黏土、碎石土、殘積土和中風化閃長巖等地層，強風化閃長巖局部球狀風化抗壓強度偏高，地質條件相對復雜。地鐵盾構隧道下穿建筑物區段內，主要包含了素填土、黏土、強風化閃長巖等巖層，其力學性質如表1所示。

表1 各土層的力學參數

3 盾構隧道下穿建筑物施工影響規律

以盾構段的施工為研究對象，其K19+165～K19+245區段垂直下穿某建筑物，長度為80m，豎向與地面的距離達到了10m以上。為獲得盾構施工對下穿建筑物的影響規律，選取其中的某一典型區域進行相應的數值模擬，其隧道斷面為圓形結構，縱剖面如圖1所示。

圖1 典型區域縱剖面圖

3.1 計算模型及參數

數值模擬過程中，需規范參數選取，在y方向上延伸60m，隧道洞直徑為5.8m，間距為8m，中心間距為14m。而在隧道兩側圍巖區域的測定上，左、右、下三側均需要延伸3倍洞室直徑以上，確定為23m，上側延伸至地表位置為11.4m。下穿建筑物的長寬高依次為34.7m、10m、24m，建筑物處于模型頂部中間的位置。

在盾構法施工過程中，在盾構結構位置的處理將會影響結構剛度。因此，在實際的模擬過程中，需進行管片抗彎剛度的折減，按0.7系數折減，管片參數如表2所示。通過數值FLAC3D來建立隧道模型。

該工程在施工過程中，由于開挖時會面臨各種復雜的地質條件，為了應對施工過程中可能存在的圍巖變形風險，在實際的施工過程中可以應用二次注漿的方式來提高圍巖的穩定性。此外，在實際的施工過程中，施工人員還需要嚴格根據工程的總體設計標準來進行，并應用先進的監測技術做好變形與沉降監測。

隧道開挖過程中同樣存在一定的水平位移，在此工程中，水平位移主要集中在隧道以上范圍內的地層中，水平位移的影響區域相對較大。在隧道開挖施工過程中，隨著施工作業的進行，圍巖的水平變形量、影響范圍逐步增大。當開挖作業結束以后，洞室左墻圍巖的水平變

表2 管片各項參數

在實際的模擬過程中，主要包含以下步驟：（1）根據已有的隧道工程參數，創建隧道三維模型，再根據此模型來進行初始地應力的計算，并對建筑物施加等效荷載，開挖隧道內部的土體；（2）在開挖面施加0.2MPa壓力，且方向要與開挖土體的水平荷載保持一致，模擬土倉壓力大小；（3）開挖結束以后，對0.14m厚的同步注漿漿液層施工過程加以模擬，隨后再安裝混凝土管片，利用shell單元來實施模擬；（4）模擬整個隧道的開挖過程。

3.2 影響規律分析

（1）圍巖應力分析。根據模擬結果可以看出，隨著隧道開挖作業的進行，圍巖最大主應力逐步呈現減小的趨勢，而最大主應力的最大值遠遠低于盾構施工中抗拉強度的設計要求。這說明施工影響所確定的土倉壓力值能夠起到控制圍巖應力的作用，避免在盾構施工過程中圍巖應力過大所造成的變形情況。在整個工程模擬區域內，發現其應力基本上呈現水平分布狀態，而在隧道的某一區域內，最大主應力等值線出現了嚴重的彎曲情況。這種情況說明此區域是盾構施工對下穿建筑物最主要的影響區域[4]。而在兩洞拱頂局部范圍內，存在嚴重的應力釋放現象，說明該圍巖穩定性不足。相比較而言，隧道及其周邊圍巖處于相對穩定、安全的狀態下。

（2）圍巖與地表變形分析。根據施工模擬的最終結果，受到建筑物荷載作用力，在隧道開挖過程中，豎向變形主要集中在建筑物下部圍巖與地表位置，在隧道拱底存在輕微的回彈隆起現象。而在隧道雙洞內靠近中線的位置，底板鼓起量最大，拱頂沉降最為嚴重。在整個隧道開挖施工過程中，在盾構掘進作業的不斷進行中，地表與圍巖的沉降值呈逐步增大的趨勢，當隧道開挖施工結束以后，其地表與圍巖的最大豎向變形量均在工程允許的范圍內。這說明同步注漿材料、注漿壓力的控制能夠在一定程度上抑制圍巖的變形與沉降現象[5]。形量、右墻圍巖的水平變形量存在著明顯的對稱性，且水平位移處于相對安全的范圍以內。隧道開挖施工過程中，為達到隧道施工的安全性要求，必須保障管片支護的及時性，保障在開挖過程中，支護始終處于開挖之前，并要在開挖過程中加強施工監測，嚴格控制盾構施工中的安全風險。

總之，在地鐵盾構隧道下穿建筑物施工過程中，施工具有復雜性，隧道施工作業會對建筑物的穩定性與安全性產生一定的影響。因此，在實際的施工過程中，需要充分結合工程現場的實際情況，做好施工技術的選擇，并合理設計支護結構，保障盾構法應用的有效性。

4 結束語

近年來，隨著地鐵工程項目的增多，各種新型的施工技術逐步被應用于工程建設中。地鐵隧道施工常常會面臨極為復雜的施工環境，為了最大程度保障施工的安全性，降低施工風險，工程人員在施工過程中要加強安全管理，保障施工的規范性，促進地鐵隧道施工的順利進行。