上砂下巖地層中礦山法隧道下穿建筑物技術研究

張秀山

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司濟南設計院，濟南 250001)

城市中修建地鐵，過大的地面沉降將會給道路、地下管線及周邊建(構)筑物帶來嚴重影響，甚至造成巨大的人身和經濟財產損失[1]。同時地鐵施工受地質條件影響較大[2]，在第四系土層中的硬巖上浮段始終是風險監控的重點部位。以青島市地鐵3號線萬年泉路站—李村站區間為例，隧道從中風化花崗巖逐漸過渡到富水上砂下巖的地層，且連續穿越既有建筑物，富水砂層中洞內坍塌突水、巖層爆破開挖都會對隧道施工和地面建筑物帶來嚴重的安全隱患。研究隧道在富水上砂下巖特殊地質條件下下穿建筑物合理施工工法[3-4]，提出合理變形控制措施，對保證建筑物安全、降低施工風險有重要意義，并能取得較好的經濟效益。

1 概述

1.1 工程概況

圖1 隧道下穿建筑物總平面

地鐵3號線是青島市建設的第一條地鐵線，線路在萬年泉路站—李村站區間向北下穿李村河后，沿京口路路側接入李村站。受地鐵2號線換乘站站位及線路平面曲線要素等因素制約，區間連續穿越6幢建筑物(圖1)。建筑物均建于20世紀90年代，使用功能不同，涉及產權人眾多，拆遷難度大。最終提出房屋不拆遷且能保證建筑物在隧道整個施工期間正常營業基本要求。

既有建筑物基礎落在粉質黏土層，地基軟弱，地基承載力特征值僅140 kPa，失水易沉降?；着c隧道之間豎向凈距約10 m；隧道為馬蹄形斷面，拱部由中風化巖層逐漸進入砂層，直至上半斷面為砂層、下半斷面為巖層的狀態。砂層含水量大，與李村河存在水力聯系，開挖易引起洞內坍塌、突水，進而引起地表塌陷及建筑物破壞，施工風險極大。

1.2 房屋鑒定結論

既有房屋基礎資料嚴重缺失，沒有竣工驗收變形數據及服役期內沉降監測記錄，僅從規范和結構概念入手，無法給出建筑物科學的沉降控制指標[5]。第三方鑒定評估單位對地面建筑物的結構類型、基礎形式、現有質量狀況等方面進行了鑒定：房屋安全性等級為Bsu級，有極少數構件需采取措施；并給出了房屋的累計沉降量及沉降差(相鄰兩框架柱間或相距10 m兩測點的沉降差)控制標準(表1)，同時要求爆破控制振速均小于1.0 cm/s。

表1 區間下穿建筑物控制標準

1.3 水文地質

隧道下穿建筑段地層上部覆蓋較淺素填土，向下依次為粉質黏土、粗砂、強風化花崗巖夾層、中風化花崗巖、微風化花崗巖(圖2)，地層物理力學參數詳見表2。建筑物基礎下的粉質黏土為褐～黃褐色，可塑，具中等壓縮性，韌性一般、結構性較好，含少量粗砂顆粒。隧道穿越的粗砂層為褐黃色，飽和，中密～密實，主要礦物成分為長石、石英，含5%黏性土，含有較多角礫、碎石。場區地下水豐富，主要有松散土層孔隙水及基巖裂隙水兩種，受李村河影響，地下水有豐富的補給來源。

圖2 隧道下穿建筑段地層地質縱剖面

表2 土層物理力學參數

2 設計方案

2.1 方案的選擇

針對下穿建筑物段在隧道工法選取上有礦山法、盾構法、凍結法。盾構法施工安全，作業環境好，但地層上軟下硬[6-7]，施工時易出現砂層及地下水流失，引起房屋較大的不均勻沉降；受地面建筑物影響，對砂層預加固困難。凍結法形成的凍結帷幕剛度大，控制變形好[8-9]；但圍巖凍融會引起建筑物的沉降變形，且凍結帷幕受爆破振動影響大，宜發生開裂突水現象。礦山法對地層有較強的適應性和高度靈活性，特別是在城市地鐵修建方面，以改造地質條件為前提，以控制地表沉降為重點，我國已經積累了豐富的理論和實踐經驗[10-11]。

結合下穿建筑物段的工程地質及水文地質條件，在洞內對富水砂層進行注漿，同時起到止水和加固地層雙重效果；加強初期支護，盡量減小地面沉降，可以把建筑物沉降控制在變形允許范圍內。經研究分析最終確定土巖分界面以上部分采用超前帷幕注漿方案。

2.2 砂層的止水和加固

隧道開挖過程中，在掌子面預先打設超前探孔，查明隧道前方及結構外側富水砂層分布范圍，對遇到的富水砂層，及時進行注漿處理。

注漿采用WSS深孔注漿工藝，注漿范圍為掌子面及洞側外擴5.0 m的砂層；縱向循環注漿長度為10 m，每循環預留4.0 m止漿巖盤。漿液采用硫鋁酸鹽水泥、水玻璃漿液[12]。初始注漿孔間距為0.2～0.4 m，末端間距控制在1 m范圍內；注漿壓力控制在0.5～0.8 MPa；先注外圈，再注內側，通過添加外加劑調節凝結速度，防止漿液流失[13]。

每一注漿段注漿完成后，應鉆孔取芯檢驗。要求每個掌子面鉆3～5個孔，觀察漿液填充是否均勻，且土體滲透系數小于10-4cm/s，強度大于0.4 MPa。若注漿未達到要求，應進行補償注漿，以保證砂層注漿加固及止水效果[14]。

2.3 初期支護加強措施

隧道開挖前拱部120°范圍打設φ76 mm自進式管棚，長10 m，環縱間距400 mm×6 000 mm；打設φ42 mm超前小導管，長4 m，環縱間距400 mm×1 000 mm。開挖進尺控制在0.5 m以內，格柵鋼架縱向間距500 mm，在拱腰位置每側采用2φ42 mm，L=3.5 m長鎖腳錨桿進行加強，初期支護采用C25混凝土濕噴，厚度300 mm。二襯采用C45、P10防水鋼筋混凝土，厚300 mm (圖3)。

圖3 隧道支護斷面(單位：mm)

2.4 巖層開挖控制措施

隧道下部中風化花崗巖開挖采用弱爆破或靜爆破，做到“少裝藥、短進尺、弱爆破、輕擾動”，爆破振速嚴格控制在1.0 cm/s以內，同時利用上半斷面砂層的開挖，形成爆破臨空面，減小對注漿加固體和上部土層的擾動[15]。在土巖交界面，增設注漿管，及時注漿堵水[16]。

2.5 建筑地面加固措施

萬隆商廈為隧道下穿的第一棟重要建筑，作為試點，在地面建筑物兩側斜向打設兩排剛性袖閥管，縱橫間距2 m×2 m，管長約22 m，覆蓋基礎底。袖閥管打設完成后、隧道穿越前先施做注漿一次，后續根據隧道施工及監測情況進行建筑基底補償注漿。同時對建筑周邊及室內布設監測點，進行實時監測。

3 模擬計算

區間隧道拱部由中風化巖層逐漸進入富水砂層，根據建筑物位置和穿越砂層的厚度，選取兩種典型斷面建立模型進行計算分析，一種為上半斷面位于富水砂層、下半斷面位于巖層條件下穿中國銀行李村支行，另一種為拱頂上部位于富水砂層條件下穿萬隆商廈，重點研究隧道開挖過程中地表變形及隧道周邊圍巖應力的變化規律[17-18]?？紤]到初襯施工完成后，圍巖變形趨于穩定，施做二襯對隧道圍巖應力分布和地面沉降的影響較小，因此數值模擬中不考慮二襯工況。

采用FLAC3D有限差分軟件建立模型進行數值模擬。參數取值方面，前期從地面進行了注漿加固實驗，在隧道開挖過程中也進行加固體取芯驗證，表明注漿砂層地質參數明顯改善[19]：密度為2 100 kg/m3，黏聚力為60 kPa，內摩擦角為37°，彈性模量為100 MPa，泊松比為0.26。

3.1 下穿中國銀行李村支行數值模擬計算

中國銀行李村支行為6層底框結構，鋼筋混凝土條形基礎，平面位置在隧道右線上部。此處隧道上半斷面處在粗砂層，下半斷面為中風化花崗巖，隧道覆土厚度為11.3 m。為了研究隧道施工引起地面沉降的變形規律，模擬按每次開挖0.5 m，然后施做初襯，如此反復循環，直至右線開挖至40 m；左線掌子面在右線開挖18 m后開始施工。提取右線開挖至6，12，18，24，30，36 m和40 m位置處計算結果進行分析。

右線為先行隧道，且在建筑物下部，提取右線隧道應力進行分析(圖4、圖5)。可以看出，最大壓應力為4.29 MPa，產生在隧道中部的拱肩；最大拉應力為4.57 MPa，產生在拱頂;掌子面均處于受壓狀態，最大壓應力值為0.18 MPa。說明在加強初期支護的同時，也應保證掌子面的穩定。

圖4 右線隧道最小主應力云圖(單位：Pa)

圖5 右線隧道最大主應力云圖(單位：Pa)

提取各施工階段地表沉降曲線進行分析(圖6～圖8)，在左線隧道未開挖前其地表沉降很小，說明右線隧道開挖對左線地表沉降影響很小。之后隨著右線、左線隧道的同時開挖，地表沉降逐漸增大，差異沉降在建筑物變形控制要求以內。由表3可以看出，隨著開挖距離的持續增大，地表變形將逐漸趨于穩定，沉降值均在12.0 mm以內，滿足既有建筑物總沉降控制值15.0 mm要求。

圖6 地表三維沉降曲線

圖7 右線隧道中心地表沉降曲線

圖8 左隧道中心地表沉降曲線

表3 施工階段地表最大沉降值

3.2 下穿萬隆商廈數值模擬計算

萬隆商廈為7層鋼筋混凝土框架結構，鋼筋混凝土條形基礎，平面尺寸39.6 m×55.6 m，跨越兩條隧道。隧道覆土厚度約為14.8 m，全斷面處在中風化花崗巖中，拱頂上部為富水砂層。模擬按每次開挖0.5 m，直至右線開挖至40 m。相比中國銀行李村支行，隧道所處地層有所改善，右線隧道開挖12 m后便開始施工左線。提取注漿加固后右線隧道開挖至6，12，18，24，30，36 m和40 m位置處計算結果進行分析。

提取先行施工的右線隧道進行應力分析(圖9、圖10)。隧道圍巖最大壓應力值為7.24 MPa，出現在距洞口36 m拱腳處。最大拉應力值為4.5 MPa，出現在隧道拱頂。掌子面始終處于受壓狀態，但壓應力在安全范圍內，拱腳處出現應力集中，達到0.43 MPa，此時應注意上臺階和下臺階襯砌施工的間隔時間。同時需要加強襯砌內力監測，以避免施工風險。

圖9 右線隧道最小主應力云圖(單位：Pa)

圖10 右線隧道最大主應力云圖(單位：Pa)

提取各施工階段地表沉降曲線(圖11～圖13)，可以看出：左線隧道未開挖前其地表沉降很小，說明右線隧道開挖對左線地表沉降影響很小。之后隨著右線、左線隧道的開挖，地表沉降逐漸增大，差異沉降在建筑物變形控制要求以內。由表4可以看出，隧道整個開挖過程地表整體沉降較小，滿足既有建筑物總沉降量控制要求。作為對比，不進行砂層注漿加固，數值模擬的地面沉降最大值為17.90 mm，說明針對富水砂層注漿加固，地表沉降的控制效果很好，可有效保證建筑物安全。

圖11 注漿加固地表三維沉降曲線

圖12 右線隧道中心地表沉降曲線

圖13 左線隧道中心地表沉降曲線

表4 施工階段地表最大沉降值

3.3 數值模擬結論

為了研究砂層加固效果和加固厚度的影響，現對每個施工階段的地面最大沉降值進行統計，并與注漿前模擬計算結果進行對比(圖14)，可以看出：

(1)對富水砂層注漿加固，可提高砂層的c、φ值，對控制建筑物的沉降效果明顯；

(2)隨著隧道范圍內穿越砂層厚度的增加、巖層厚度的減少，地面沉降變形明顯增大，說明地面沉降主要由隧道洞身范圍內砂層開挖引起。應結合周邊環境和地質條件適當加大隧道埋深，減小穿越砂層厚度。

圖14 各施工階段地面最大沉降值對比

4 施工監測

洞內加強初期支護的變形、凈空收斂及掌子面滲水監測[20]；地面加強建筑物的沉降、傾斜監測，由于建筑物處于正常使用狀態，在室內設置自動監測點，根據監測結果及時調整隧道開挖支護參數，確保上部建筑安全。

在施工期間，各測點變化趨勢較穩定，建筑物一直處于正常使用狀態。注漿過程中，地表測點發生不均勻抬升，萬隆商廈最大抬升11.74 mm；臨近掌子面的測點有比較明顯變化，遠離注漿范圍各監測點變化較穩定。在隧道開挖通過期間，地表及建筑物發生較小的沉降，沉降量1～3 mm；建筑物累計變化量以隆起為主，后續對其他建筑物沒有采取地面加固措施，僅加強了監控量測。隧道內拱頂沉降和凈空收斂變化較小，變化量累計最大分別為4.5 mm和1.57 mm。

隧道開挖期間止水效果較好，開挖一段距離后，拱部出現較多滲水點。說明基巖反復的爆破開挖，引起了注漿體開裂。采用φ32 mm，長2 m徑向注漿管(環、縱間距為1.5 m×1.0 m)，進行初支背后注漿，較好解決了滲水問題，同時二次注漿加固圈可減小后期應力重分布引起的地層變形。

5 結論

隧道施工期間，各監測點變形均處于允許范圍內，建筑物一直處于正常使用狀態，說明采取的工法可靠、有效，主要結論如下。

(1)隧道穿越上砂下巖地層，采用礦山法施工，洞內對隧道輪廓外側5 m范圍采用深孔注漿，并加強支護措施，可以滿足建筑物沉降控制要求。

(2)根據隧道施工過程中地表及建筑物變形數據來看，注漿工藝的選擇適合本工程地層特點，而地表隆起值較大反映出注漿參數及工藝有優化的空間。實測地表沉降變形值小于計算分析值，經分析可能存在3個方面的原因：一是加固后的地層參數取值可能偏于保守；二是管棚超前加固措施有效隔離了隧道開挖引起上部土層變形；三是周邊圍巖對管棚以上地層的變形影響。

(3)鑒于此種地層條件下，爆破開挖振動波對加固后地層的土體質量有一定影響，有必要進一步研究、優化開挖工藝。