杭州香積寺路盾構隧道施工對鄰近建筑物影響分析

錢文彪，蔣云剛

（杭州運河辰祥工業遺址綜合保護開發有限公司，浙江 杭州 311122）

1 概述

隨著城市交通建設的飛速發展，許多城市交通線路大部分要穿越建筑密集地段，城市交通向著深廣方向發展，盾構隧道施工近距離穿越既有建筑物施工案例不可避免。盾構隧道施工時引起地層變形，引起鄰近建筑物發生傾斜、不均勻沉降、開裂乃至破壞等，造成重大安全隱患[1-3]，因此，合理評估盾構隧道施工對鄰近建筑物變形和結構的影響至關重要。周健等[4]對武漢地鐵開挖斷面進行研究，利用有限差分軟件FLAC預測隧道開挖對地層及周圍建筑物變形影響，提出地層損失率控制結論；彭學軍等[5]通過優化盾構掘進參數、控制盾構掘進速率和預埋袖閥管等保護措施對長沙地鐵5號線區間內建筑物進行了針對性的保護措施；賈寶宏等[6]利用有限元軟件ANSYS 和現場監測相結合對太原地鐵一、二號線聯絡段盾構施工引起的地表及建筑物沉降進行了分析；劉祥勇等[7]選取基于角變形和水平應變的主應變作為建筑物受盾構施工影響程度的評價指標，通過數值模擬分析了盾構施工對鄰近密集建筑群結構的影響規律。由于隧道—地層—建筑物之間復雜的相互作用關系，數值模擬法可反映工程實際情況，模擬盾構隧道施工過程中對周圍土體以及建筑物所造成的影響，目前研究盾構隧道施工對周邊建筑物影響評價主要通過數值模擬分析來進行[8-9]。

本文以杭州市香積寺路西段盾構隧道段為工程背景，利用三維有限差分軟件FLAC3D 進行數值計算分析，對盾構隧道開挖過程進行了動態模擬，分析了盾構隧道施工對鄰近建筑物的影響，為同類地下工程設計施工提供借鑒和參考。

2 工程概況

2.1 香積寺路隧道總體布置與工程地質條件

根據《杭州市城市總體規劃(2001-2020年）》（2016年修訂），本工程西起教工路，東至德苑路，從余杭塘路（莫干山路—湖墅北路）向東延伸與現狀香積寺路相接，道路性質為城市次干路，全長2.65km。隧道主線始于莫干山路以西，終于大關苑路以東，全長2293m，隧道在莫干山路以西布置一對進出口（雙向四車道規模）；在上塘路以西設置一對平行匝道（進、出口匝道均為單向單車道規模）、上塘路以東設置一對出入口（雙向兩車道規模）。隧道含3段明挖、2段盾構，盾構段總長1170m（圖1）。

圖1 隧道總體布置示意圖

本工程穿越不同時代的地層，根據勘探孔揭露的地層結構、巖性特征、埋藏條件及物理力學性質，結合周邊建筑物詳勘地質資料，盾構隧道土層自上而下分別是①0-1雜填土、①0-2素填土、②1-1粘質粉土、②1-2淤泥質粉質粘土、④1-1粉質粘土、④1-2粉質粘土夾粉土和⑩1-1全風化凝灰巖，具體見圖2。

圖2 工程地質剖面圖

2.2 盾構隧道與臨近建筑物相互位置關系

擬建香積寺路西延工程主要沿余杭塘路、香積寺路敷設，沿線兩側建筑物密集，盾構鄰近施工將對周邊建筑物有一定的影響。根據資料調查、現場踏勘等方法對隧道周邊受影響建筑物進行梳理，盾構隧道南線K0+750處鄰近某小區住宅樓最為典型，該建筑物主要以5～7 層磚混結構為主，沿開挖方向長64m，豎向高21m，根據鄰近同期建筑物推測基礎主要采用沉管灌注樁，其與南線隧道結構間最小凈間距為1.5m，圖3為鄰近某小區住宅樓與盾構隧道之間的平面和橫斷面內的相對關系。

3 數值計算

3.1 計算模型與參數

根據上述最不利工況建立三維分析模型，共67366個單元，70707 個節點，X軸為寬度方向，Y方向為隧道軸線方向，Z軸為深度方向。模型X方向長100m，Y方向長120m，Z方向深40m。模型3個方向尺寸選取的原則是把隧道開挖影響范圍都包含在模型范圍之內。建筑物共7層，層高3m，尺寸詳見圖4。

圖4 三維有限元計算模型

為了提高計算速度，沿橫向距離隧道軸線方向越遠網格越稀疏，同樣沿豎向距離隧道底部越遠網格越稀疏。土體各側面分別設垂直于該側面的水平約束，底面設豎向約束，上表面自由，采用Mohr-Coulomb理想彈塑性模型進行模擬，詳細物理力學參數見表1。基礎為樁基礎，樁類型為沉管灌注樁，采用Pile 單元進行模擬，樁頂與建筑物底面固結在一起。建筑物與樁基參數見表2。

表1 隧道通過土層土力學性質表

表2 建筑物與沉管灌注樁參數表

3.2 加固措施

為了綜合分析不同加固措施下盾構施工對臨近建筑物的影響，本報告對三種不同工況進行了數值模擬分析，分別是：

（1）不加固：盾構正常施工，不采取加固措施；

（2）洞內加固：施工前采取洞內加固措施，通過預注漿在隧道周邊形成一圈3m的加固圈；

（3）洞內加固+洞外加固：施工前通過預注漿在隧道周邊形成一圈3m 的加固圈和在建筑物進行袖閥管預加固，如圖5所示。

圖5 不同加固措施示意圖

4 數值計算分析

4.1 隧道施工引起的變形場分析

根據以上材料參數，分別建立土體自重下的初始應力場，以及加入磚混建筑物后的初始應力場，之后依次開挖盾構隧道南線和北線，計算盾構施工對臨近鄰近某小區的影響。圖6～圖7為上述三種不同工況下的Z向位移和X向位移。

圖6 三種工況下Z向位移

圖7 三種工況下X向位移

結果表明，Z向位移均隨著盾構施工逐步增加，地表最大變形點從開始的盾構軸線的正上方轉移至建筑物下方。這是因為盾構直徑較大，且建筑物與盾構距離僅為1.5m，建筑物處于盾構施工的主要影響范圍內，在建筑自重與開挖卸荷的共同作用下，建筑物的沉降很可能超過隧道中軸線上方的地表沉降。此外，建筑物本身出現了一定程度的不均勻沉降。

X向位移主要發生在隧道兩側，由于建筑物下方樁基大于隧道埋深，在隧道施工過程中起到了較強的抗傾斜作用，故盾構施工對建筑物的側向位移的影響較小。因此，在隧道穿越鄰近某小區時，應以沉降控制為主，側向傾斜控制為輔，并在施工過程中應及時進行監測，防止事故的發生。

從三種工況下盾構隧道施工引起的地層豎向沉降和側向位移來看，洞內注漿加固和洞外袖閥管加固能有效地降低地層變形，且加固措施越多，效果越明顯。因此，對于盾構隧道施工通過鄰近建筑的加固措施，推薦采用洞內預注漿加固和洞外袖閥管加固相結合的方式。

4.2 建筑物變形分析

計算過程中，分別對三種不同工況下建筑物的變形進行了監測，這里取建筑物變形云圖中X或Z位移最大處的四個測點（P1～P4）來分析，測點位置如圖8 所示，計算結果見表3。

表3 各工況下建筑物變形統計表

圖8 建筑物監測點布置

由以上結果可以看出，由于隧道開挖卸荷引起周邊土體損失，建筑物的沉降量及側向傾斜逐漸增大，兩線盾構掘進完成之后，不采取任何加固措施時，建筑物的最大沉降量將達到36.08mm，沿開挖方向最大差異沉降為18.08mm，沿豎向最大側向位移為2.698mm，考慮到建筑物沿開挖方向長64m，豎向高21m，房屋的最大傾斜率為0.28‰，小于4‰的控制標注，但最大沉降量超出了《建（構）筑物托換技術規程》（CEC 295-2011）相關控制標準要求的30mm閾值；采用洞內預注漿加固時，建筑物的最大沉降量將達到23.86mm，沿開挖方向最大差異沉降為10.34mm，沿豎向最大側向位移為0.791mm，房屋的最大傾斜率為0.16‰，房屋傾斜率和沉降值未超過房屋沉降控制值；采用洞內加固與洞外加固相結合的措施時，建筑物的最大沉降量將達到14.72mm，沿開挖方向最大差異沉降為6.01mm，沿豎向最大側向位移為0.296mm，房屋的最大傾斜率為0.09‰，房屋傾斜率和沉降值未超過房屋沉降控制值。實際施工過程中，采用地層預加固+洞內長管注漿+洞外袖閥管跟蹤加固+嚴格施工控制，盾構掘進完成后建筑物最大沉降為14.12mm，小于建筑物的沉降控制值，建筑物最大傾斜率為0.09‰，小于建筑物的傾斜控制值，與數值計算結果基本一致。

5 結論

針對香積寺路西延工程盾構隧道通過鄰近某小區住宅的情況，通過連續介質有限元整體模型數值分析得出如下結論：①隨著盾構隧道南線和北線依次開挖，地層Z向位移均隨著盾構施工逐步增加，地表最大變形點從開始的盾構軸線的正上方轉移至建筑物下方，可造成建筑物本身出現一定程度的不均勻沉降；②隨著盾構隧道南線和北線依次開挖，地層X向位移主要發生在隧道兩側，由于建筑物下方樁基大于隧道埋深，在隧道施工過程中起到了較強的抗傾斜作用，故盾構施工對建筑物的側向位移的影響較小；③隧道開挖卸荷引起周邊土體損失，建筑物的沉降量及側向傾斜逐漸增大，兩線盾構掘進完成之后，不采取任何加固措施時，建筑物的最大沉降量將達到36.08mm，超出了規范要求的30mm的控制值；④三種工況下盾構隧道施工引起的地層豎向沉降和側向位移來看，洞內注漿加固和洞外袖閥管加固能有效地降低地層變形；⑤對于盾構隧道施工通過鄰近建筑的加固措施，從經濟的角度推薦使用洞內加固措施通過該建筑物，并在施工過程中應及時對房屋進行監測、檢測，防止事故的發生，從安全的角度，推薦采用洞內預注漿加固和洞外袖閥管加固相結合的方式通過建筑物。

整體而言，根據《建筑地基基礎設計規范》GB5007-2011 中表5.3.4 和《建（構）筑物托換技術規程》（CEC 295-2011）的相關要求，采用地層預加固+洞內長管注漿+袖閥管跟蹤加固+嚴格施工控制，盾構掘進完成后建筑物最大沉降為14.12mm，小于建筑物的沉降控制值，建筑物最大傾斜率為0.09‰，小于建筑物的傾斜控制值。因此，采用此加固措施進行盾構隧道施工可確保工程沿線建筑物的安全。