双线暗挖隧道沿线建筑物墙体开裂分析

刘纪峰,陈福星,张会芝

(1.三明学院 建筑工程学院,福建 三明 365004；2.密歇根州立大学 工程学院，美国 密歇根 48823)



双线暗挖隧道沿线建筑物墙体开裂分析

刘纪峰1,2,陈福星1,张会芝1

(1.三明学院 建筑工程学院,福建 三明 365004；2.密歇根州立大学 工程学院，美国 密歇根 48823)

为探究某近距离双线隧道穿越沿线砖混结构建筑物引起墙体开裂的原因，基于工程实际，选取一幢3层毛石基础砖混结构的典型建筑，对双线暗挖隧道引起的建筑物局部倾斜进行了数值模拟及理论分析，并在隧道施工完成后对建筑物进行了检测鉴定。鉴定结果表明：数值模拟得出的局部倾斜为0.002 13～0.002 33，理论计算得出的局部倾斜为0.002 05～0.002 14，两者均超过规范规定的限制；建筑物墙体最大裂缝宽度为1.23 mm；部分测点的顶点位移值已超出结构侧向位移限值，倾斜方向具有倾向隧道一侧的明显一致性；观测最大日均沉降速率为0.06 mm/d，大于稳定限值0.04 mm/d。近距离双线隧道下穿引起的建筑物局部倾斜和顶点位移超限是造成沿线建筑物沉降开裂的诱因。

双线暗挖隧道；沿线建筑物；墙体开裂；数值模拟分析；理论计算

0 引言

浅埋暗挖法是地下隧道施工的方法之一，该方法自1986年在北京地铁复兴门车站折返线采用以来，取得了很大的经济效益和社会效益，并被总结为“管超前、严注浆、短进尺、强支护、早封闭、勤量测”18字方针[1]。通过18字方针的运用，一些下穿建(构)筑物的暗挖隧道得以顺利施工，并取得了宝贵的工程经验[2-4]。但也应该认识到，暗挖地下隧道不可避免地对围岩产生不同程度的扰动或破坏，造成围岩移动与变形，加上实际施工中存在的诸如暗挖隧道设计标准不明确、施工过程中对地质情况了解不全面、施工方法不当等因素，很容易造成地面沉陷、隧道涌水、周边建(构)筑物损害等工程事故[5-9]。

某铁路隧道下穿城区3～5层的砖混结构建筑物群，建造时间为8～17年，毛石基础，240 mm承重砖墙。隧道为双线隧道，全长为1 586 m，埋深20～32 m，开挖直径为10.4 m，线间距为4.0～4.4 m。该隧道采用“交叉中隔壁工法”(简称CRD，下同)施工，CRD工法分为4步开挖，每步都独立成环，严格遵循隧道施工过程中“早封闭、早成环”的原则。该隧道衬砌采用复合式衬砌，分为初支与二衬两部分衬砌。铁路隧道与建筑物关系见图1，工程地质情况见图2。该区域地下水贫瘠，主要靠地表雨水补给。

图1 双线隧道和建筑物群位置关系

隧道施工初支与二衬部分完成后，沿线一些砖混结构民用建筑物出现不同程度的倾斜、开裂，一度引起沿线居民对施工单位的诉讼。本着对沿线居民负责的态度，隧道施工单位委托第三方对沿线房屋倾斜开裂情况进行了相关监测。本文基于施工情况，结合数值模拟、理论计算和相关规范要求，探讨暗挖隧道施工对沿线建筑物的影响，以期为类似工程提供参考，避免类似事故发生。

1 暗挖隧道对建筑物影响的数值模拟分析

1.1 建模原则与计算模型概述

数值分析采用美国FLAC3D软件，该软件基于有限差分法，是直接针对岩土工程的数值分析软件。FLAC3D提供了适用于岩土特性的本构模型，如摩尔-库伦、剑桥、零模型模拟开挖、应变软化、砌体节理模型以及黏性模型和渗流模型等，以方便考虑岩土材料的可变性、复杂性、非均质、不连续、大变形、大应变、非线性和峰值后的强度特征，对不同介质之间的不连续面可采用交界面模拟等方法。FLAC3D能较好地模拟隧道衬砌、锚杆和其他支护单元，因此，非常适合于隧道开挖等岩土工程问题[10-11]。

FLAC3D预计地表沉降时，将沉降视为力学过程，不仅能够预计地表移动，而且可以给出地层的受力状况，并能考虑各种施工因素的影响。本次数值建模考虑了如下原则：

图2 双线隧道工程地质图

(Ⅰ)采用三维数值模型，考虑隧道开挖的施工过程影响，便于分析由于施工过程引起地表移动的时空效应问题。

(Ⅱ)土层厚度、土层力学参数等按照勘察报告提交的参数进行选取，人工填土弹性模量为2.5 MPa，泊松比为0.34；粉质黏土弹性模量为5.2 MPa，泊松比为0.36；卵石弹性模量为25 MPa，泊松比为0.32，其余参数见图2。

(Ⅲ)考虑CRD动态施工过程的初支与二衬两部分衬砌对围岩的加固作用，衬砌和围岩共同承载。

模型尺寸为80 m×60 m×50 m(长×宽×高)，三维网格模型如图3所示。模型大小足以考虑空间效应、CRD工法开挖、初支和二衬、边界效应等影响。模型共计54 796个单元，59 770个网格点。建筑物结构荷载按每层15 kN/m2估算，按照荷载总质量简化为条形基础下的均布竖向矩形荷载，通过基础梁传递到地基的方式施加。由于地下水贫瘠，计算模型只考虑土体自身质量，模型两侧外边界侧向土压力采用静止土压力作为荷载边界。模型两侧的位移边界条件是约束水平移动，模型底部位移边界为固定边界，模型上边界为自由边界，岩土体的材料模型采用摩尔-库仑准则。隧道的管片为钢筋混凝土初支和二衬，采用弹性本构模型模拟，初支厚度为20 cm，二衬厚度为40 cm，衬砌弹性模型取2.1×104MPa，泊松比为0.2，密度为2 500 kg/m3，单元模型采用壳体实体单元。建筑物的基础采用弹性本构模型模拟。

根据工程经验，暗挖隧道下穿建筑物时引起的沉降值较大，近距离旁穿建筑物时引起的不均匀沉降较大，考虑到砖混结构建筑对差异沉降更为敏感[2,10]，选7#房屋作为数值分析对象，其余暗挖隧道关系及沉降监测点设置如图4所示。该建筑物为3层带有半地下室的砖混结构，采用纵横墙、混凝土柱梁混合承重，主要承重墙为240 mm厚实心砖墙；纵横墙交界处及其受力较大位置设置构造柱，门窗洞口基本对齐布置；采用现浇混凝土楼、屋盖，每层设置圈梁；房屋采用毛石条形基础，设置地圈梁。结构布置基本合理，传力线路明确。

图3 隧道建模及开挖示意图图4 建筑物与隧道关系图

1.2 数值模拟结果

数值模拟计算结果如图5、图6和表1所示。由图5可知：①CRD暗挖近距离双线隧道引起的地层沉降在拱顶处最大，其值为65.0～75.6 mm，在地表的最大沉降量为30～40 mm。②隧道拱底出现隆起，最大隆起值为90～94 mm。③地表沉降符合沉降槽特征，即随监测点距隧道中心距离增加，地表沉降量减小，符合暗挖隧道地表沉降的一般规律。

由图6和表1可知：CRD近距离双线暗挖隧道引起建筑物附近地层的最大变形量为26.7 mm；建筑基础各点的监测沉降值靠近隧道一侧为23.42～25.73 mm；另一侧的沉降值为4.13～4.74 mm；建筑物差异沉降为19.15～20.99 mm。

图5 测点1沉降监测云图(单位：mm)图6 测点1位移矢量图

2 暗挖隧道致地层沉降的理论计算分析

表1 各测点变形 mm

基于隧道开挖地层损失的概念，通过对大量暗挖隧道工程资料及地表沉降数据的分析，假设横断面上地面沉降曲线形状与正态分布曲线相同，地面沉降槽的体积等于隧道施工中产生的地层损失体积，Peck于1969年提出简便易用的预测暗挖隧道地层沉降的Peck公式[2]。国内学者结合工程实测数据对Peck公式进行了相应的修正,其中,文献[12]提出了一个易于工程应用的暗挖隧道地面沉降预测公式：

(1)

式中:s为地表某点的沉降值，m；Vl为隧道损失率，%；D为隧道直径，m；K为沉降槽宽度参数，无黏性土可取0.2～0.3，硬黏土取0.4～0.5，软土取0.7；z0为隧道埋深，m；x为地表某点距离隧道中心线的水平距离，m。双线隧道引起的地表沉降值由单线隧道叠加得到。

取沉降槽宽度参数K=0.3，隧道埋深z0=20 m进行计算。根据文献[11]的工程统计，暗挖隧道损失率Vl=0.22%～6.90%。一般盾构隧道偏小，浅埋暗挖隧道偏大，考虑到卵石层开挖，地层损失较难控制，取Vl=4.0%代入式(1)进行计算。计算结果如图7所示，需要注意的是，由于理论计算难以考虑建筑荷载对隧道沉降的影响以及建筑物-基础-地基的相互作用，式(1)计算的地表最大沉降量较数值模拟分析的值偏小，但两者差别不大。由图7可知：7#建筑物附近地层的最大变形量为26.3 mm;建筑基础各点的监测沉降值靠近隧道一侧为21.73～23.11 mm;另一侧的沉降值为3.75～4.69 mm;建筑物差异沉降为18.42～19.22 mm。

图7 暗挖隧道地表沉降槽

3 隧道二衬完成后房屋开裂和检测结果

隧道施工完成后，沿线砖混结构民用建筑物出现不同程度的倾斜、开裂，居民反应强烈。施工单位委托某建筑工程质量检测中心有限公司，对沿线建筑进行了变形监测及结构损伤技术鉴定。该工作持续时间为3个月，主要对房屋结构进行调查并绘图，检查房屋结构现状和损伤情况，绘制裂缝分布示意图，设置裂缝观测点并对房屋进行倾斜度观测，布置沉降观测点并进行后期沉降观测等。

观测该房屋的部分裂缝示意图如图8所示。倾斜度观测点和沉降观测点设置在图4的2、3位置处，相应的测量结果见表2和表3。经检测鉴定，结合监测成果，由图8、表2和表3可得出如下结论：

(Ⅰ)部分墙体开裂，裂缝主要表现为墙体门窗洞口边裂开、墙面抹灰层的龟裂及部分梁墙交界处裂开；其中，5片墙体纵横墙连接处的通长竖向裂缝已构成结构损伤，检测墙体最大裂缝宽度为1.23 mm，未超出《民用建筑可靠性鉴定标准》[13]的裂缝宽度限制(5 mm)。部分房屋吊顶裂开，木柜与墙、板连接处出现开裂，观测期间裂缝宽度未见明显发展，裂缝数量未见明显增多。

(Ⅱ)局部墙体与地面连接处开裂，一层门前台阶变形开裂、门口罗马柱座变形。观测期间未发现新近产生的隆起、下沉、开裂现象，但之前已经产生的裂缝有继续扩大迹象。

(Ⅲ)倾斜度观测结果表明：该房屋部分测点的顶点位移值已超出《民用建筑可靠性鉴定标准》的结构侧向位移限值，且房屋观测点倾斜方向具有明显的一致性，表明现阶段该房屋朝暗挖隧道一侧整体倾斜。观测期内，各测点倾斜值未见明显发展。

(Ⅳ)观测期间房屋最大累计沉降量为1.6 mm，前期最大日均沉降速率为0.06 mm/d，大于稳定限值(0.04 mm/d)；后期日均沉降速率小于0.04 mm/d，表明在沉降观测期间内的沉降变形已趋于稳定。

图8 建筑裂缝示意图

表2 各测点变形结果

表3 沉降变形监测结果 mm

4 建筑物墙体开裂的原因分析

沿线建筑物建造历史为8～17年，本次模拟的建筑物建造历史为10年，地基土为粉质黏土和卵石，其固结沉降可视为已经完成。

根据《建筑地基基础设计规范》(GB 50007—2011)第5.3.4条规定，砌体承重结构基础的局部倾斜限值为0.002；但是，规范限值是对新建建筑物而言的，对于地基固结沉降已经完成的已建建筑物，其抵抗局部倾斜的能力应该进一步减弱，其局部倾斜限值应该比规范限制更小。

按数值模拟结果，双线隧道开挖引起的结构基础局部倾斜为0.002 13～0.002 33；按理论计算结果，隧道开挖引起的结构基础局部倾斜为0.002 05～0.002 14，两者都超过了规范规定的限值。数值模拟和理论计算都是采用的比较理想的施工状态，实际施工过程中，隧道是否超挖、初支和二衬是否及时施加、初支和二衬是否达到设计厚度等因素都会对地表最终沉降造成较大影响；此外，地质勘查表明地下水贫瘠，在数值模拟和理论计算中都没有考虑地下水的影响，也没有考虑降水入渗可能导致的地表沉降加大等因素，这将使得计算结果较工程实际偏于保守。该工程地处东南沿海，施工期间的6～10月份正是当地降雨量比较多的季节，地表水下渗导致土体质量增加，同时也使得土体性质弱化[14]，这些因素都会造成地表沉降增大。

基于以上分析可知：即便采取偏于保守的计算结果，近距离双线隧道开挖引起的建筑物局部倾斜已经超过了规范限值，对于沉降已经稳定的建筑物而言，其倾斜开裂的风险将非常大，施工中应采取针对性措施保障沿线建筑物安全；施工单位并没有相应的施工过程保护措施，直到沿线建筑物沉降开裂才安排进行结构可靠性检测鉴定，但为时已晚。从现场检测结果看，即便暗挖隧道已完成施工，根据以往经验，在粉质黏土和砂石地层中，暗挖隧道引起的地表沉降在隧道完成施工后已基本完成；即便如此，对该建筑物的监测结果仍表明，监测前期的沉降速率仍大于规定限值，一些测点的顶点位移仍显著偏大。由此可以推知：建筑物在隧道下穿至监测开始期间的沉降和顶点位移都将超过规范规定，沉降和顶点位移超限是造成沿线建筑物沉降开裂的主要原因。

5 结束语

作为暗挖法之一的CRD工法，又名“交叉中隔壁工法”，是近年来地下工程界对浅埋暗挖法不断创新的成果。其核心是“化整为零”，遵循“小分块、短台阶、多循环、快封闭”的施工原则，随挖随撑，自上而下步步为营，分块成环，及时做好初期支护；并待初期支护结构的拱顶沉降和围岩收敛稳定后，拆除初期支护结构中的临时中隔壁墙及临时仰拱，再施做外包防水层，施作二次衬砌结构。该法通常辅以地层注浆或锚、网喷支护，充分发挥围岩与初支体系共同受力，以监控测量结果反馈指导施工，控制隧道拱顶沉降和收敛，保证隧道结构和沿线地面或地层中建(构)筑物的安全。

对暗挖隧道地表沉降统计表明：区间段的地表沉降值多在20～60 mm，采取一定的辅助施工措施，CRD区间隧道引起的地表沉降能控制在30 mm之内，但可能会使得工程造价上升[15]。在目前的招投标体制下，施工单位往往靠低价中标，也存在一些中标后违规转包的现象；实际的施工队伍经验未必丰富，常常在施工过程中精打细算以降低造价，有时甚至不惜牺牲工程质量，也因此导致一些严重的工程事故。本工程为近距离双线隧道，施工单位应该预料到施工可能导致的沿线建筑物沉降开裂等可能的工程事故，但心存侥幸，并没有采取针对性的预防措施，由此引发一场本来可以避免的工程事故，其背后反映的深层次问题，值得地下工程界深思并引以为戒。

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福建省科技计划重点基金项目(2012Y0062);福建省高等学校学科带头人培养计划基金项目(FETU);国家级大学生创新创业训练计划基金项目(201311311007)

刘纪峰(1979-),男,河南沈丘人,副教授,博士,美国密歇根州立大学访问学者,研究方向为城市地下工程.

2014-09-03

1672-6871(2015)03-0059-06

TU94

A