上下重叠地铁盾构隧道施工对邻近建筑物影响及控制措施研究

雷江松

(深圳市地铁集团有限公司,深圳 518026)

城市地铁修建过程中往往需要穿过城市商业区或居民住宅区。然而这些区域因建筑物密集、施工场地狭小、地质情况复杂、地下管网密布、交通繁忙，对施工的控制要求更为严格[1]。地铁作为关乎民生的重点工程，必须在各方各面精心设计、精确施工[2]。

地铁重叠隧道施工过程中由于上下重叠隧道施工力学行为复杂，对周围环境的影响较大[3-6]。其中重叠隧道下穿建筑物时，若不能精准控制盾构掘进过程，将导致建筑物产生较大的变形及沉降，影响建筑物的安全。

孙曦源等以北京地铁下穿砌体结构建筑物为工程案例，提出了地铁下穿建筑物引起建筑为基础沉降的规律[7]。张天明根据深圳地铁2号线2222标盾构机下穿翠海幼儿园及景煜小学的工程实例，对盾构下穿建筑物掘进参数给出了建议[8]。夏元友等对汉口火车站区间盾构隧道与桩基互相接近时的施工力学行为进行数值模拟，分析了盾构隧道施工对群桩及群桩上部地表的影响，对盾构施工控制提出了建议[9]。李进军等采用简化分析方法和位移控制有限元方法，对单隧道工况和多隧道工况下盾构穿越对PHC管桩桩基础的影响进行分析，提出减小盾构隧道对桩基础影响的相关工程设计措施[10]。张顶立等以首次采用大直径(φ10.22 m)土压平衡盾构穿越建筑物的北京地铁14号线为例，研究地表及建筑物沉降规律并提出施工建议对指导地铁施工很有必要[11]。然而，当前对于重叠地铁下穿建筑物的施工研究相对较少，而且相对于地表地层沉降，对建筑物桩基的控制影响研究也较少。

以某重叠隧道下穿某新建建筑物为研究背景，采用三维有限差分法，对注浆加固前和注浆加固后盾构掘进(先下洞后上洞)地表沉降和地层沉降及桩基位移进行分析，并对实际工程中可能碰到的问题给出了施工建议。

1 工程概况

1.1 工程背景

以某区间重叠隧道为背景，下穿某大厦，区间隧道为单线圆形断面隧道，如图1、图2所示。本地铁工程采用钢筋混凝土管片衬砌，管片外径为6 200 mm，内径为5 500 mm，宽度为1 200 mm，厚度为350 mm，混凝土采用C50高强混凝土。该大厦是新建高层建筑，两层地下室，地下室桩基布置预留本区间线路通道；区间隧道与其关系为斜下穿，隧道与地下室基础梁竖向净距2.13 m，与桩基水平净距2 m。隧道基底埋深17～30 m(高程-9.747～-3.169 m)。

图1 区间隧道下穿某既有建筑物横断面(单位：m)

图2 区间隧道下穿某既有建筑物纵剖面(单位：m)

由于地铁区间需从新建高层建筑物下面穿过，属于近接重要建构筑物施工。根据工程经验，地面沉降控制标准如下：盾构掘进时地层损失率应≤1‰；已完成的隧道结构沉降控制标准：附加沉降或隆起量≤5 mm；警戒值≤3 mm。

1.2 地质概况

区间沿线场地地貌主要为第四纪河口相冲海积平原地貌单元。场地地形较为平坦，地面高程5.86～8.04 m(以勘探孔口高程统计)。

按地质成因时代及其工程特征分类，区间场地浅部为厚15～20 m的冲海积砂质粉土及粉砂，中上部为厚度10～12 m的浅海相的高压缩性流塑状淤泥质粉质黏土，中下部为厚度5～10 m的河流相软可塑～硬可塑状灰黄色粉质黏土，再下层为古钱塘江河床相性能较好的粉砂、圆砾，底部为白垩系风化基岩(砂砾岩)。

2 计算模型

2.1 模型建立

FLAC3D采用三维有限差分法，利用动态运动方程求解问题，特别适合在求解非线性问题和大变形问题中使用[12]。

根据上述的地质资料及设计图纸，模型如图3所示。图中x轴为水平横向，y轴为隧道掘进方向，z轴为竖向。模型尺寸充分考虑了边界效应对数值计算的影响，模型左右边界到隧道中心线的距离为40 m，沿隧道轴向取120 m，竖向取47.7 m。模型四周和底面为法向位移约束，上表面自由，不进行约束[13-14]。

图3 数值计算模型

2.2 计算参数

根据地质勘察报告，将土层分为7层，计算中先用弹性方法模拟在初始地应力作用下的土体。表1为各地层基本物理力学参数。表2为管片与注浆层物理力学参数。

表1 土体基本物理力学参数

表2 管片及注浆基本物理力学参数

2.3 盾构掘进模拟

盾构隧道施工主要分为4个阶段(开挖掘进、盾尾注浆、盾尾脱开、固结沉降)。整个过程可以简略地用图4和图5表示。

图4 盾构掘进模拟示意

图5 盾构掘进注浆示意

假定盾构隧道为一步一步跳跃式掘进，每次掘进距离为1环管片的宽度(1.2 m)，土体采用实体单元(solid)进行模拟，管片采用壳单元(shell)模拟。

盾构开挖过程的模拟顺序为：首先进行初始地应力场分析，即在自重作用下完成固结沉降。然后进行初始位移场清零，研究盾构施工的影响。盾构施工过程为开挖隧道轮廓范围内土体，施加掌子面盾构顶推力，进行管片结构支护，注浆。在前一步开挖支护完成后，再进行下一环开挖支护。重叠隧道上下线的施工顺序为先进行下洞隧道施工，待下洞隧道施工完毕后，再进行上洞隧道施工。

2.4 数据提取点的布置

为了反映盾构掘进对下穿建筑物的影响，监测了地下室底板的变形、承台的沉降和桩基的侧移。监测断面定为y=60 m处，即隧道长度一半的位置。监测地下室底板变形时，在底板的顶部，共布置58个数据提取点，监测承台时，选择监测位置为模型z=16.32 m处(承台的顶部)，布置了8个数据提取点。提取桩基位移时，选择提取位置为模型z=-3.067，0，3.067，6.133，9.2，12.267 m处，隧道纵向每排桩的z位置均布置数据提取点。具体布置如图6所示。

图6 监控点布置

3 数值模拟结果分析

图7显示非加固情况下盾构掘进至60 m处时，建筑物地下室底板沉降结果。

图7 未注浆加固条件下盾构掘进(下洞)引起地下室底板沉降三维示意

由图7可以看出，下洞隧道在掘进过程中，由于开挖扰动的影响，可以定性地看出地下室底板产生了较为明显的地层沉降，且左右两侧地表沉降呈对称分布，沉降基本相同。

为定量分析盾构掘进对地下室底板扰动的影响，分别监测了盾构掘进下洞上洞完成后，y=60 m(中间断面)处地下室底板沉降的情况，如图8所示。

图8 未注浆加固条件下盾构掘进引起地下室底板沉降

从图8可以看出，隧道掘进后，地下室底板发生了明显的沉降。沉降曲线呈对称凹形分布。由于区间近接建筑物桩基施工，盾构在掘进过程中一般采用微欠压的掘进模式，因而下洞隧道在掘进过程中地层位变很大，最大沉降达到117 mm。且从沉降槽的分布形态可以看出，在沉降最大的区域，处于不同埋深处地层的沉降值基本相同，这主要是由于隧道上方有桩基承台支承。

从上面的分析可以看出，若不对地层进行注浆加固而直接进行盾构掘进，开挖扰动大，地层变形难以控制，建筑物及施工安全难以保证，因此，考虑采用预留注浆孔对桩基承台中间土体进行加固后再开挖的施工方法。该作业模式下，地下室底板沉降分布如图9所示。图9定量分析了对桩基间地层进行注浆加固后进行盾构掘进对地下室底板扰动的影响，分别监测了盾构掘进下洞上洞完成后，y=60 m(中间断面)处地下室底板沉降的情况。可以看出，注浆加固后地下室底板沉降发生了大幅度降低。由于加固后土体的工程性质得以改善，沉降得到了很好控制。沉降曲线呈对称分布的凹槽形，最大沉降发生在隧道正上方，量值为5.6 mm，远小于沉降监测预警值20 mm，说明注浆加固后进行隧道掘进，开挖扰动对地层沉降的影响较小。因而，从控制地层的角度，采用注浆加固措施进行地层处理后掘进，施工风险可靠，施工安全。

图9 注浆加固条件下盾构掘进引起地下室底板沉降

图10和图11定量分析了注浆加固条件下盾构掘进对承台的影响。承台沉降主要是由于开挖卸荷后地层的沉降。施工后应该严格控制开挖后承台的沉降。

图10为隧道掘进过程中水平相邻承台的差异沉降，由于模型左右对称，可以取一半进行提取，所提取点的位置在模型y=60 m处断面，分别为x=-10，-8，-6，-5，-4，-3，-2，0 m。在隧道未掘进前，承台沉降为0，随着掘进至20 m，承台开始沉降。最开始沉降速率较快，掘进至60 m后，逐渐放缓，最后呈水平趋势。承台水平方向最大差异沉降为掘进至90 m处，约为2.5 mm，未超过临界值[15]。

图10 隧道掘进过程中水平相邻承台差异沉降

图11为隧道掘进过程中纵向相邻承台的差异沉降，分别取y=40 m处和y=60 m处承台进行监控，沉降曲线趋势与之前叙述相同。纵向最大差异沉降约为0.5 mm，符合要求。

图11 隧道掘进过程中纵向相邻承台差异沉降

图12为下洞隧道掘进完毕后监测断面商贸大厦的桩基侧移。

图12 盾构掘进(下洞)引起桩基水平位移

从图12可以看出，下洞隧道掘进后，右侧桩基向隧道内变形。由于隧道施工的部位靠近桩基顶部，所以，靠近桩顶处桩基侧移最大，最大水平侧移达到1.75 mm。隧道洞周附近桩基由于受到盾构掘进挤压的影响，发生向外的膨胀变形，最大变形量为0.25 mm，在变形允许范围内。

图13为盾构掘进(上洞)引起桩基水平位移。

从图13可以看出，上洞隧道施工完成后，桩基侧移有所增大。增大的原因与上洞隧道施工完成后承台沉降增大的原因相同，是桩基比较接近上洞隧道。上侧桩基最大位移为1.75 mm，下侧桩基最大侧移为2.6 mm。从桩基水平位移的量值看，量值较小，小于允许值5 mm，施工安全能够得到保证。

4 结论及建议

本文通过三维有限元分析，针对隧道下穿商贸大厦近接桩基施工建立数值计算模型，对盾构掘进过程进行了模拟。通过分析盾构掘进过程中地下室底板沉降、承台差异沉降、桩基变形等数据，对比了未注浆和注浆加固条件下施工的安全性。得到如下结论。

(1)采用本文所述的加固措施后，满足承台、桩基变形控制指标及地下室底板沉降要求。

(2)从计算结果看，注浆加固后，地层性质得到改善，盾构掘进过程中地层沉降和建筑物变形均在控制标准以内，施工安全能够得到保证。

(3)隧道洞周附近桩基由于受到盾构掘进挤压的影响，发生向外的膨胀变形，其中由于隧道施工接近桩基顶部，因此桩基顶部侧移最大，工程中应该留意桩基的变形。

结合实际工程中遇到问题提出如下建议。

(1)尽量保证盾构机掘进面压力、注浆压力与地层原始地应力相匹配。

(2)确保盾构机在掘进过程中尽量维持土压平衡状态。

(3)严格控制出土方数。

(4)采取必要的压重措施。

(5)上洞隧道掘进时在下洞隧道内设置支撑结构。

(6)尽可能加大注浆加固范围。

(7)采取必要的监控量测手段辅助施工。

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