暗挖地鐵隧道下穿既有建筑物沉降變化規(guī)律研究

劉會林 王東星

（1.西安科技大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，710054，西安；2.中鐵十六局集團(tuán)地鐵工程有限公司，100018，北京∥第一作者，高級工程師）

歷經(jīng)業(yè)內(nèi)多年的工程實(shí)踐與相關(guān)研究，淺埋暗挖地鐵隧道地表變形規(guī)律的研究已日益完善［2-4］，但當(dāng)淺埋暗挖隧道下穿既有建筑物時，因施工工藝復(fù)雜，未知風(fēng)險高和影響因素多，故有必要對暗挖地鐵隧道下穿既有建筑物進(jìn)行研究［5-7］。本文以西安地鐵4號線某暗挖區(qū)間隧道下穿既有建筑物為依托，采用數(shù)值模與現(xiàn)場監(jiān)測相結(jié)合的方法開展研究，研究結(jié)論可為類似工程提供參考。

1 工程概況

西安地鐵4號線某暗挖區(qū)間隧道左線正穿既有建筑物，右線旁穿既有建筑物。左、右線隧道中軸線距離為25 m，左線下穿建筑物的起訖點(diǎn)為ZDK10+700—ZDK10+730。建筑物是一棟5層磚混結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)為條形基礎(chǔ)，埋深為2 m，暗挖隧道拱頂距離地面16.5 m。由于現(xiàn)場的特殊性，僅在隧道內(nèi)進(jìn)行注漿加固，對建筑物基礎(chǔ)不采取加固措施。建筑物與暗挖隧道位置關(guān)系如圖1所示，暗挖隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)形式如圖2所示。該暗挖區(qū)間隧道斷面尺寸為9.58 m×9.50 m，拱頂150°范圍內(nèi)布設(shè)雙排φ 42 mm×3.5 mm超前注漿小導(dǎo)管，對拱頂土體進(jìn)行預(yù)加固，環(huán)向間距為350 mm，外插角度為15°。

圖1 地鐵隧道與地面建筑物位置剖面圖

圖2 地鐵隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)斷面圖

圖3 3種工況下的地鐵隧道下穿建筑物數(shù)值計(jì)算模型

表1 區(qū)間土層材料物理力學(xué)參數(shù)

圖4 建筑物沉降平面監(jiān)測點(diǎn)布置圖

2 模擬分析

2.1 計(jì)算工況

影響暗挖區(qū)間隧道下穿既有建筑物變形規(guī)律的因素較多，主要包括地質(zhì)條件、開挖斷面尺寸、地下水、隧道埋深、施工方法，以及房屋基礎(chǔ)形式、基礎(chǔ)上部荷載大小等。在其他影響因素相同的條件下，選取以下3種不同工況，利用FLAC有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬：

（1）工況1：上下臺階預(yù)留核心土法；

（2）工況2：CD法（中隔墻法）施工；

（3）工況3：CRD法（交叉中隔法）施工。

2.2 模型建立及計(jì)算參數(shù)選取

結(jié)合地鐵隧道開挖影響范圍并參考地區(qū)經(jīng)驗(yàn)，取隧道左右邊界距離均為5倍隧道洞徑，隧道底部距離取為3倍的隧道洞徑，模型尺寸為：長×寬×高=100.00 m×50.00 m×56.45 m，隧道埋深16.5 m，坐標(biāo)原點(diǎn)位于模型左下角。3種工況下的三維計(jì)算模型如圖3所示。

區(qū)間隧道拱頂150°范圍采用小導(dǎo)管注漿形成注漿加固圈，其厚度根據(jù)文獻(xiàn)［8］的研究成果進(jìn)行確定，數(shù)值模擬時用實(shí)體單元進(jìn)行模擬。巖土體采用摩爾-庫侖模型，相關(guān)計(jì)算參數(shù)如表1所示。

2.3 監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)

根據(jù)工程監(jiān)測等級、影響分區(qū)，并結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，布置平面監(jiān)測點(diǎn)，如圖4所示。

2.4 計(jì)算結(jié)果分析

為避免產(chǎn)生群洞效應(yīng)，首先對正穿既有建筑物的左線隧道進(jìn)行開挖，待左線隧道開挖穩(wěn)定后再進(jìn)行右線隧道開挖。隧道開挖完成后對模擬結(jié)果進(jìn)行分析，并對比3種不同工況下地表及建筑物變形規(guī)律。

3種工況下，I-I監(jiān)測斷面地表最終沉降曲線如圖5所示。由圖5可知，3種工況下的最大地表沉降值分別為33.16 mm、28.31 mm和23.63 mm，說明CRD工法在隧道開挖支護(hù)后得到的地表沉降值最小，能夠較好地控制地表變形。3種工況下的地表沉降均由“V”形變?yōu)椤癢”形，并且地表沉降最大值都出現(xiàn)在左線隧道拱頂?shù)恼戏轿恢谩?/p>

圖5 I-I監(jiān)測斷面地表最終沉降曲線

圖6 II-II監(jiān)測斷面地表沉降曲線圖

圖7 工況1建筑物沉降變形曲線

圖8 工況2建筑物沉降變形曲線

圖6 是II-II監(jiān)測斷面地表沉降曲線圖。由圖6可知，當(dāng)左線和右線隧道開挖完成后，工況1，從左線開挖穩(wěn)定后的沉降25.90 mm增加到右線開挖穩(wěn)定后的27.20 mm；工況2，從左線開挖穩(wěn)定后的沉降24.00 mm增加到右線開挖穩(wěn)定后的25.20 mm；工況3，從左線開挖穩(wěn)定后的沉降17.00 mm增加到右線開挖穩(wěn)定后的19.30 mm。3種工況下的地表沉降分別增加了1.30 mm、1.20 mm和2.30 mm。

隧道開挖后，基底產(chǎn)生不均勻沉降從而導(dǎo)致建筑物基礎(chǔ)沉降，這對主要影響區(qū)的磚混結(jié)構(gòu)建筑物產(chǎn)生直接損害，并最終導(dǎo)致建筑物的差異沉降。對左線和右線隧道整個開挖過程進(jìn)行監(jiān)測，開挖完成后J1—J8監(jiān)測點(diǎn)的沉降歷時變化曲線如圖7～9所示。

由圖7～9可知，3種工況下建筑物變形趨勢基本一致。監(jiān)測點(diǎn)J1、J6、J7和J8在右線隧道開挖完成后表現(xiàn)為基本平穩(wěn)狀態(tài)；監(jiān)測點(diǎn)J2、J3、J4和J5在右線隧道開挖后表現(xiàn)為先降低再平穩(wěn)的狀態(tài)。這主要是因?yàn)榻ㄖ锉O(jiān)測點(diǎn)與右線隧道的遠(yuǎn)近距離有關(guān)，建筑物監(jiān)測點(diǎn)距右線隧道越近產(chǎn)生的沉降值越大。左線開挖完成后，3種工況下的建筑物監(jiān)測點(diǎn)J3的最大沉降值分別為29.58 mm、26.15 mm和21.16 mm，比同一斷面位置處的J8測點(diǎn)分別大4.10 mm、3.50 mm和2.68 mm，3種工況下產(chǎn)生的最大差異沉降分別為4.10 mm、3.50 mm和2.68 mm。當(dāng)左線隧道正穿既有建筑物時，對建筑物豎向沉降影響較大且表現(xiàn)為均勻沉降，當(dāng)右線隧道開挖完成并旁穿既有建筑物后，產(chǎn)生的差異沉降值增大。CRD工法在控制建筑物沉降變形及差異沉降方面，效果較為理想，這與CRD工法的支護(hù)強(qiáng)度、施工方法有直接的關(guān)系。但在開挖過程中，建筑物監(jiān)測點(diǎn)J3和J4沉降值超過了允許變形值20.00 mm。為保證建筑物的安全，建議采用CRD工法并輔以合理的保護(hù)措施進(jìn)行施工。

圖9 工況3建筑物沉降變形曲線

圖10 I-I監(jiān)測斷面地表沉降曲線

圖11 II-II監(jiān)測斷面地表沉降曲線

3 下穿既有建筑物保護(hù)措施及現(xiàn)場監(jiān)測

3.1 下穿既有建筑物保護(hù)控制措施

為保證暗挖地鐵隧道下穿既有建筑物安全，在進(jìn)行施工時主要從以下2個方面采取保護(hù)措施。

（1）施工措施：隧道開挖采用CRD工法進(jìn)行施工，施工前對前方地層進(jìn)行注漿加固；在穿越建筑物區(qū)段，隧道拱頂150°范圍內(nèi)采用φ108 mm大管棚進(jìn)行加固，環(huán)向間距為350 mm，管棚設(shè)計(jì)長度為50 m。暗挖作業(yè)時應(yīng)嚴(yán)格遵循“管超前、嚴(yán)注漿、短開挖、強(qiáng)支護(hù)、快封閉、勤量測”方針，從而降低對周邊環(huán)境的影響。

（2）現(xiàn)場實(shí)時監(jiān)測。對建筑物及其周邊進(jìn)行動態(tài)巡查和實(shí)時監(jiān)測，隨時掌握建筑物的變化情況；若發(fā)現(xiàn)異常情況，掌子面立即停止開挖作業(yè)，及時掛網(wǎng)并噴射混凝土進(jìn)行掌子面封閉，待查明原因后，方可進(jìn)行下一步的開挖作業(yè)，從而保證建筑物的安全。

3.2 現(xiàn)場監(jiān)測

下穿既有建筑物隧道開挖后的地表變形曲線如圖10～11所示。從圖10可以看出，隨著左線隧道的開挖完成，I-I監(jiān)測斷面地表沉降量于12月27日趨于穩(wěn)定，且最大地表沉降變形為14.40 mm，最大值出現(xiàn)在左線隧道中軸線位置處。12月27日后，當(dāng)左線隧道開挖支護(hù)完成穩(wěn)定后進(jìn)行右線隧道開挖，地表沉降曲線從“V”變成形狀“W”，地表沉降量從18.10 mm增加到24.90 mm，累計(jì)增加約27.3%；與數(shù)值模擬沉降值23.63 mm進(jìn)行對比，差異僅為1.27 mm。

由圖11可知，II-II監(jiān)測斷面由于右線隧道的開挖造成右線隧道上方地表形成新的沉降槽，并誘發(fā)地表最大沉降17.70 mm，說明管棚注漿加固措施起到了保護(hù)建筑物的作用；右線地表最大沉降值為15.06 mm，且在右線隧道正中心位置上方。由于右線隧道的開挖對左線隧道產(chǎn)生一定的影響，左線隧道地表沉降值得到一定增加，但增加量不到6.00 mm；由于實(shí)際施工過程中有大管棚加固的作用，而數(shù)值模擬過程中未考慮大管棚加固，導(dǎo)致模擬值19.30 mm比實(shí)際值15.06 mm大4.24 mm，這進(jìn)一步說明大管棚注漿施工對建筑物起到了較好的保護(hù)作用。

隧道開挖過程中，對建筑物關(guān)鍵監(jiān)測點(diǎn)J3、J8進(jìn)行監(jiān)測，變形曲線如圖12所示。由圖12可知，建筑物的沉降曲線主要分為Ⅰ—Ⅵ階段，即：超前影響階段、掌子面開挖影響階段、滯后影響階段、右線開挖影響階段、滯后影響階段、長期穩(wěn)定階段。測點(diǎn)J3、J8在開挖后160 d時變形還基本保持穩(wěn)定，此后沉降增大，最終沉降分別為16.50 mm和17.90 mm，兩測點(diǎn)的差異沉降為1.40 mm，差異沉降較小，滿足建筑使用要求。J3監(jiān)測點(diǎn)是采用CRD工法進(jìn)行數(shù)值模擬產(chǎn)生沉降最大值的監(jiān)測點(diǎn)。該點(diǎn)產(chǎn)生的沉降值是21.16 mm，比實(shí)際監(jiān)測最大值17.90 mm大3.26 mm，誤差為18.2%。這主要是由于大管棚加固起到的保護(hù)作用，使施工誘發(fā)的建筑物監(jiān)測點(diǎn)沉降值均小于控制值20.00 mm。在施工過程中，未發(fā)現(xiàn)建筑物出現(xiàn)明顯裂縫或不滿足建筑結(jié)構(gòu)使用要求的現(xiàn)象發(fā)生，這說明本文提出的保護(hù)措施合理可行。

圖12 建筑物沉降變形曲線

4 結(jié)論

（1）暗挖地鐵隧道下穿既有建筑物時，CRD工法在控制地表及建筑物變形方面效果最佳，CD工法次之，上下臺階預(yù)留核心土法產(chǎn)生的變形最大。

（2）數(shù)值模擬表明，隧道正穿既有建筑物施工對建筑物豎向沉降影響較大，對差異沉降影響較小，而旁穿時引起的差異沉降較大。

（3）現(xiàn)場監(jiān)測表明，暗挖隧道地層采取保護(hù)措施后，利用CRD工法進(jìn)行施工，引起的地表及建筑物沉降均在可控范圍內(nèi)，可保證建筑物的安全。