地鐵盾構(gòu)中隧道下穿建筑物的施工技術(shù)

孫坤

中國(guó)水利水電第七工程局有限公司 610081

摘要：隨著城市化進(jìn)程的推進(jìn)，地鐵將是人們出行不可或缺的工具，在市區(qū)進(jìn)行盾構(gòu)隧道掘進(jìn)施工，不可避免的要穿越既有建筑物，如何在不影響現(xiàn)有建筑物正常使用的情況下順利的進(jìn)行施工是不可回避的問題，如何控制地面變形沉降也將是控制建筑物變形的關(guān)鍵技術(shù)。文中結(jié)合某地鐵工程盾構(gòu)下穿某區(qū)為例，通過數(shù)值模擬和試驗(yàn)重點(diǎn)研究地鐵盾構(gòu)隧道穿越某區(qū)可能導(dǎo)致的各類風(fēng)險(xiǎn)源和可能引起的地面沉降，對(duì)盾構(gòu)隧道穿越建筑物的風(fēng)險(xiǎn)和地面沉降變形控制技術(shù)進(jìn)行分析，將地面變形控制在允許范圍內(nèi)以保證建筑物的正常使用。同時(shí)總結(jié)本次施工經(jīng)驗(yàn)，希望對(duì)相同施工方法的盾構(gòu)隧道起到一定的借鑒作用。

關(guān)鍵詞：地鐵盾構(gòu)隧道；下穿隧道；沉降

近年來，隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的加快，我國(guó)的大中城市越來越多，各城市都在竭力打造立體的現(xiàn)代化交通體系，城區(qū)范圍內(nèi)地鐵隧道成為重要的選擇并呈蓬勃發(fā)展之勢(shì)。然而，城區(qū)范圍內(nèi)地下各類管網(wǎng)密布、地面沿線商業(yè)發(fā)達(dá)，多為建筑物密集的繁華地區(qū)，人流量大、交通繁忙，區(qū)間隧道施工環(huán)境十分復(fù)雜，常常面臨近距離穿越既有隧道和管線、鐵路站線、建筑物基礎(chǔ)和橋墩基礎(chǔ)等不利情況。經(jīng)過長(zhǎng)期的工程實(shí)踐和研究探索，我國(guó)在使用盾構(gòu)法施工地鐵隧道方面已經(jīng)積累了相當(dāng)豐富的經(jīng)驗(yàn)，有較為完備的盾構(gòu)隧道施工理論。本次盾構(gòu)施工下穿某區(qū)，區(qū)內(nèi)多為老舊磚混房屋，盾構(gòu)施工將會(huì)對(duì)區(qū)內(nèi)建筑物產(chǎn)生較大的影響，如何能在確保建筑物正常使用的情況下保證盾構(gòu)施工的順利進(jìn)行將是本文研究的關(guān)鍵問題。

1、工程概況

某地鐵工程某區(qū)間左線總長(zhǎng)1，073.934m，右線總長(zhǎng) 1，084.8m，區(qū)間從北向南敷設(shè)，下穿某小區(qū)，采用盾構(gòu)法施工，區(qū)間結(jié)構(gòu)覆土厚度12～20m。穿越樓房共 9 棟，全部為居民區(qū)，另外還有平房，磚墻，條形基礎(chǔ)，既有裂縫多，破損嚴(yán)重，外表脫落嚴(yán)重。覆土從上至下依次為：雜填土、粉質(zhì)粘土、粉細(xì)砂、粉質(zhì)粘土。隧道拱頂位置均為粉細(xì)砂層。隧道穿越范圍為：粉細(xì)砂、粉質(zhì)粘土層。

圖 1 區(qū)間下穿樓房斷面圖

2、盾構(gòu)下穿樓房數(shù)值模擬

采用數(shù)值計(jì)算軟件進(jìn)行數(shù)值模擬分析，并考慮圍巖與結(jié)構(gòu)的共同作用以及左右盾構(gòu)區(qū)間分開施工的影響。計(jì)算模型左右水平計(jì)算范圍均取區(qū)間跨度的 3 倍洞徑，垂直計(jì)算范圍向上取至自由地表，向下取區(qū)間跨度的三倍。其中圍巖計(jì)算采用摩爾-庫倫模型，考慮圍巖的非線性變形，而盾構(gòu)管片的受力認(rèn)為在彈性范圍內(nèi)。區(qū)間主體采用全斷面開挖，開挖完成后施做管片，先開挖左側(cè)區(qū)間，之后在開挖右側(cè)隧道。開挖共分五步進(jìn)行，分別是初始應(yīng)力平衡計(jì)算、左側(cè)隧道開挖、左側(cè)管片施做、右側(cè)隧道開挖、右側(cè)隧道施做。

計(jì)算分析如下

2.1計(jì)算模型如下圖 2 所示

圖 2 盾構(gòu)下穿樓房計(jì)算模型

2.2計(jì)算結(jié)構(gòu)及分析

經(jīng)計(jì)算，右部盾構(gòu)開挖完成后拱頂上方地表最大沉降7.79m m，左部盾構(gòu)開挖完成后拱頂上方地表最大沉降11.37mm。根據(jù)評(píng)估報(bào)告，不滿足沉降控制范圍，需要采取附加措施。要求對(duì)下穿建筑物采取了在隧道內(nèi)深孔注漿加固措施。

圖 3 盾構(gòu)開挖并支護(hù)完成后豎向位移云圖

3、隧道近距穿越建筑物誘發(fā)地層變形空間效應(yīng)

3.1不考慮建筑荷載時(shí)數(shù)值模擬結(jié)果分析

為評(píng)估建筑物對(duì)隧道開挖引起地表附加沉降的影響程度，將該隧道穿越工程分別按不考慮建筑荷載和考慮荷載情形進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。以便將無附加荷載時(shí)區(qū)間隧道沉降與以往實(shí)測(cè)值等進(jìn)行比較，以確保數(shù)值模擬真實(shí)地反映隧道開挖過程對(duì)該建筑物的影響。不考慮建筑物附加荷載時(shí)，沿隧道軸向及其邊緣處地表縱向沉降曲線如圖4；隧道橫向沉降曲線及地表水平位移的空間分布曲線如圖5所示。圖4和圖5表明：對(duì)于盾構(gòu)隧道施工，即使確保盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)與前方水土壓力相平衡，隧道開挖誘發(fā)地層變形的沉降槽依然存在，且呈現(xiàn)明顯的空間效應(yīng)；沿隧道軸線方向的地表縱向沉降曲線，最大沉降值穩(wěn)定值為14.8mm（圖5中線），而隧道邊沿位置地表沉降為12.7mm；盾構(gòu)推進(jìn)前方，無地表隆起。由圖5可見隧道后方離開挖面不同距離橫向沉降槽的空間分布特性：開挖面位置和盾構(gòu)尾部隧道軸線上方地表沉降分別為3m和8.8mm，離開挖面20m和30m 處隧道軸線上方地表沉降分別為14.1mm和14.6 mm。由圖4、5對(duì)比可知，沿隧道軸線方向，離盾構(gòu)開挖面達(dá)到30m時(shí)，地表沉降已基本趨于穩(wěn)定。

圖4不考慮建筑附加荷載時(shí)地表沿隧道軸向沉降曲線

隧道軸線 隧道邊緣處

圖5不考慮建筑物附加荷載時(shí)隧道橫向沉降曲線

開挖面 盾尾 離開挖面 20m ④離開挖面 30m

3.2基礎(chǔ)允許沉降分析

數(shù)值分析表明，考慮建筑荷載時(shí)，當(dāng)離開開挖面30m處時(shí)沉降已經(jīng)基本穩(wěn)定，地表沉降值17mm，在此橫剖面上，緊鄰隧道中心線的相鄰兩排柱基礎(chǔ)（中心距 7.8m）沉降差最大值為：D 1=（16.2-7.0）mm= 9.2mm。沿隧道軸線縱向剖面方向上，兩排柱基礎(chǔ)（中心距7m），自開挖面到離開