盾構隧道下穿建筑物計算分析及對策

羅文靜

（廣州地鐵設計研究院股份有限公司 廣州510010）

0 引言

隨著國家城市化進程的加快，城市人口出現了較大幅度的增長，原有的城市道路承載能力也越來越難以滿足人們日漸增多的出行需求。因此，作為公共交通重要的一環(huán)，城市軌道交通迎來了跨越式發(fā)展。但是，在解決市民出行需求的同時，地鐵到達的區(qū)域往往處于城市的繁華區(qū)，建筑物，管線密集。既有的建筑物難以為新做的軌道交通讓步，因此，地鐵建設行業(yè)也出現了越來越多的下穿，側穿建筑物的現象。然而，隧道開挖會對周邊土體產生擾動，引起地層變形，造成地表建筑物的不均勻沉降、水平位移和傾斜，嚴重時影響到建筑物的安全，造成巨大的經濟損失［1，2］，故分析地鐵建設過程對周邊建筑物的影響并對建筑物的安全穩(wěn)定性作出評估成了迫切需要研究的問題。目前盾構施工對周圍環(huán)境影響的研究主要集中在盾構掘進對周圍土層的擾動分析、新建隧道與高層建筑間距變化對其基礎沉降的影響研究以及盾構施工引起的地表沉降分析［3～5］，或者側穿建筑物的影響分析，且多采用數值計算的方法［6～8］，下穿建筑物的影響分析研究較少。

為研究盾構隧道下穿建筑物工況，本文以南昌地區(qū)某盾構區(qū)間下穿建筑物工況為案例，利用MIDAS GTS軟件，進行模擬分析，結合現場實際監(jiān)測數據及既有工程經驗，就坑底加固措施為隧道下穿建筑物工程降低風險的有效性進行了深入分析，以期對以后相關工程的設計施工提供有意義的參考。

1 工程概況

該區(qū)間隧道臨近副樓為12層框架結構，基礎為單柱單樁的人工挖孔樁基礎，樁徑0.9～1.8 m，樁端擴大頭直徑0.9～2.8 m，樁長約8.5 m，持力層為礫砂層。根據地鐵線路規(guī)劃，兩條區(qū)間隧道將于該建筑物下方穿過，距離建筑物樁基礎底部凈距約為4.2～4.9 m（見圖1）。區(qū)間隧道為左右分建的兩條單線隧道，線間距為12.5 m，采用盾構法進行施工，隧道頂部覆土約為14.1 m，位于全斷面礫砂層，頂部土層主要為素填土，粉質粘土，中砂，粗砂及礫砂，穩(wěn)定水位位于地下5 m。土層參數詳如表1所示。

盾構隧道在砂層中下穿建筑物，施工風險較大，盾構開挖無法避免的土體擾動將可能對上方建筑物造成較大的影響，盾構穿越難以保證上方建筑物的安全。故根據現場情況及施工經驗，本段區(qū)域采用雙液靜壓注漿的方式對建筑物范圍內盾構上方8 m，下方1 m，左右側各3 m的區(qū)域進行注漿加固，注漿材料主要采用水泥-水玻璃雙液漿，以降低盾構掘進過程中對上方建筑物的影響，保證上方建筑物的安全。

圖1 建筑物與隧道關系平面及剖面Fig.1 Plane and Profile of the Relation between Buildings and Tunnels

表1 土層參數Tab.1 Soil Parameter

2 數值模擬

本文采用MIDAS GTS有限元軟件針對此工程進行數值分析，MIDAS GTS軟件作為巖土方向的專業(yè)軟件，有著計算速度快，提供的本構模型及后處理操作多樣的優(yōu)點。

2.1 模型尺寸及模型參數

根據其圍巖性質和設計需要選取合理的區(qū)域及尺寸，同時采用如表1所示的圍巖物理力學參數建立模型。加固水泥土的強度要求為大于0.8 MPa，根據工程經驗，計算中取加固體重度為20 kN/m3、彈性模量為200 MPa。建模時，計算模型中土體采用摩爾-庫倫本構模型，結構采用彈性本構模型。土體采用三維實體單位，樓層板采用二維板單元，管片采用殼單元，柱子及樁基采用一維線單元。模擬地面為自由面，土體周邊采用法向變形約束條件，底部采用全約束條件，初始應力場只考慮土體自重應力場，不考慮地層的構造應力（見圖2）。

圖2 計算模型示意圖Fig.2 Schematic Diagram of Computational Model

2.2 主要模擬工況

根據相關施工參數及現場資料，為提高分析精度，特對建筑物進行三維計算。同時，設計以下2種施工工況進行建模分析，如表2所示。

表2 施工工況Tab.2 Construction Work

3 結果分析

為了更接近實際結果，本文針對加固后的土體參數，進行了適當剛度折減，以模擬施工過程中可能出現的加固效果打折現象。根據附近盾構工程在相同土層施工的參數經驗積累，將下穿段土層損失率控制在3‰以內。工況1計算結果如圖3、圖4所示，工況2計算結果如圖5、圖6所示。

圖3 工況1開完后地面累計沉降云圖Fig.3 Cumulative Ground Settlement Cloud Map after Excavation （Condition 1）

圖4 工況1柱間最大沉降差Fig.4 Maximum Settlement Difference between Columns（Condition 1）

圖5 工況1開完后地面累計沉降云圖Fig.5 Cumulative Ground Settlement Cloud Map after Excavation（Condition 2）

圖6 工況1柱間最大沉降差Fig.6 Maximum Settlement Difference between Columns（Condition 2）

根據工況1計算結果（見表3），建筑物在經歷了左右線兩次穿越之后，建筑物沉降最終值為42 mm，其基礎沉降差也達到了23.4 mm，導致其柱間傾斜率達到了3.16‰，建筑物結構受到了盾構下穿過程非常大的影響，導致受影響后的建筑物變形不滿足規(guī)范［9］和設計要求，建筑物處于一個非常危險的狀態(tài)。因此，對建筑物進行掘進前加固，以降低盾構通過過程中產生的土體擾動對其的不利影響，非常必要。

表3 三維計算工況結果統(tǒng)計Tab.3 Statistical of Three-dimensional Calculation Results

根據此情況，采用建筑物下方注漿加固措施進行處理，建筑物下方注漿加固有三大作用，其一為增加了建筑物下方土體的強度，增加其抵抗變形的能力；其二為增加了建筑物下方土體的均一性，保證土體在盾構推進的過程中能夠體現出近似均質土體的性質，均等變形；其三為對土體中可能存在的空洞或者不密實進行填充。

建筑物在掘進前進行了加固之后，如工況2所示，建筑物在盾構推進過程中受影響較小，建筑物結構及樁基基礎變形也表現出一個平穩(wěn)的變化。在盾構左右線穿過之后，建筑物變形達到最大值，建筑物的最大沉降為13.5 mm，計算傾斜為0.8‰，滿足規(guī)范及設計要求。相對于工況一而言，建筑物的受影響程度較小，加固隔離效果非常明顯。對比監(jiān)測數據，也從側面證明了注漿加固效果的有效性。

4 處理措施建議

盾構下穿建筑物，作為一個工程重難點，應引起足夠的重視與關注，在無法避免該風險發(fā)生時，應做好以下幾點，積極應對，以降低工程風險。

⑴ 應對該處的建筑物基礎和結構情況，水文地質情況，建筑物與區(qū)間隧道關系情況，周邊環(huán)境情況進行充分的掌握，并根據現場情況，進行初步判斷。

⑵ 從大處著手，優(yōu)化線路參數，盡量降低風險。如確實無法降低，則應進行詳細研究，根據具體情況，提出合理可行的處置措施。

⑶ 針對盾構掘進參數進行控制，做好同步注漿和二次注漿工作，保證盾構與原狀土的空隙不能過多，暴露時間不能過長，并保證空隙被填充密實，以降低盾構掘進的影響。

5 結論

本文以南昌地區(qū)某區(qū)間下穿建筑物工程實例為依托，通過有限元數值模擬，并結合現場監(jiān)測結果。得到以下結論：

⑴ 盾構下穿建筑物是一個工程重難點，在未采取措施的情況下，直接穿越風險很大；

⑵ 根據監(jiān)測數據，本次模擬工況以及計算過程中采用的相關參數可以被證明是合理有效。針對盾構隧道下穿建筑物，對建筑物底部進行注漿加固，是一個降低建筑物所受盾構開挖影響的有效措施。

綜上所述，針對此工程案例，雙液漿注漿加固措施對于盾構下穿高層建筑物這一復雜工況達到了一定的加固效果，對于相似工程，有著一定的參考意義。