地鐵盾構(gòu)隧道下穿建筑物施工影響規(guī)律與風險分析

杜雪峰

（中鐵十二局集團第三工程有限公司，山西 太原 030000）

地鐵隧道工程受地形地質(zhì)等條件的限制，施工難度系數(shù)較大，對隧道技術(shù)的要求較高，尤其遇到下穿建筑物的情況，可能會造成建筑物的沉降與變形，加大安全風險。此時，相關(guān)人員不僅需要注重隧道施工技術(shù)的選擇，還需要加強安全施工管理。

1 地鐵盾構(gòu)施工對建筑物的影響

1.1 主要影響因素

（1）地質(zhì)與水文地質(zhì)條件。盾構(gòu)隧道下穿建筑物時，穿越區(qū)不同的地質(zhì)條件是影響建筑物穩(wěn)定性的主要因素。此外，地下水也會引發(fā)地層變形，水位上下土體性質(zhì)的差異性將會使得地層沉降規(guī)律受其影響。

（2）隧道埋深。隧道設(shè)計需考慮經(jīng)濟性、安全性等綜合性的因素，盡量在滿足隧道基本功能與安全性的基礎(chǔ)上將隧道設(shè)計在地質(zhì)條件相對均一、地層強度適中的區(qū)域內(nèi)。而在地鐵盾構(gòu)隧道下穿建筑物施工過程中，如果不考慮隧道埋深因素，將會影響周邊建筑物的穩(wěn)定性，加大建筑沉降的發(fā)生概率。根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗，地表沉降值與隧道埋深存在緊密的關(guān)系：當埋深越大時，建筑物的沉降值反而越小[1]。

（3）隧道斷面形式和大小。地鐵盾構(gòu)隧道下穿建筑物施工時，建筑物的沉降還會受到隧道斷面形式與大小的影響。如果為圓形的隧道斷面形態(tài)，那么在其他條件相同或者相似的情況下，地表沉降值、沉降槽寬度都與隧道開挖半徑呈正向變化的關(guān)系。當開挖斷面較大時，由于施工作業(yè)的時間較長，會對周邊土體產(chǎn)生嚴重的擾動，土體的穩(wěn)定性大大降低，隧道的穩(wěn)定性難以保障[2]。

1.2 建筑物面臨的風險

（1）建筑物沉降。盾構(gòu)法下的隧道開挖施工，可能會造成地層的不均勻沉降。在這種情況下，雖然對建筑物造成的影響是局部性的，但是同樣會使建筑物面臨著一定的安全威脅，再加上受到不良地質(zhì)條件等影響，最終將會不斷增大建筑物不均勻沉降的威脅。

（2）建筑物傾斜。地鐵盾構(gòu)隧道施工同樣會造成建筑物的傾斜情況，當建筑物受到施工擾動發(fā)生不均勻沉降以后，建筑物會出現(xiàn)嚴重的傾斜。對于高層建筑、樁基底部面積較小的建筑物而言，傾斜將會造成建筑物重心的偏斜。在這種情況下，建筑物結(jié)構(gòu)內(nèi)部的部分應(yīng)力將會重新分布[3]。在建筑物的傾斜度超出了安全范圍以后，將會造成倒塌事故。

2 工程概況

以濟南地鐵某區(qū)間工程為例，線路全長2.114km，多處下穿商業(yè)樓、居民樓、加油站及鐵路運營線，區(qū)間隧道線間距為12～27.5m，拱頂埋深約為10.2～23.0m，采用盾構(gòu)法施工。

在本地鐵工程的施工區(qū)段圍巖裂隙發(fā)育，地下水豐富，洞身處于上軟下硬地層，線路主要穿過全風化閃長巖、強風化閃長巖，局部穿越黏土、碎石土、殘積土和中風化閃長巖等地層，強風化閃長巖局部球狀風化抗壓強度偏高，地質(zhì)條件相對復(fù)雜。地鐵盾構(gòu)隧道下穿建筑物區(qū)段內(nèi)，主要包含了素填土、黏土、強風化閃長巖等巖層，其力學性質(zhì)如表1所示。

表1 各土層的力學參數(shù)

3 盾構(gòu)隧道下穿建筑物施工影響規(guī)律

以盾構(gòu)段的施工為研究對象，其K19+165～K19+245區(qū)段垂直下穿某建筑物，長度為80m，豎向與地面的距離達到了10m以上。為獲得盾構(gòu)施工對下穿建筑物的影響規(guī)律，選取其中的某一典型區(qū)域進行相應(yīng)的數(shù)值模擬，其隧道斷面為圓形結(jié)構(gòu)，縱剖面如圖1所示。

圖1 典型區(qū)域縱剖面圖

3.1 計算模型及參數(shù)

數(shù)值模擬過程中，需規(guī)范參數(shù)選取，在y方向上延伸60m，隧道洞直徑為5.8m，間距為8m，中心間距為14m。而在隧道兩側(cè)圍巖區(qū)域的測定上，左、右、下三側(cè)均需要延伸3倍洞室直徑以上，確定為23m，上側(cè)延伸至地表位置為11.4m。下穿建筑物的長寬高依次為34.7m、10m、24m，建筑物處于模型頂部中間的位置。

在盾構(gòu)法施工過程中，在盾構(gòu)結(jié)構(gòu)位置的處理將會影響結(jié)構(gòu)剛度。因此，在實際的模擬過程中，需進行管片抗彎剛度的折減，按0.7系數(shù)折減，管片參數(shù)如表2所示。通過數(shù)值FLAC3D來建立隧道模型。

該工程在施工過程中，由于開挖時會面臨各種復(fù)雜的地質(zhì)條件，為了應(yīng)對施工過程中可能存在的圍巖變形風險，在實際的施工過程中可以應(yīng)用二次注漿的方式來提高圍巖的穩(wěn)定性。此外，在實際的施工過程中，施工人員還需要嚴格根據(jù)工程的總體設(shè)計標準來進行，并應(yīng)用先進的監(jiān)測技術(shù)做好變形與沉降監(jiān)測。

隧道開挖過程中同樣存在一定的水平位移，在此工程中，水平位移主要集中在隧道以上范圍內(nèi)的地層中，水平位移的影響區(qū)域相對較大。在隧道開挖施工過程中，隨著施工作業(yè)的進行，圍巖的水平變形量、影響范圍逐步增大。當開挖作業(yè)結(jié)束以后，洞室左墻圍巖的水平變

表2 管片各項參數(shù)

在實際的模擬過程中，主要包含以下步驟：（1）根據(jù)已有的隧道工程參數(shù)，創(chuàng)建隧道三維模型，再根據(jù)此模型來進行初始地應(yīng)力的計算，并對建筑物施加等效荷載，開挖隧道內(nèi)部的土體；（2）在開挖面施加0.2MPa壓力，且方向要與開挖土體的水平荷載保持一致，模擬土倉壓力大小；（3）開挖結(jié)束以后，對0.14m厚的同步注漿漿液層施工過程加以模擬，隨后再安裝混凝土管片，利用shell單元來實施模擬；（4）模擬整個隧道的開挖過程。

3.2 影響規(guī)律分析

（1）圍巖應(yīng)力分析。根據(jù)模擬結(jié)果可以看出，隨著隧道開挖作業(yè)的進行，圍巖最大主應(yīng)力逐步呈現(xiàn)減小的趨勢，而最大主應(yīng)力的最大值遠遠低于盾構(gòu)施工中抗拉強度的設(shè)計要求。這說明施工影響所確定的土倉壓力值能夠起到控制圍巖應(yīng)力的作用，避免在盾構(gòu)施工過程中圍巖應(yīng)力過大所造成的變形情況。在整個工程模擬區(qū)域內(nèi)，發(fā)現(xiàn)其應(yīng)力基本上呈現(xiàn)水平分布狀態(tài)，而在隧道的某一區(qū)域內(nèi)，最大主應(yīng)力等值線出現(xiàn)了嚴重的彎曲情況。這種情況說明此區(qū)域是盾構(gòu)施工對下穿建筑物最主要的影響區(qū)域[4]。而在兩洞拱頂局部范圍內(nèi)，存在嚴重的應(yīng)力釋放現(xiàn)象，說明該圍巖穩(wěn)定性不足。相比較而言，隧道及其周邊圍巖處于相對穩(wěn)定、安全的狀態(tài)下。

（2）圍巖與地表變形分析。根據(jù)施工模擬的最終結(jié)果，受到建筑物荷載作用力，在隧道開挖過程中，豎向變形主要集中在建筑物下部圍巖與地表位置，在隧道拱底存在輕微的回彈隆起現(xiàn)象。而在隧道雙洞內(nèi)靠近中線的位置，底板鼓起量最大，拱頂沉降最為嚴重。在整個隧道開挖施工過程中，在盾構(gòu)掘進作業(yè)的不斷進行中，地表與圍巖的沉降值呈逐步增大的趨勢，當隧道開挖施工結(jié)束以后，其地表與圍巖的最大豎向變形量均在工程允許的范圍內(nèi)。這說明同步注漿材料、注漿壓力的控制能夠在一定程度上抑制圍巖的變形與沉降現(xiàn)象[5]。形量、右墻圍巖的水平變形量存在著明顯的對稱性，且水平位移處于相對安全的范圍以內(nèi)。隧道開挖施工過程中，為達到隧道施工的安全性要求，必須保障管片支護的及時性，保障在開挖過程中，支護始終處于開挖之前，并要在開挖過程中加強施工監(jiān)測，嚴格控制盾構(gòu)施工中的安全風險。

總之，在地鐵盾構(gòu)隧道下穿建筑物施工過程中，施工具有復(fù)雜性，隧道施工作業(yè)會對建筑物的穩(wěn)定性與安全性產(chǎn)生一定的影響。因此，在實際的施工過程中，需要充分結(jié)合工程現(xiàn)場的實際情況，做好施工技術(shù)的選擇，并合理設(shè)計支護結(jié)構(gòu)，保障盾構(gòu)法應(yīng)用的有效性。

4 結(jié)束語

近年來，隨著地鐵工程項目的增多，各種新型的施工技術(shù)逐步被應(yīng)用于工程建設(shè)中。地鐵隧道施工常常會面臨極為復(fù)雜的施工環(huán)境，為了最大程度保障施工的安全性，降低施工風險，工程人員在施工過程中要加強安全管理，保障施工的規(guī)范性，促進地鐵隧道施工的順利進行。