公路隧道施工對鄰近建筑物的影響及控制

王學斌

(廈門路橋工程投資發(fā)展有限公司，福建 廈門 361000)

0 引言

公路隧道穿越建筑物時存在較大的工程安全問題。尤其當公路隧道埋深較淺時，控制地表的位移和變形就成為一個重要問題。施成華、荊春燕等[1-4]通過監(jiān)測數據分析與反分析得到地表變形、建筑物基礎變形的規(guī)律，判斷出隧道開挖對地表及建筑的影響。張頂立、張曉榮等[5-7]結合理論分析、數值模擬和現場實測揭示了隧道對地表建筑物的變形規(guī)律及破壞模式，預測分析了隧道開挖對房屋的施工影響，并提出了相應措施。姜忻良、郭華偉等[8-12]采用數值計算方法對隧道穿越建筑物進行了模擬，分析了不同施工工法對地表沉降、建筑物基礎位移及變形的影響。趙志江[13]介紹了龍大下穿隧道在確保上方公路正常通行條件下的施工方法，通過注漿加固、多導洞施工以及微臺階開挖控制了地表沉降，保證了施工安全。

隧道開挖引起的卸載效應破壞了巖土體的原始應力狀態(tài)，在巖土體轉向新的平衡狀態(tài)過程中施工擾動區(qū)域內就會或多或少地發(fā)生沉降和位移。在淺埋隧道中，隧道開挖會影響地表建筑物及巖土體內部的構筑物發(fā)生一定的變形和位移[14-16]。當位移和變形過大時，不僅會影響隧道的施工，更會對鄰近建筑物的安全使用產生威脅。

因此有必要對隧道開挖施工對周邊建筑物的影響進行分析，并采取有效措施控制周邊建筑及地表的變形，從而最大限度保護鄰近的建筑物。本研究結合金莊花園監(jiān)測數據以及數值模擬，對隧道周邊土體沉降及房屋傾斜等進行分析，探討暗挖淺埋隧道施工對鄰近建筑物的影響，為淺埋暗挖隧道施工過程中對鄰近建筑物的安全控制提供合理的參考。

1 工程概況

1.1 隧道與建筑物位置關系

廈門第二西通道(海滄隧道)工程是連接海滄區(qū)和本島湖里的重要跨海通道，起于海滄區(qū)馬青路與海滄大道交叉口，以海底隧道形式穿越廈門西海域后進入本島，沿象嶼港區(qū)、興湖路下穿，止于石鼓山立交東。

隧道穿過象嶼碼頭及疏港路立交后，沿興湖路布線。興湖路寬35.5 m，東西向各有3條車道和1條輔道，兩邊建筑物均距道路邊線18 m左右，道路兩側留有10 m左右的綠化帶和8 m左右的人行道。興湖路北側的建筑主要有嘉會大廈、廈門儲運總公司、中國外運。南側的建筑主要有三航大廈、鴻圖苑以及金莊花園。

金莊花園A座為8(7)層混凝土現澆框架結構，房屋基礎形式為柱下獨立基、條基，1998年建設，與隧道水平距離12 m。底部為半地下層，內設有夾層，框架結構，平面為“L”型，平面最大長度為37.6 m，最大寬度為35.1 m，建筑物高度為25.5 m，設有1道抗震縫，分為兩個結構單元，采用天然地基，基底持力層為殘積砂質黏性土層，基礎為柱下獨立基礎，部分柱下聯合基礎。

圖1 暗挖段周邊建筑位置示意圖(單位:m)Fig.1 Schematic diagram of location of surrounding buildings in undercut section(unit:m)

圖2 隧道與金莊花園位置示意圖(單位：m)Fig.2 Schematic diagram of location of tunnel and Jinzhuang Garden(unit：m)

1.2 隧道概況

海滄隧道A2標段全長2 190 m，主要由1 890 m的3車道暗挖隧道和160 m超淺埋、超大斷面雙連拱暗挖隧道和140 m明挖段組成。

隧道埋深15.5 m，左右線隧洞凈距4.2 m，采用上CD法和雙側壁工法開挖。雙側壁段采用SLX5襯砌類型，采用雙層初支結構，并采用φ76中管棚和φ42超前小導管作為超前支護，C50，P12鋼筋混凝土襯砌，厚度60 cm。上CD工法開挖段采用SLX4襯砌類型，同樣采用φ76中管棚和φ42超前小導管作超前支護,C50鋼筋混凝土襯砌，厚度50 cm。

隧道下穿興湖路段，金莊花園—榕福苑段屬于海陸交界、土巖復合、灘涂回填，隧道開挖穿越全風化花崗巖→砂粒狀強風化花崗巖→碎塊狀強風化花崗巖。圍巖等級為Ⅴ級，基巖面走向為東低西高、興湖路南北側高，中間低，并且右線隧道靠近山體。水系補給，南側富水，淡水、北側與海水連通。

2 隧道病害現狀

興湖路淺埋暗挖段在施工過程中，右線隧道距離金莊花園30 m時，金莊花園建筑物沉降監(jiān)測數據累計值緩慢增加。

隧道右線開挖進入金莊花園邊界時金莊花園累計值超30 mm，因此，現場采取了控制措施：洞內采用短進尺和增加臨時仰拱，控制洞內初支變形；同時，在金莊花園與隧道之間施作一排直徑1 m，間距1 m的保護樁。

隨后，隧道繼續(xù)開挖施工，當右線隧道開挖到進入金莊花園30 m時，由于地質及洞內施工影響，洞內、地表數據和金莊花園監(jiān)測數據變化較快發(fā)出預警值，在未安排明顯措施下出現地表塌方，隨后對整個地表及洞內進行注漿加固。

由此可以看出，當建筑物與施工隧道距離較小時，隧道穿越建筑物會對引起建筑物的變形過大，甚至超出變形控制標準，同時洞內施工也會引起地表大變形，產生長約1.5 m、寬2.12 mm的地表裂縫，甚至發(fā)生了4 m×3 m的塌陷。

3 成因分析

興湖路淺埋暗挖段所屬區(qū)域為CD法、雙側壁法施工，分離式3車道隧道，斷面大，淺埋，地質情況復雜，隧道上方為興湖路主干道，交通繁忙。隧道周邊管線、建筑物密集。在施工過程中，需要爆破作業(yè)。所以，在隧道施工過程中，施工難度大，風險高。由于島內暗挖段隧道埋深較小，加之地表覆蓋薄、花崗巖風化深度大，導致隧道開挖對沿線建筑影響大。

3.1 有限元分析

采用ABAQUS有限元軟件對最不利斷面進行數值模擬，分析隧道穿越對金莊花園及其周圍土體位移及變形的變化情況，防止隧道施工時建筑物開裂及傾斜，影響其安全使用。

3.1.1 模型及材料參數

由于隧道在縱向上比橫向上尺寸大得多，因此可以將該計算分析簡化為平面應變問題。考慮到有限元數值分析軟件的邊界效應，在此次模擬分析中選擇的模型左右邊界為3～5倍洞徑，即左右邊界各50 m，上邊界至地表，下邊界為洞底向下50 m。有限元模型示意圖如圖3所示。

圖3 有限元模型示意圖 (單位：m)Fig.3 Schematic diagram of finite element model (unit：m)

在該模型中，土體采用摩爾-庫倫準則的彈塑性模型來模擬，混凝土結構按線彈性模型考慮。各材料的物理力學參數如表1所示。

表1 材料物理力學參數表Tab.1 Physical mechanical parameters of materials

3.1.2 結果分析

根據數值模擬計算結果，隧道開挖過程不同階段隧道豎向沉降如圖4所示。

圖4 隧道開挖過程豎向位移云圖(單位:m)Fig.4 Nephograms of vertical displacement during tunnel excavation(unit:m)

圖4表明隧道在開挖的不同階段，最大沉降值均發(fā)生在掌子面頂部，地表同時也反映出微量沉降。根據計算結果，隧道左線開挖引起的地表沉降量約1.29 mm，但右線開挖時(開挖20 m)及開挖后(開挖50 m)引起的地表沉降量值分別為1.68 mm 及2.07 mm。

在隧道不同開挖階段，伴隨隧道掘進對原有土層的擾動，在掌子面頂部及隧洞頂部的土體極易發(fā)生下沉，進而使該部分土體轉為拉應力狀態(tài)，從而造成土體的拉剪破壞，形成局部塑性區(qū)。而在掘進后伴隨及時襯砌支護，隧洞周圍的塑性區(qū)由掘進時的拉剪破壞向新的平衡態(tài)轉化，最終在襯砌完成后轉化為剪切應變區(qū)。當隧道掘進并襯砌完成后當前拉剪區(qū)消失，僅保留1層剪切應變區(qū)。襯砌提供的支撐反力使隧道周圍土體穩(wěn)定并使地表沉降收斂。

當隧道開挖完成后，地層出現了明顯的沉降槽，如圖5所示。由于右側建筑物的荷載作用，右側的沉降槽寬度大于左側。由圖5豎向位移云圖可知，隧道開挖后最大沉降量為-2.49 mm，位于右線隧道靠近建筑一側的隧道頂部位置，并且由于建筑物影響，右線隧道上方地層沉降大于左線隧道地層沉降。

圖5 隧道開挖后地層豎向位移圖(單位:m)Fig.5 Nephogram of vertical displacement of stratum after tunnel excavation(unit:m)

輸出地表沉降曲線，以模型左側邊界為原點，向右依次為左線隧道、右線隧道以及建筑物。根據沉降曲線可以看出，最大沉降出現在右線隧道處。同時，右側建筑物位置處沉降值出現較為明顯的變化，建筑物外側沉降曲線趨于平滑，因此可以判斷建筑物處于隧道開挖引起的沉降槽范圍內。并且隨著建筑物距離隧道越來越遠，建筑物下方沉降越來越小，建筑物最大沉降出現在與右線隧道最近處，沉降量為1.67 mm。建筑物基底出現的沉降差最大達1.21 mm，傾斜率為3.45 × 10-5。

與現場監(jiān)測之間存在誤差的原因可以歸結為材料參數的取值以及選取的本構關系還難以完全還原現場情況，同時現場沉降情況受到多種復雜工況的作用，模擬過程中僅考慮了地鐵隧道的掘進，因此，計算結果小于現場監(jiān)測。

圖6 地層沉降曲線Fig.6 Stratum settlement curve

根據圖6，由于左線隧道與右線隧道凈距很小,使得左右雙線隧道開挖后的地層沉降曲線變化趨勢與單洞隧道開挖引起的地層沉降曲線相似，類似于“單峰”趨勢。同時，由于右側建筑物荷載的存在，使得沉降槽曲線出現一定變化。

3.2 監(jiān)測數據分析

隧道在開挖過程中，密切關注隧道支護結構變形狀態(tài)、相應段地表下沉狀態(tài)、周邊管線、建筑物變形狀態(tài)、隧道周邊水位變化狀態(tài)，監(jiān)測數據的關聯性強。通過監(jiān)測數據，對隧道施工工序進行可靠的數據指導，合理規(guī)劃各工序施工組織及支護參數，制定有效的防范措施；將現場測量的數據、信息及時反饋，用以修改和完善設計，測量結果用于信息化反饋優(yōu)化設計，使設計達到優(yōu)質安全、經濟合理、施工快捷。

3.2.1 建筑物周邊地表沉降分析

金莊花園周邊地表沉降監(jiān)測點共有16個，分別布置在金莊花園建筑物四周。根據監(jiān)測數據，由圖7可以看出，DBC-09監(jiān)測點(距離隧道最近)發(fā)生較為明顯的隆起，其他測點均呈現下沉變形。在2019年11月29日前，各測點地表均沉降，其中DBC-03測點沉降值最大，為-16.27 mm，此時，DBC-09監(jiān)測點的-2.39 mm，同樣發(fā)生下沉。至此以后，各監(jiān)測點均出現隆起現象，其中，DBC-09監(jiān)測點最大隆起值達到14.05 mm。

圖7 金莊花園西南角和西北角傾斜變化曲線Fig.7 Curves of inclination change of southwest and northwest corners of Jinzhuang Garden

在2019年11月29日前，各監(jiān)測點沉降量由大到小分別為：DBC-03，DBC-05，DBC-10，DBC-02，DBC-11，DBC-01，DBC-09，DBC-13，DBC-08，DBC-04，DBC-12，DBC-14，DBC-15，DBC-07，DBC-16。

對應各監(jiān)測點的分布規(guī)律可以看出，距離隧道越近的監(jiān)測點發(fā)生的沉降越大，而距離隧道最遠的測點則下沉很小，甚至出現隆起。

3.2.2 建筑物沉降分析

2020年2月23日—3月5日(11 d)，測點QTC-02-01期間沉降值為-0.29 mm，測點QTC-03(隧道側)期間沉降值為-2.17 mm，測點QTC-03沉降速率比QTC-02-01號測點快，沉降差為-1.88 mm；東側房屋基礎往隧道側傾斜度變化為0.000 107。自2020年3月20日—2020年8月11日(共144 d)，1#樓北側測點QTC-03，QTC-04，QTC-05變化量分別為0.47，-1.28和-0.47 mm。在該時間范圍內，金莊花園的建筑物沉降變化量均在1 mm以內，未發(fā)現明顯異常，處于穩(wěn)定狀態(tài)。2020年8月25日—2020年11月28日(95 d)，金莊花園1#樓建筑物測點QTC-04下沉6.89 mm、測點QTC-05下沉10.19 mm，測點QTC-06下沉7.38 mm，下沉速率較緩慢，下沉趨勢明顯。

此后，隧道已完全穿越金莊花園，對比數值模擬結果，建筑物沉降最大值為13.04 mm，而監(jiān)測數據表明，建筑物的最大沉降量為10.19 mm，由于此時建筑物仍處于沉降時間內，因此沉降量仍然會增加。

2020年12月1日—12月6日，受注漿影響，測點QTC-05上揚4.31 mm；12月7日—1月1日(25 d)，QTC-05點下沉2.9 mm，QTC-04下沉2.57 mm。截至2021年7月3日，金莊花園小區(qū)1#樓建筑物累計最大下沉值為-48.91 mm(QTC-04點)，其2021年6月20日—7月3日(13 d)下沉-0.62 mm。

總體而言，金莊花園在未采取加固措施前，建筑物的1#樓，2#樓測點的最大沉降差達22.7 mm，當采取加固措施后，差異沉降可控制在11～12 mm。其他測點相同，加固措施效果明顯。

3.2.3 建筑傾斜及裂縫位移分析

以金莊花園西側北面墻體豎直邊為分析對象，在相同豎直線上，樓頂測點距離邊界100 mm，底部測點距離墻邊界31.5 mm，測得頂點相對于底部測點向興湖路方向偏移：100-31.5=68.5 mm。以西側面墻體南側豎直邊為分析對象，在相同豎直線上，樓頂測點距離邊界100 mm，底部測點距離墻邊界199 mm，測得頂點相對于底部測點向興湖路方向偏移：100-199=-99 mm。因此，以68.5 mm作為西北角(測點GJC-05)的初始偏移位移量，以99 mm作為西南角(測點GJC-06)的初始偏移位移量，則隨著時間的發(fā)展，建筑的傾斜偏移位移變化量如圖7所示。

對金莊花園1#樓、2#樓間的抗震裂縫東、西側各布置一支裂縫位移傳感器，監(jiān)測隧道開挖過程中施工是否會對金莊花園小區(qū)已存在的裂縫是否會有影響。裂縫計安裝在與雙側壁隧道右線右側開挖面的水平垂直距離為30 m，1#樓主體距離右線右側開挖邊界水平距離為12 m，樓體軸向基本與隧道開挖方向平行，影響范圍至少38 m。截至2019年10月16日裂縫狀態(tài)為：以釘子孔口為參考，裂縫張擴量累計約70 mm，以此作為裂縫位移監(jiān)測的初始狀態(tài)。

2020年3月20日上午9點30分—下午4點55分變化：東側裂縫收縮0.25 mm、西側裂縫收縮0.16 mm?？拐鹆芽p在2020年3月7日總位移量均為最小值。其中，東側裂縫位移量為2.3 mm，西側裂縫收縮了-9.7 mm。

東西側裂縫位移變化在注漿后得到控制，基本趨于平穩(wěn)。同時，東側抗震裂縫和西側抗震裂縫變化趨勢基本一致。

綜上，根據現場監(jiān)測結果可以看出，建筑物周邊地表的沉降隨與隧道距離的減小而增大，距離隧道越近的監(jiān)測點發(fā)生的沉降越大，而距離隧道最遠的測點則下沉很小，甚至出現隆起。在注漿加固后，周邊地表沉降逐漸趨于平穩(wěn)。

建筑物自身的沉降隨著開挖的進行逐漸增大。且不同測點之間存在差異沉降，在注漿加固后，差異沉降得到有效控制。

建筑物東西兩側抗震裂縫變化趨勢基本一致，基本安全，并且裂縫位移變化在注漿后得到控制，基本趨于平穩(wěn)。

3.3 地表沉降理論值

圖8 海滄隧道理論沉降曲線Fig.8 Theoretical settlement curve of Haicang Tunnel

根據以上公式進行該隧道的沉降擬合，得到疊加后的擬合曲線為：

(1)

因此可得沉降槽的寬度為28.8～41.6 m。金莊花園與右線隧道的最小凈距為12 m，因此位于沉降槽寬度范圍內，與數值模擬結果一致。

3.4 對比分析

采用ABAQUS有限元軟件分析隧道穿越對金莊花園及其周圍土體位移及變形的變化情況，可以得出最大沉降出現在右線隧道處，右側建筑物處于隧道開挖引起的沉降槽范圍內。并且隨著建筑物距離隧道越來越遠，建筑物下方沉降越來越小，建筑物最大沉降出現在與右線隧道最近處，沉降量為13.04 mm，超過基礎建筑物的沉降控制標準(10 mm)。建筑物基底出現的沉降差最大達6.97 mm，傾斜值為1.98×10-4，小于規(guī)范規(guī)定的0.003。

根據監(jiān)測數據可以看出，建筑物的最大沉降量為10.19 mm，已超出規(guī)范標準要求。且由于此時建筑物仍處于沉降時間內，因此沉降量仍然會增加。

理論計算得出沉降槽的寬度為28.8～41.6 m。金莊花園與右線隧道的最小凈距為12 m，因此位于沉降槽寬度范圍內。

綜上對比可知，由于建筑物處于隧道施工開挖引起的沉降槽范圍內，建筑物產生較大變形。隧道施工未采取加固措施時會對建筑物產生較大影響。

4 保護措施

根據以上分析結果，隧道在穿越金莊花園段時隧道洞內變形較大，且建筑物處于隧道開挖的沉降槽范圍內，因此需要對建筑物進行隔離加固保護，以防出現變形過大影響結構的安全使用。對此，主要提出以下保護措施。

4.1 注漿加固

4.1.1 加固參數

對地表下3 m到基巖面之間的空洞、水囊、淤泥層進行充填注漿，防止開挖過程中的失水沉降或塌陷。同時，對隧道拱頂范圍內的巖板厚度進行網格式探測，對薄弱處進行加強注漿。

根據注漿試驗，采取以下注漿參數：

(1)注漿孔布置：間距@4 m×4 m；

(2)注漿深度：硬巖段：地面以下3 m至基巖面以下1 m；軟巖段：地面以下3 m至基巖面以下 1 m或隧道仰拱底以下2 m；

(3)注漿寬度：北側至隧道邊線外5 m，南側至中夾巖寬度的一半；

(4)注漿方式：采用RPD-150C，RPD75SL鉆機，鉆注一體化，鉆桿后退式注漿，采用單雙液結合；

(5)漿液：單雙液結合；

(6)注漿結束標準為注漿量和注漿壓力(1.4～2.0 MPa)。

4.1.2 加固效果檢驗

注漿完成后，對注漿效果進行檢驗，首先在地表隨機鉆取3個取芯孔，觀察漿液充填情況可以看出，所取芯樣漿液填充均較好，漿脈清晰。

同時，采用地質雷達探測的方法對注漿效果進行檢驗：注漿完成后，地表雷達探測，地表以下2～8 m地層存在局部不密實，無明顯空洞，因此注漿效果良好。

表2 地表各測點隆起值Tab.2 Uplift values of each measuring point on ground surface

由上表可以看出，經注漿加固期間，地表略發(fā)生抬升，較好地控制了地表沉降變形過大，對地表位移累計變化量表明地表豎向上總體呈現隆起趨勢，且小于控制標準30 mm，因此注漿加固效果良好。

4.2 減振隔離

根據隧道開挖對建筑物的影響，采用φ168，φ108鋼管樁主要起減振隔離作用。

金莊花園—榕福苑段采用1排φ1 200@1 400 mm鉆孔灌注樁-硬隔離、2排φ1 000@750 mm高壓旋噴止水樁、2排φ168 mm鋼管樁減振；對建筑物房屋地基土體穩(wěn)定性進行注漿加固，隔離樁與隧道之間進行地表深層注漿加固等保護措施；防止開挖過程中地表失水，引起周邊建筑物開裂。洞內采用強(剛)度較大的超前支護及初期支護，開挖采用雙側壁導坑法開挖，以盡量減少隧道周邊塑性區(qū)范圍。同時地表采用φ76 mm鋼花管加固管線基礎。

通過對建筑物周圍進行隔離樁減震隔離，同時對地表進行注漿加固，周邊地表沉降得到有效控制，同時，金莊花園建筑物沉降也逐漸趨于穩(wěn)定，東側和西側的抗震裂縫位移逐漸進入平臺期，達到穩(wěn)定狀態(tài)。各監(jiān)測指標均達到控制標準，由此可見，所采取的保護措施合理有效。

5 結論

以海滄隧道下穿興湖路段工程為依托，對公路隧道施工中鄰近建筑物及周邊地表進行監(jiān)測，通過數值模擬分析隧道開挖引起地層沉降與建筑物沉降的關系，并擬合計算了該隧道開挖的沉降曲線公式。經對比分析，得到以下結論：

(1)根據有限元數值模擬結果可得，隧道開挖產生的最大沉降量40.92 mm位于右線隧道上方，同時由于左右線隧道間距過小，開挖產生的“雙峰”沉降槽近似等代為一個大直徑單洞隧道開挖產生的沉降槽。

(2)由現場監(jiān)測數據分析可得，金莊花園周邊地表沉降隨著與隧道距離的增大而減小，其中DBC-03監(jiān)測點出現最大沉降值為-16.27 mm；金莊花園的沉降隨著開挖的進行逐漸增大。在注漿加固后，沉降逐漸趨于平穩(wěn)。

(3)根據擬合公式可得，沉降槽寬度為28.8～41.6 m，金莊花園位于沉降槽寬度范圍內，與數值模擬結果一致。

(4)采取旋噴隔離樁及注漿加固措施均取得良好效果。