軟土地區(qū)盾構(gòu)隧道下穿建構(gòu)筑物的相互影響分析

彭紅霞，趙華新，崔王洪

(1. 南京地鐵集團(tuán)有限公司，南京 210008； 2. 北京城建設(shè)計發(fā)展集團(tuán)股份有限公司，北京 100037)

隨著城市軌道交通的快速發(fā)展和城市地下空間開發(fā)程度的不斷加深，軌道交通工程在建設(shè)過程中越來越頻繁地出現(xiàn)盾構(gòu)隧道下穿既有建構(gòu)筑物的情況，如蘇州軌道交通2號線下穿各類建筑物多達(dá)570棟[1]，上海軌道交通11號線下穿徐匯中學(xué)崇思樓工程[2]，北京軌道交通10號線穿越多處房屋[3,4]，北京軌道交通16號線下穿左岸工社大廈[5]，南京軌道交通3號線盾構(gòu)下穿明城墻[6]等。此外，還有因規(guī)劃建設(shè)時序需先在既有盾構(gòu)隧道上方進(jìn)行工程建設(shè)的情況[7]，以及因地面工程建設(shè)需要與地鐵建設(shè)同期進(jìn)行的情況[8]。

盾構(gòu)法是一種通過盾構(gòu)機(jī)械在地層中推進(jìn)的施工工法，也是目前城市軌道交通隧道工程建設(shè)中最常用的施工工法。盾構(gòu)機(jī)械在掘進(jìn)的過程中會產(chǎn)生較大的頂推力，使隧道周邊土體收縮，并對原狀土體造成較大的擾動，從而引起地層變形及上部結(jié)構(gòu)位移，導(dǎo)致既有建筑破壞[9]。因盾構(gòu)隧道是由管片及螺栓拼接成的柔性結(jié)構(gòu)且管片由洞內(nèi)機(jī)械拼裝而成，如果在既有隧道影響范圍內(nèi)進(jìn)行工程建設(shè)，當(dāng)隧道上方出現(xiàn)卸載或加載時，會導(dǎo)致既有盾構(gòu)隧道的結(jié)構(gòu)受力及變形狀態(tài)發(fā)生變化，進(jìn)而引起隧道結(jié)構(gòu)變形甚至出現(xiàn)螺栓斷裂、局部產(chǎn)生裂縫等結(jié)構(gòu)病害[10]。因此，研究工程建設(shè)中盾構(gòu)隧道與上方建構(gòu)筑物之間的施工影響，應(yīng)結(jié)合施工時序針對性地進(jìn)行，再提出合理的保護(hù)措施。

結(jié)合南京地鐵5號線下關(guān)站～建寧路站軟土盾構(gòu)區(qū)間多處下穿既有建構(gòu)筑物和擬新建建筑物，包括市政橋梁(遠(yuǎn)期需改為市政隧道)、新建綜合管廊、既有房屋、規(guī)劃擬新建房屋等，本文將根據(jù)不同穿越情況分別進(jìn)行計算及分析，并提出針對性的保護(hù)措施，以期為類似工程提供經(jīng)驗。

1 工程概況

南京地鐵5號線是一條南北向的城區(qū)主干線,全線共設(shè)30個車站，其中下關(guān)站～建寧路站區(qū)間為線路北端的倒數(shù)第三個區(qū)間，位于鼓樓濱江開發(fā)區(qū)(該片區(qū)正在進(jìn)行老城新建)，區(qū)間長約為560 m，距離長江堤岸約為380 m。該區(qū)間由南向北穿越的地面建構(gòu)筑物依次為：惠民路新建綜合管廊、惠民路高架橋(預(yù)留遠(yuǎn)期橋改隧條件)、既有鼓樓濱江商務(wù)區(qū)辦公樓、08-30擬開發(fā)地塊、08-23擬開發(fā)地塊、08-29擬開發(fā)地塊、08-02～07已開發(fā)地塊。盾構(gòu)穿越地塊與隧道平面關(guān)系如圖1所示。

圖1 盾構(gòu)穿越地塊與隧道平面關(guān)系

該區(qū)間隧道主要穿越② -2b4淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土(混夾粉土、粉砂)，流塑狀，高壓縮性。土層參數(shù)如表1所示，盾構(gòu)區(qū)間地質(zhì)斷面如圖2所示。區(qū)間采用盾構(gòu)法施工，聯(lián)絡(luò)通道兼泵站在地層加固后采用礦山法施工。

表1 土層參數(shù)

圖2 盾構(gòu)區(qū)間地質(zhì)斷面

因地鐵建設(shè)時序與盾構(gòu)穿越段建構(gòu)筑物的建設(shè)時序不一致，為保證建構(gòu)筑物工程建設(shè)的正常實施，并盡量降低其與地鐵隧道的相互影響，故建議惠民路高架橋改隧通道、08-23地塊、08-29地塊和08-30地塊在地鐵盾構(gòu)隧道掘進(jìn)前完成地下和地上結(jié)構(gòu)，然后地鐵盾構(gòu)隧道再從既有結(jié)構(gòu)下方穿過。但實際施工進(jìn)度顯示，08-30 地塊僅能在地鐵盾構(gòu)隧道掘進(jìn)前完成地下結(jié)構(gòu)，無法完成地上結(jié)構(gòu)。因此，為保障地鐵盾構(gòu)隧道、市政隧道和地塊開發(fā)的施工安全性，本文將根據(jù)各建構(gòu)筑物的實際施工時序進(jìn)行分析，并對不同的保護(hù)措施進(jìn)行驗證。

根據(jù)《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范》(CJJ/T 202—2013)與《江蘇省城市軌道交通工程安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)程》，結(jié)合南京軟土地區(qū)工程建設(shè)及運(yùn)營經(jīng)驗，并考慮后期盾構(gòu)隧道可能產(chǎn)生的工后沉降問題和周邊開發(fā)密集度情況等，建議近階段工程建設(shè)引起的隧道變形宜按隧道水平變形和豎向變形小于10 mm、收斂變形小于6 mm控制。

2 工程影響分析

2.1 08-23地塊、08-29地塊開發(fā)與地鐵盾構(gòu)隧道相互影響分析

08-23地塊與08-29地塊位于地鐵盾構(gòu)隧道的正上方，各擬建兩棟房屋，其中08-23地塊的1#樓和2#樓均為地上28層，建筑高度約為86.8 m；08-29地塊的10#樓為地上2層，建筑高度約為9.7m，11#樓為地上8層，建筑高度約為38.5 m。兩個地塊均通過設(shè)置2層地下室連通，地塊底板底深約為10 m，與盾構(gòu)區(qū)間隧道頂豎向凈距約為6 m。

經(jīng)綜合比選研究，若地鐵區(qū)間和地塊基坑采用坑中坑方案，因基坑深度較大，施工風(fēng)險較大、工期較長、費用較高，故采用地塊先施工、地鐵后穿越的設(shè)計方案，且地塊先施工時預(yù)留地鐵后期穿越條件(如樁基入巖、設(shè)置隔離樁、地基加固)。為此，兩塊基坑均采用鉆孔灌注樁+攪拌樁止水帷幕，其中盾構(gòu)下穿范圍采用SMW(Soil Mixing Wall)工法樁，基坑豎向設(shè)置二道混凝土桁架支撐。考慮地塊場地范圍為老城拆遷區(qū)域，要求施工前對地基進(jìn)行清障處理，盾構(gòu)穿越段需清障至盾構(gòu)隧道底以下3 m；同時地塊基坑完成后需對盾構(gòu)穿越范圍的SMW工法樁進(jìn)行拔除并回填密實。

從以下3個方面對地鐵與地塊結(jié)構(gòu)之間的相互影響進(jìn)行分析：

(1) 因下臥土層物理性質(zhì)較差，為滿足基礎(chǔ)承載能力并控制上部結(jié)構(gòu)沉降，減小后期對下臥地鐵隧道的影響，建筑下方均設(shè)置樁基入巖。同時，考慮后期盾構(gòu)掘進(jìn)過程中頂推力擴(kuò)散引起隧道周邊土體擾動和鄰近樁基側(cè)向變形，故在地塊地下室底板下方、盾構(gòu)兩側(cè)各預(yù)設(shè)一排隔離樁，將盾構(gòu)隧道施工影響范圍控制在隔離樁之間。

(2) 由于地塊房屋在長期作用下會產(chǎn)生后續(xù)沉降，且在隧道施工過程中可能會引起周邊土體擾動導(dǎo)致地下室底板變形，為降低盾構(gòu)施工對地下室的不利影響，在地下室底板與隔離樁之間的盾構(gòu)穿越區(qū)域設(shè)置攪拌樁、地基加固。通過有限元軟件MIDAS計算底板地基加固的效果，計算結(jié)果表明：采取地基加固措施時，盾構(gòu)掘進(jìn)引起的地下室豎向最大位移約為1.25 mm；不采取地基加固措施時，地下室豎向最大位移約為4.29 mm，可見地基加固可有效控制盾構(gòu)施工對既有結(jié)構(gòu)的不利影響。08-23地塊、08-29地塊計算模型如圖3所示，盾構(gòu)施工引起地下室底板豎向位移如圖4所示。

圖3 08-23地塊、08-29地塊計算模型

(a) 設(shè)置地基加固

(b) 不設(shè)置地基加固圖4 盾構(gòu)施工引起地下室底板豎向位移

(3) 因地塊建筑先于地鐵盾構(gòu)隧道施工，大部分因恒荷載作用引起的地下室沉降已經(jīng)在地鐵盾構(gòu)施工前完成，但在地塊后期運(yùn)營過程中，活荷載作用引起的附加沉降仍會對下穿的盾構(gòu)隧道產(chǎn)生影響?？紤]長期剛度，對地上結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬分析，結(jié)果表明：恒荷載作用下的底板豎向位移最大值約為13.2 mm，總荷載作用下的底板豎向位移最大值約為20.2 mm，后期地塊活荷載作用下的地下室最大位移約為7.0 mm。08-29地塊地上結(jié)構(gòu)分析模型如圖5所示，08-29地塊考慮長期剛度地下室底板總豎向位移如圖6所示。

圖5 08-29地塊地上結(jié)構(gòu)分析模型

(a) 總荷載作用

(b) 恒荷載作用圖6 08-29地塊考慮長期剛度地下室底板總豎向位移

考慮該位移荷載，計算地塊后期運(yùn)營對地鐵隧道的影響，結(jié)果表明：若不采取地基加固措施，建筑物后期沉降作用引起的隧道豎向最大位移約為8.27 mm，徑向收斂值約為11.22 mm；若采取地基加固措施，隧道豎向最大位移約為5.24 mm，徑向收斂值約為6.58 mm。地下室后期沉降引起下方盾構(gòu)隧道豎向位移如圖7所示。

(a) 設(shè)置地基加固

(b) 不設(shè)置地基加固圖7 地下室后期沉降引起下方盾構(gòu)隧道豎向位移

同時對盾構(gòu)掘進(jìn)推力引起的隔離樁側(cè)向變形結(jié)果進(jìn)行對比，考慮地基加固作用時，隔離樁最大水平位移約為1.3 mm，不考慮地基加固作用時，隔離樁最大水平位移約為2.5 mm，可見地基加固能有效減少盾構(gòu)掘進(jìn)施工對側(cè)邊樁基的影響。盾構(gòu)掘進(jìn)引起隔離樁水平位移如圖8所示。

(a) 考慮地基加固

(b) 不考慮地基加固圖8 盾構(gòu)掘進(jìn)引起隔離樁水平位移

綜合以上分析，對在地鐵盾構(gòu)實施之前完成的08-23地塊、08-29地塊采取樁基入巖、盾構(gòu)兩側(cè)設(shè)置隔離樁和盾構(gòu)穿越影響范圍內(nèi)設(shè)置地基加固措施，經(jīng)驗證這些措施可有效減少盾構(gòu)掘進(jìn)對建筑物的影響及后期地塊沉降引起的盾構(gòu)隧道變形。

2.2 08-30地塊與盾構(gòu)隧道相互影響分析

08-30地塊位于地鐵盾構(gòu)隧道的正上方，地上僅1棟9層建筑，建筑高度約為38.5 m，地下設(shè)置1層地下室，底板埋深約為6.5 m，與盾構(gòu)區(qū)間隧道頂豎向凈距約為9.0 m。08-30地塊與地鐵隧道平面關(guān)系如圖9所示，08-30地塊與地鐵隧道剖面關(guān)系如圖10所示。

圖9 08-30地塊與地鐵隧道平面關(guān)系

圖10 08-30地塊與地鐵隧道剖面關(guān)系

08-30地塊同樣采用地塊先施工，地鐵后穿越，且地塊先施工時預(yù)留地鐵后期穿越條件的設(shè)計方案。但因該地塊無法在盾構(gòu)施工之前完成地上結(jié)構(gòu)，考慮地層因素，要求地上結(jié)構(gòu)需在地鐵盾構(gòu)施工完成后方可實施。

地塊基坑采用SMW工法樁，豎向設(shè)置一道混凝土桁架支撐，考慮該地塊場地范圍原有地上5～8層房屋，并設(shè)有地下35 m長樁基，要求地塊實施前需先進(jìn)行拔樁處理，另外地塊地下室結(jié)構(gòu)完成后需及時拔除型鋼。

結(jié)合08-23地塊、08-29地塊的分析，采用樁基入巖、盾構(gòu)兩側(cè)設(shè)置隔離樁和盾構(gòu)下穿范圍設(shè)置地基加固的措施，可有效減少盾構(gòu)施工引起的地下室沉降及后期地上結(jié)構(gòu)荷載引起的隧道變形。但由于08-30地塊地上結(jié)構(gòu)在盾構(gòu)實施之后建設(shè)，存在較大加載作用，故上部結(jié)構(gòu)引起的地下室沉降對盾構(gòu)隧道的影響會大于08-23地塊、08-29地塊。

通過有限元模擬計算，在考慮采取上述各項措施后，地上結(jié)構(gòu)實施時產(chǎn)生的加載作用引起隧道豎向最大位移約為11.38 mm，徑向收斂值約為13.22 mm。為盡量減小地上結(jié)構(gòu)施工引起的隧道位移，擬通過在地下室底板以下設(shè)置0.5 m厚的褥墊層，以降低筏板以下土體的荷載承擔(dān)比，減小隧道周邊土體位移。經(jīng)模擬分析，考慮褥墊層作用后，上部結(jié)構(gòu)施工引起的隧道豎向最大位移約為5.06 mm，徑向收斂值約為6.12 mm，可見在地下室底板以下設(shè)置褥墊層可有效減少上部加載引起的隧道變形。08-30地塊計算模型如圖11所示，地上結(jié)構(gòu)加載引起隧道豎向位移如圖12所示。

(a) 三維空間模型

(b) 地塊結(jié)構(gòu)與隧道空間關(guān)系圖11 08-30地塊計算模型

(a) 不設(shè)置褥墊層

(b) 設(shè)置褥墊層圖12 地上結(jié)構(gòu)加載引起隧道豎向位移

2.3 惠民路高架橋改隧與盾構(gòu)隧道相互影響分析

為改善城市交通，惠民路高架橋遠(yuǎn)期將改為隧道，為保證其實施的可行性，需先期完成市政隧道與地鐵5號線交叉段范圍的施工，再實施地鐵盾構(gòu)穿越。

市政隧道與地鐵區(qū)間以70°夾角平面相交，交叉范圍長約為49.0 m，寬約為44.4 m，深約為11.0 m，市政隧道實施范圍內(nèi)的地鐵隧道埋深約為13.0 m，兩者豎向凈距約為2.0 m。市政隧道基坑采用鉆孔灌注樁+高壓旋噴樁止水帷幕；地鐵盾構(gòu)隧道下穿區(qū)域采用咬合樁，并在市政隧道結(jié)構(gòu)底以下1 m至樁底范圍采用玻璃纖維筋，基坑豎向設(shè)置1道混凝土支撐+2道鋼管支撐?？紤]盾構(gòu)隧道與市政隧道豎向凈距較小，為減少兩者之間的相互作用，在隧道影響范圍內(nèi)的市政隧道下方設(shè)置攪拌樁加固。高架橋改造隧道與地鐵隧道平面關(guān)系如圖13所示，高架橋改造隧道與地鐵隧道剖面關(guān)系如圖14所示。

圖13 高架橋改造隧道與地鐵隧道平面關(guān)系

圖14 高架橋改造隧道與地鐵隧道剖面關(guān)系

高架橋改造隧道完成后，針對地鐵盾構(gòu)隧道在加固體中穿過對既有市政隧道的影響，以及后期市政隧道通車時豎向行車荷載引起的地層沉降對地鐵隧道的影響進(jìn)行模擬分析，分析結(jié)果表明：考慮地基加固作用，盾構(gòu)下穿引起的市政隧道豎向最大位移約為1.3 mm，后期市政隧道運(yùn)營時行車荷載引起的隧道豎向最大位移僅為1.4 mm，相互影響均在結(jié)構(gòu)允許范圍內(nèi)?；菝窀呒苡嬎隳Ｐ腿鐖D15所示，盾構(gòu)下穿引起市政隧道豎向位移如圖16所示，市政隧道行車荷載引起隧道豎向位移如圖17所示。

圖15 惠民高架計算模型

圖16 盾構(gòu)下穿引起市政隧道豎向位移

圖17 市政隧道行車荷載引起隧道豎向位移

根據(jù)《南京市軌道交通條例》的規(guī)定，長江沿岸、秦淮河沿岸等地質(zhì)條件復(fù)雜、存在安全隱患的漫灘地區(qū)，軌道交通結(jié)構(gòu)外邊線外側(cè)15 m內(nèi)為軌道交通特別保護(hù)區(qū)。在特別保護(hù)區(qū)內(nèi)，除必需的市政、園林、環(huán)衛(wèi)、人防工程以及經(jīng)規(guī)劃批準(zhǔn)或依法辦理許可手續(xù)對現(xiàn)有建筑進(jìn)行改建、擴(kuò)建的建設(shè)工程外，不得進(jìn)行其他建設(shè)活動。本文對南京地鐵5號線下關(guān)站～建寧路站區(qū)間下穿項目進(jìn)行分析并提出了相關(guān)措施，經(jīng)驗證，這些措施能在保證地鐵施工安全的前提下保障地塊及市政項目的實施，同時也避免了因地鐵盾構(gòu)隧道實施之后需退讓 15 m 導(dǎo)致的城市開發(fā)空間損失，有效節(jié)約空間約3.4萬m2。

3 結(jié)語

本文結(jié)合南京地鐵5號線下關(guān)站～建寧路站區(qū)間下穿3個項目的實際案例，針對因施工時序?qū)е陆?gòu)筑物與盾構(gòu)隧道產(chǎn)生的作用關(guān)系，分別采取不同措施并對其進(jìn)行計算、模擬分析和對比驗證，得出以下結(jié)論：

(1) 在軟土地區(qū)，對后續(xù)有規(guī)劃地鐵盾構(gòu)隧道下穿的建構(gòu)筑物，若隧道上方結(jié)構(gòu)荷載較小，可通過設(shè)置地基加固來改善土體性質(zhì)，控制盾構(gòu)下穿對既有建構(gòu)筑物的影響。

(2) 若隧道上部結(jié)構(gòu)荷載較大，可通過設(shè)置樁基承載豎向荷載，同時設(shè)置隔離樁和地基加固減小盾構(gòu)掘進(jìn)引起的結(jié)構(gòu)豎向位移，經(jīng)驗證，地基加固可有效減少盾構(gòu)頂推力對側(cè)邊工程樁的影響。

(3) 在地下室筏板以下設(shè)置褥墊層，可降低筏板以下土體的荷載承擔(dān)比，減少因上部結(jié)構(gòu)加載引起的地層沉降，從而有效控制上部結(jié)構(gòu)施工引起的隧道變形。