淺埋暗挖法隧道下穿既有建筑物施工技術(shù)研究

劉岸昆 孫杰

(1 四川沿江宜金高速公路有限公司；2 川雅蓉辰建設(shè)工程有限公司)

淺埋暗挖法是王夢恕提出并在北京地鐵上成功運(yùn)用的一種施工技術(shù)，此項(xiàng)技術(shù)是指在接近地面的條件下，對各類地下空間進(jìn)行不同形式隧道的開挖。通過近年來的實(shí)踐和應(yīng)用，淺埋暗挖法在隧道建設(shè)中取得了較為顯著的進(jìn)展。伴隨著我國大、中型城市地鐵建設(shè)的迅猛發(fā)展，在使用淺埋暗挖法進(jìn)行施工的過程中，經(jīng)常會遇到下穿建筑物的情況，因此也會產(chǎn)生越來越多的施工難題。例如在施工過程中，要對地表沉降進(jìn)行控制、要對既有建筑物沉降進(jìn)行控制，還要對其進(jìn)行保護(hù)，這也給地鐵的設(shè)計(jì)和施工帶來了巨大挑戰(zhàn)。在隧道下穿既有建筑的工程中，如何確保既有建筑的安全使用，是工程建設(shè)的起點(diǎn)，也是問題的終極目的。特別是隧道下穿了各種建筑物，包括：高層建筑、城墻等，要想保證其正常運(yùn)營，關(guān)鍵還在于對沉降的控制和支護(hù)方法的選擇。

土體與既有結(jié)構(gòu)的沉降與變形，與許多因素有關(guān)，如：埋設(shè)深度、預(yù)先支護(hù)方法、既有結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)型式、加固措施等。當(dāng)前，科研人員已對新建隧道與既有結(jié)構(gòu)間的間隔進(jìn)行了大量的研究，但對于新建隧道上下間隔對既有結(jié)構(gòu)的影響尚不明確。為實(shí)現(xiàn)此項(xiàng)技術(shù)在工程項(xiàng)目中的推廣使用，本文將在此次研究中，以淺埋暗挖法為例展開研究。

1 工程概況

本次研究的標(biāo)段隧道為平面線形隧道，隧道的左洞與右洞平面布置型式如表1所示。

表1 隧道平面線形參數(shù)

隧道穿越段巖體為灰?guī)r，中～微風(fēng)化帶巖體完整性較好，據(jù)調(diào)查，節(jié)理裂隙發(fā)育，寬度大小不一，連通性較好，巖體滲水性較強(qiáng)。使用滲透法，進(jìn)行隧道涌水量的分析，預(yù)測該隧道一般涌水量為4151m3/d，場地內(nèi)降水主要集中在6 月～10 月，占全年降雨量的80%以上，建議隧道最大涌水量為6227m3/d。

在進(jìn)行隧道縱面線形設(shè)計(jì)時，考慮到車輛在其中行駛的安全性，確保隧道在投入使用后的安全性，需要進(jìn)行各個隧道縱面參數(shù)的分析，具體內(nèi)容見表2。

表2 各個隧道縱面參數(shù)

2 隧道實(shí)體幾何模型構(gòu)建

結(jié)合上述概況，在構(gòu)建隧道實(shí)體幾何模型時，進(jìn)行以下假設(shè)：第一，假設(shè)所有土層為各向同性、均質(zhì)。第二，在模型計(jì)算的過程中，初始地應(yīng)力僅代入土體自身的應(yīng)力和既有建筑物的自重。第三，假設(shè)在進(jìn)行隧道施工前，其下穿的既有建筑物處于良好穩(wěn)定狀態(tài)[1]。針對巖土地層的模擬，采用實(shí)體單元用以模擬隧道實(shí)體結(jié)構(gòu)。在建模時，設(shè)計(jì)位移邊界條件、應(yīng)力邊界條件和自重條件。為簡化模型計(jì)算，既有建筑物的荷載看作均布荷載，計(jì)算簡圖如圖1所示。

圖1 計(jì)算簡圖

在應(yīng)力場中，自重應(yīng)力在豎直方向上和橫直方向上均有分布，但橫直方向始終小于豎直方向上的最大值，且其值隨埋設(shè)深度呈線性增大[2]。在地下任一深度H的表面上，垂向壓力與覆蓋層的自重相等，其計(jì)算公式為：

式中：σy代表垂直方向上的應(yīng)力，γ代表上覆巖體的容重，H代表巖土體的埋深，σx代表水平方向上的應(yīng)力，ν代表泊松比。綜合考慮各方面因素，模型實(shí)體的寬度取隧道最大洞徑的5 倍，實(shí)體高度取最大洞徑的4倍，開挖長度取100m[3]。圖2為隧道實(shí)體幾何模型。

圖2 隧道實(shí)體幾何模型

3 淺埋暗挖法隧道下穿既有建筑物施工

3.1隧道開挖與爆破

結(jié)合上述構(gòu)建的隧道實(shí)體幾何模型，引入淺埋暗挖法，對隧道下穿既有建筑物施工方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。在隧道開挖時，要根據(jù)隧道的埋深、圍巖的穩(wěn)定性和洞室的尺寸等因素來選擇合適的開挖方式。左、右兩條線路同時開挖時，兩個工作面的縱向間距要合理，不能小于30m[4]。在隧道未完全貫通之前，在工作面間距不超過40m 的情況下，要加強(qiáng)聯(lián)絡(luò)，統(tǒng)一指揮；如果間距不超過15m，則必須從一頭開始挖通。隧道開挖截面的尺寸要與設(shè)計(jì)相一致，并要留出足夠的變形空間，開挖截面應(yīng)該以包含預(yù)留變形量在內(nèi)的設(shè)計(jì)輪廓為基準(zhǔn)，并根據(jù)貫通測量誤差、施工誤差等因素進(jìn)行適當(dāng)?shù)臄U(kuò)大。

在鉆爆過程中，炮眼布置、炮眼個數(shù)、炮眼深度、炮眼傾角、藥量及藥眼結(jié)構(gòu)、起爆方式及起爆次序等是鉆爆設(shè)計(jì)中必須考慮的問題[5]。因此，在進(jìn)行爆破時，必須嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)圖進(jìn)行爆破，并根據(jù)爆破結(jié)果對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行及時調(diào)整。爆破應(yīng)該使用光面爆破，其參數(shù)應(yīng)該按照工程相似方法或現(xiàn)場試驗(yàn)來決定，在軟巖中爆破，周眼孔的距離應(yīng)該控制在40cm 之內(nèi)，在中硬巖層中，周眼孔的距離不應(yīng)該超過50cm。

在軟弱圍巖條件下，巷道爆破后，周圍巖石基本穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)大范圍的片幫和垮塌現(xiàn)象；爆破后，圍巖受影響深度不超過1m；洞中拱頂離掌子面1倍直徑的垂向振動速度，不能超過50mm/s。在中、硬巖層的巷道中，巷道內(nèi)的圍巖是比較穩(wěn)固的，基本上沒有出現(xiàn)片幫；爆破后，圍巖受擾動深度均在0.8m 以下；洞室拱頂在離開挖面1 倍直徑的水平方向上，其豎向振動速度不超過80mm/s[6]。硬巖巷道經(jīng)爆破處理后，周圍巖層穩(wěn)固，不出現(xiàn)崩塌；爆破后，圍巖受擾動深度不超過0.5m；在距離開挖面1 倍的隧道直徑下，隧道拱頂?shù)拇瓜蛘駝铀俣炔荒艹^120mm/s。圖3為隧道開挖、爆破實(shí)景圖。

圖3 隧道開挖、爆破實(shí)景圖

3.2二次襯砌與仰拱填充

仰拱開挖完成后建議使用三維激光掃描儀對開挖斷面進(jìn)行掃描并與設(shè)計(jì)斷面進(jìn)行對比，并做好詳細(xì)記錄備查。以確保仰拱開挖深度滿足設(shè)計(jì)要求。在二次襯砌施工中，首先要澆注仰拱，再豎起模板，在拱部澆注混凝土。仰拱在施工過程中，必須采用模架整體澆筑，不得分段澆筑，并在施工過程中應(yīng)用自行式棧橋?；娱_挖應(yīng)做到圓滑平整，不得出現(xiàn)欠挖現(xiàn)象，超挖部位應(yīng)采用同等級的混凝土進(jìn)行回填。在仰拱和底板澆筑混凝土之前，必須清除基礎(chǔ)上的虛碴，雜物，積水等[7]。仰拱回填材料為C20 混凝土，并在仰拱回填完成后進(jìn)行。在仰拱（含填充）和底板混凝土的強(qiáng)度達(dá)到5MPa 后，行人才能通過，在達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的100%后，車輛才能直接通過。二次襯里的鋼筋必須按照設(shè)計(jì)進(jìn)行綁扎和定位，保護(hù)層的凈厚不得低于5cm，但不得超過8cm，以確保鋼筋有足夠的受力。環(huán)向主筋在焊接時，必須使用雙面搭接焊接，搭接長度至少5d（d為鋼筋的直徑），如圖4所示。

圖4 二次襯砌鋼筋綁扎現(xiàn)場實(shí)景圖

建議采用帶液位繼電器防脫空報警裝置的智能化二襯臺車。根據(jù)液位繼電器、觸壓導(dǎo)電原理，將感應(yīng)線頭提前與拱頂中線最高點(diǎn)位間隔固定（12m 臺車一般安裝4～5 組），二襯封頂砼灌滿接觸感應(yīng)線頭導(dǎo)電后可實(shí)現(xiàn)聲光報警，與拱頂RPC 管帶模注漿工藝共同防止拱頂脫空。

3.3既有建筑物保護(hù)

為了實(shí)現(xiàn)對隧道開挖時隧道周圍地層沉降量的控制，確保既有建筑物在隧道推進(jìn)中不會由于不均勻沉降而出現(xiàn)結(jié)構(gòu)破壞，根據(jù)既有建筑物的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和地質(zhì)構(gòu)造條件，采用既有建筑物主動注漿加固的方式[8]。圖5為預(yù)注漿平面示意圖。

圖5 預(yù)注漿平面示意圖

采用主動注漿的方式對淺埋暗挖隧道下穿的既有建筑物進(jìn)行加固，對建筑物基礎(chǔ)下的持力地層進(jìn)行注漿，增加承受建筑物荷載的持力地層面積和強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)對不均勻沉降的控制。

4 施工動態(tài)分析

在一條穿越既有建筑物的淺埋暗挖隧道工程中，一般情況下，要以隧道開挖方案、沿線環(huán)境等為依據(jù)，采用不同的測量儀器，對易發(fā)生沉降、變形的關(guān)鍵部位進(jìn)行動態(tài)測量。通過對這些測量數(shù)據(jù)的整理，得到圍巖變形收斂值和拱頂?shù)某两抵?，研究其變化過程和規(guī)律，并與有關(guān)規(guī)范進(jìn)行比較，判斷是否超過容許值。若超出范圍，則應(yīng)通過現(xiàn)場調(diào)查，并依據(jù)隧道的施工計(jì)劃加以調(diào)整，直至滿足要求為止；若未超出，則表示設(shè)計(jì)的施工方法是可行的，對施工計(jì)劃不作任何處理。通過這種比較，保證隧道的高效施工，對施工進(jìn)度、質(zhì)量和安全進(jìn)行合理地控制，將施工事故的發(fā)生概率降低到最小。監(jiān)測項(xiàng)目見表3。

表3 施工動態(tài)監(jiān)測項(xiàng)目

對應(yīng)的地表沉降監(jiān)測、建筑物沉降監(jiān)測點(diǎn)埋設(shè)方式見圖6、圖7。

圖6 地表沉降監(jiān)測點(diǎn)埋設(shè)方式（將鋼筋頭低于路面5mm，標(biāo)記為監(jiān)測點(diǎn)）

圖7 建筑物沉降監(jiān)測點(diǎn)埋設(shè)方式（用基本水準(zhǔn)點(diǎn)作為單點(diǎn)引測）

按照上述方式，采集監(jiān)測數(shù)據(jù)，當(dāng)沉降數(shù)據(jù)變化穩(wěn)定后，進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)與整理，發(fā)現(xiàn)地表沉降在監(jiān)測第7 天趨近于穩(wěn)定，總下沉量為2.4mm；未發(fā)生隆起現(xiàn)象，因此，施工地表監(jiān)測中的隆起值為0。對建筑物沉降進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，未發(fā)現(xiàn)有墻體開裂現(xiàn)象，建筑物監(jiān)測數(shù)值為0。

5 結(jié)束語

目前，相關(guān)淺埋暗挖法的研究已經(jīng)相對成熟，但由于此項(xiàng)施工技術(shù)在投入使用后所引起的地層移動、對周圍建筑影響，仍無法完全消除，因此，在地下穿越既有建筑物時，如何保證周邊建筑物和管線的安全運(yùn)行，是目前亟待解決的問題。針對此方面問題，本文開展了此次的研究，并在施工中，從地表沉降與建筑物沉降兩個方面，進(jìn)行了施工行為的動態(tài)監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果可以看出，由于施工行為的擾動，隧道地表出現(xiàn)了一定程度的下沉，但并未隆起，建筑物也未發(fā)現(xiàn)沉降。但在將沉降數(shù)據(jù)與控制標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對比后發(fā)現(xiàn)，地表最大下沉量小于30mm，建筑物最大沉降小于15mm，即此項(xiàng)施工技術(shù)滿足要求，不會對建筑物與地表造成較大的影響，可以按照預(yù)設(shè)方案進(jìn)行施工。