淺埋大跨度地鐵隧道下穿高層建筑施工控制研究*

許 軍 彭 軍

（重慶工程職業技術學院建筑工程學院，402260，重慶∥第一作者，副教授）

淺埋大跨度地鐵隧道下穿高層建筑施工控制研究*

許 軍 彭 軍

（重慶工程職業技術學院建筑工程學院，402260，重慶∥第一作者，副教授）

淺埋大跨度地鐵隧道近距離下穿高層建筑，容易造成隧道圍巖偏壓失穩、建筑物基礎不均勻沉降等現象。以青島地鐵隧道近距離下穿高層建筑為工程依托，選用數值計算結合現場監測的方法，研究了地鐵區間隧道施工過程的圍巖變形特性及建筑物基礎穩定性，并提出了相應的施工控制措施。研究表明：下穿隧道采用三臺階法開挖+超前注漿加固+及時施做初期支撐的施工控制技術，隧道拱頂變形與建筑物基礎沉降差異均能滿足安全要求；下穿隧道采用三臺階法開挖時的沉降數據表明：上臺階開挖是控制地層變形與建筑物差異沉降的關鍵步驟，施工時要及時施做后期支護，盡早做到閉合成環。

淺埋大跨度地鐵隧道；下穿建筑物；施工控制；數值分析；現場監測

Author＇s address Institute of Architectural Engineering，Chongqingpolytechnic College，402260，Chongqing，China

近年來，隨著國內各大城市地鐵建設的蓬勃發展，區間隧道下穿市區高層建筑的情況也愈發頻繁，受建筑物超載偏壓、建筑基礎應力集中、隧道近距離開挖擾動劇烈等因素的影響，極易引起圍巖偏壓失穩、地表建筑物不均勻沉降、地基基礎傾斜開裂等工程事故［1-3］。

關于隧道下穿建筑物圍巖穩定性分析及建筑物安全控制等方面的研究已經取得了較為豐富的成果。文獻［4］鑒于土體劣化與結構剛度對地表沉降的作用，通過數值計算分析，研究了下穿建筑物段地表沉降的變化規律；文獻［5］以昆明軌道交通盾構區間為例，對地鐵隧道下穿站臺無柱雨棚的施工風險進行了綜合分析，并提出規避風險的措施；文獻［6］通過建立小凈距隧道下穿既有建筑物的三維數值力學模型，研究了建筑樁基的變形特性、圍巖塑性區分布和襯砌力學響應；文獻［7］揭示了隧道下穿施工引起的地表建筑物的變形規律及破壞模式，建立了建筑物開裂和沉降之間的關系，并優化了施工方法與支護參數；文獻［8］通過數值模擬分析了淺埋隧道采用CRD（中隔墻加臺階工法）下穿建筑物的沉降規律，提出了多種施工輔助措施，確保了下穿施工安全；文獻［9］研究了區間隧道開挖對地上結構基礎沉降和地層應力的反映，發現結構基礎受隧道開挖擾動會出現顯著的應力突變現象，相應圍巖出現應力集中。

上述研究成果對隧道下穿建筑物沉降分析及穩定性控制具有重要指導作用，但對于淺埋大跨度隧道近距離下穿高層結構的施工控制及穩定性分析的研究還不成熟。本文以青島地鐵下穿山東出入境檢驗檢疫局高層建筑為依托，采用數值模擬結合現場監測的方法，分析了淺埋大跨度隧道施工過程的圍巖穩定性及建筑物基礎變形分布特性，提出了相應的施工控制措施，確保了下穿隧道施工的安全穩定。

1　工程概況

青島地鐵3號線火車站—大學路站區間隧道起訖里程為K0+215.2～K1+410.8，選用單洞雙線暗挖斷面、馬蹄形復合襯砌結構。該區間段地面交通流量大，沿線建筑物分布密集。其中，高層建筑物主要有人民會堂、偉東尚城、出入境檢疫局等，其建筑結構安全等級高，對地面變形控制要求嚴格。

山東出入境檢驗檢疫局為框架剪力墻結構，地上27層，層高均為3.3 m，地下2層，層高分別為5.0 m、3.7 m，基礎形式為獨立柱筏板基礎。隧道施工至該段時近距離穿過建筑物基礎，拱頂距建筑物基礎底面垂直凈距11.3 m，邊墻距建筑物基礎水平凈距約為0 m。隧道下穿段地質情況及其相對位置如圖1所示。

圖1　隧道地層分布及其與建筑物的相對位置

區間隧道下穿建筑物段，地貌形態為山前侵蝕堆積坡地，圍巖主要為第四系及強-微風化花崗巖，其中以微風化巖為主，圍巖級別為Ⅱ～Ⅲ級。地下水主要為基巖裂隙水，含量不豐富。下穿段隧道采用鉆爆法施工，錨噴支護，復合式襯砌。

2　下穿建筑物施工控制措施

由于淺埋大跨度隧道近距離下穿高層建筑時，受建筑物超載偏壓、隧道近距離開挖擾動劇烈等因素的影響，極易造成隧道圍巖偏壓失穩、地表建筑物不均勻沉降、地基基礎傾斜開裂等工程事故。因此，制定合理可靠的施工方法與加固措施對確保建筑物穩定及下穿隧道施工安全具有重要作用。

以控制隧道圍巖變形及建筑物基礎不均勻沉降為目標，則下穿隧道采用的加固措施包括：

（1）隧道采用三臺階法開挖。每步開挖后立即施做初期護支，盡早封閉成環，避免隧道的變形發展。

（2）隧道拱頂施做超前支護。下穿段采用3 m長的φ42 mm超前小導管，其環距0.4 m，排距1.5 m，并在掌子面前方做好超前注漿加固，以提高地層剛度。隧道開挖后，應做好背后補償注漿。

（3）初期支護采用錨網噴支護。其中，錨桿采用3 m長的φ22 mm螺紋鋼，以間距1.0 m×1.0 m梅花形布置，鋼筋網為φ8@200 mm×200 mm；混凝土為200 mm厚C25噴射混凝土。

（4）二次襯砌為600 mm厚C45現澆鋼筋混凝土，以確保隧道及建筑物的長期穩定。

3　數值模擬分析

3.1建立計算模型

建立隧道下穿建筑物段的穩定性分析計算模型。模型尺寸（x×y×z）為120 m×60 m×60 m，邊界條件為上邊界采用自由面，四周受水平約束，底面為豎向約束。圍巖選擇Mohr-Coulomb彈塑性屈服準則，初期支護、二次襯砌均選擇實體彈性模型，錨桿選擇cable單元，超前支護通過提高其加固圈圍巖性質來近似模擬。建立的數值計算模型如圖2所示。模型物理力學參數如表1所示。

3.2計算結果分析

隧道開挖后，圍巖及基礎結構的沉降變形分布及塑性區發展情況特征明顯。

3.2.1圍巖位移分析

圖3為隧道開挖后地層的豎向變形云圖，可以看出：①隧道最大沉降值為10.4 mm，出現在隧道拱頂處，地表最大沉降為6.2 mm，出現在建筑物邊緣處；②隧道左右兩側地層沉降表現出明顯的不對稱性，圍巖變形偏向于有建筑物的一側。這說明建筑物所產生的超載作用促使圍巖變形加劇，其沉降量增幅與建筑物自重有關。

表1　模型物理力學參數表

圖2　數值計算模型圖

圖3 隧道圍巖豎向變形云圖

圖4為隧道不同施工步驟下的地表沉降曲線，分析發現：①地表沉降槽最大值出現在建筑物左側邊緣處，隧道中心至建筑物邊緣區域是地層變形最大的區域，這是由于該區域受建筑物超載偏壓與隧道開挖擾動的共同影響，故圍巖應力場變化劇烈；②隨著施工的進行，地層沉降逐漸增大，各施工步驟的地表最大沉降依次為3.26 mm、5.14 mm、5.96 mm、6.13 mm，分別占總沉降的53.2%、30.6%、13.4%，2.8%，上臺階與中臺階所占比重較大，這說明上臺階與中臺階開挖是地層變形控制的關鍵步序，施工時要及時施做初期支護，并盡早做到閉合成環。

圖4　隧道不同施工步驟下的地表沉降曲線

3.2.2圍巖塑性區分析

圖5為不同施工步驟下的圍巖塑性區分布圖，可以看出；①隧道圍巖的塑性區主要分布在右側拱肩與拱腳部位，該區域受建筑物超載偏壓的作用，圍巖應力場變化劇烈，隧道開挖后容易形成剪切塑性與拉伸塑性破壞，施工過程中應重點提高該區域的支護強度，及時進行注漿加固；②隨著三臺階法的施做，圍巖塑性區逐漸向拱腳及拱底方向發展，施做二次襯砌后，圍巖又恢復到彈性狀態，這說明該施工工法能夠保證隧道圍巖的穩定性。

3.2.3建筑物沉降變形分析

圖6為隧道開挖后的建筑結構的豎向變形云圖，可以看出；①隨著隧道的開挖，建筑物基礎底部土層受擾動影響，地基承載力降低，靠近隧道一側的地基變形劇烈，引起建筑物表現出明顯的不均勻沉降；②高層建筑表現出結構整體向隧道方向傾斜的趨勢，其最大變形出現在結構頂部，量值為18.01 mm。

圖5　隧道不同施工步驟下的圍巖塑性區分布情況

圖6 隧道開挖后建筑物不均勻沉降云圖

圖7為不同施工步驟下的建筑物基礎沉降曲線，分析發現：①隧道開挖前，基礎沉降呈現平緩的拋物線趨勢，最大沉降出現在基礎中心處，兩側呈對稱分布，最大沉降差（基礎中心與邊緣）為0.86 mm，結構基礎整體平穩安全。②隨著隧道的開挖，基礎左側沉降明顯大于右側沉降，差異沉降逐漸增大，各施工步驟的最大沉降差（基礎左邊緣與右邊緣）依次為3.13 mm、4.93 mm、5.86 mm、6.01 mm，分別占總沉降差的52.1%、29.9%、15.5%， 2.5%，可見，上臺階開挖所引起的基礎差異沉降最大。這是由于上臺階開挖打破了建筑物的初始應力場，對隧道與基礎間的土體產生了較大擾動，致使靠近隧道側的土體穩定性大幅下降，從而造成了該側基礎變形較大，引起基礎不均勻沉降。③隧道開挖后，建筑物基礎的最大差異沉降為6.01 mm，傾斜率為0.17%，遠低于文獻［3］提出的有關建筑物傾斜1.2%的預警值和文獻［7］規定的高層建筑整體傾斜率為2.5%（60 m＜建筑高度≤100 m時）的允許值。這說明該施工加固控制技術能夠確保建筑結構的安全性。

圖7　隧道不同施工步驟下的建筑物基礎沉降曲線

4　建筑物實測分析

在下穿隧道施工過程中，對該既有高層建筑進行地表沉降實時監測，整理分析得到的現場監測數據如圖8所示。

圖8　建筑物測點布置及地表沉降監測

由圖8可知：①隨著下穿隧道的不斷推進，建筑物四周的地表沉降呈現不同的變化趨勢，靠近隧道一側的A、C點沉降顯著，而遠離隧道一側的B、D點沉降基本保持平穩。這說明隧道開挖引起基礎近端地層擾動劇烈，基礎沉降增大，而基礎遠端與隧道距離超過3倍隧道直徑，基本不受開挖擾動影響。②建筑物現場監測的最大差異沉降（基礎近端與遠端之差）約為5.67 mm，與未施做二次襯砌時的數值模擬值5.86 mm吻合度較高。這證明了數值計算的合理性。

5　結論

通過對青島地鐵隧道近距離下穿高層建筑的數值模擬及現場監測分析，可得到以下主要結論；

（1）淺埋大跨度隧道近距離下穿高層建筑，受建筑物超載偏壓、隧道近距離開挖擾動劇烈等因素的影響，容易造成隧道圍巖偏壓失穩、建筑物基礎不均勻沉降等現象，故制定合理可靠的施工方法與加固措施對確保建筑物穩定及下穿隧道施工安全具有重要作用。

（2）以控制圍巖變形及建筑物基礎不均勻沉降為核心指標，下穿隧道選取三臺階法開挖+超前注漿加固+及時施做初期支護的施工控制技術，數值計算及現場監測表明，隧道拱頂最大沉降為10.40 mm，建筑物基礎最大沉降差為5.67 mm，均滿足安全要求，表明該施工控制技術的合理性。

（3）隧道側穿建筑物，地表沉降槽最大值出現在建筑物靠近隧道側邊緣，隧道中心至建筑物邊緣區域是地層變形劇烈區域；下穿隧道采用三臺階法施工，上臺階開挖是控制地層變形與建筑物基礎差異沉降的關鍵步驟，施工時要及時施做初期支護，盡早閉合成環。

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Construction Control for Shallow-buried Large Span Metro Tunnel undercrossing High Buildings

Xu Jun，peng Jun

Thesituation of shallow-buried largespan tunnel undercrossing high buidings within close distance has drawn increasing attention，because it could cause the engineering disasters such as tunnel surrounding rock bias instability and building foundation uneven settlement.Based on the engineering practice of Qingdao metro tunnel undercrossing high buidings，the surrounding rock stability of tunnel and the deformation characteristics of building foundation have been researched by using numerical simulation and field monitorin data，corresponding construction control measures are put forward.The research shows that tunnel crown subsidence and building foundation differential settlement can meet the safety requirements when the construction control technology is used in the undercrossing tunnel，which includes three-step method excavation，advance grouting reinforcement and timely construction primary support.The maximum surface settlement caused by three-step method excavation shows that upper bench excavation is the key step to control the strata deformation and building differential settlement，so the primary support should be taken timely and the enclose lining be completed as early as possible.

shallow-buried large span metro tunnel；undercrossing building；construction control；numerical analysis；field monitoring

TU 433

10.16037/j.1007-869x.2016.03.020

*國家自然科學基金項目（51278511）

（2015-07-13）