張秀山

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司濟南設(shè)計院，濟南 250001)

城市中修建地鐵，過大的地面沉降將會給道路、地下管線及周邊建(構(gòu))筑物帶來嚴重影響，甚至造成巨大的人身和經(jīng)濟財產(chǎn)損失[1]。同時地鐵施工受地質(zhì)條件影響較大[2]，在第四系土層中的硬巖上浮段始終是風(fēng)險監(jiān)控的重點部位。以青島市地鐵3號線萬年泉路站—李村站區(qū)間為例，隧道從中風(fēng)化花崗巖逐漸過渡到富水上砂下巖的地層，且連續(xù)穿越既有建筑物，富水砂層中洞內(nèi)坍塌突水、巖層爆破開挖都會對隧道施工和地面建筑物帶來嚴重的安全隱患。研究隧道在富水上砂下巖特殊地質(zhì)條件下下穿建筑物合理施工工法[3-4]，提出合理變形控制措施，對保證建筑物安全、降低施工風(fēng)險有重要意義，并能取得較好的經(jīng)濟效益。

1 概述

1.1 工程概況

圖1 隧道下穿建筑物總平面

地鐵3號線是青島市建設(shè)的第一條地鐵線，線路在萬年泉路站—李村站區(qū)間向北下穿李村河后，沿京口路路側(cè)接入李村站。受地鐵2號線換乘站站位及線路平面曲線要素等因素制約，區(qū)間連續(xù)穿越6幢建筑物(圖1)。建筑物均建于20世紀90年代，使用功能不同，涉及產(chǎn)權(quán)人眾多，拆遷難度大。最終提出房屋不拆遷且能保證建筑物在隧道整個施工期間正常營業(yè)基本要求。

既有建筑物基礎(chǔ)落在粉質(zhì)黏土層，地基軟弱，地基承載力特征值僅140 kPa，失水易沉降?；着c隧道之間豎向凈距約10 m；隧道為馬蹄形斷面，拱部由中風(fēng)化巖層逐漸進入砂層，直至上半斷面為砂層、下半斷面為巖層的狀態(tài)。砂層含水量大，與李村河存在水力聯(lián)系，開挖易引起洞內(nèi)坍塌、突水，進而引起地表塌陷及建筑物破壞，施工風(fēng)險極大。

1.2 房屋鑒定結(jié)論

既有房屋基礎(chǔ)資料嚴重缺失，沒有竣工驗收變形數(shù)據(jù)及服役期內(nèi)沉降監(jiān)測記錄，僅從規(guī)范和結(jié)構(gòu)概念入手，無法給出建筑物科學(xué)的沉降控制指標[5]。第三方鑒定評估單位對地面建筑物的結(jié)構(gòu)類型、基礎(chǔ)形式、現(xiàn)有質(zhì)量狀況等方面進行了鑒定：房屋安全性等級為Bsu級，有極少數(shù)構(gòu)件需采取措施；并給出了房屋的累計沉降量及沉降差(相鄰兩框架柱間或相距10 m兩測點的沉降差)控制標準(表1)，同時要求爆破控制振速均小于1.0 cm/s。

表1 區(qū)間下穿建筑物控制標準

1.3 水文地質(zhì)

隧道下穿建筑段地層上部覆蓋較淺素填土，向下依次為粉質(zhì)黏土、粗砂、強風(fēng)化花崗巖夾層、中風(fēng)化花崗巖、微風(fēng)化花崗巖(圖2)，地層物理力學(xué)參數(shù)詳見表2。建筑物基礎(chǔ)下的粉質(zhì)黏土為褐～黃褐色，可塑，具中等壓縮性，韌性一般、結(jié)構(gòu)性較好，含少量粗砂顆粒。隧道穿越的粗砂層為褐黃色，飽和，中密～密實，主要礦物成分為長石、石英，含5%黏性土，含有較多角礫、碎石。場區(qū)地下水豐富，主要有松散土層孔隙水及基巖裂隙水兩種，受李村河影響，地下水有豐富的補給來源。

圖2 隧道下穿建筑段地層地質(zhì)縱剖面

表2 土層物理力學(xué)參數(shù)

2 設(shè)計方案

2.1 方案的選擇

針對下穿建筑物段在隧道工法選取上有礦山法、盾構(gòu)法、凍結(jié)法。盾構(gòu)法施工安全，作業(yè)環(huán)境好，但地層上軟下硬[6-7]，施工時易出現(xiàn)砂層及地下水流失，引起房屋較大的不均勻沉降；受地面建筑物影響，對砂層預(yù)加固困難。凍結(jié)法形成的凍結(jié)帷幕剛度大，控制變形好[8-9]；但圍巖凍融會引起建筑物的沉降變形，且凍結(jié)帷幕受爆破振動影響大，宜發(fā)生開裂突水現(xiàn)象。礦山法對地層有較強的適應(yīng)性和高度靈活性，特別是在城市地鐵修建方面，以改造地質(zhì)條件為前提，以控制地表沉降為重點，我國已經(jīng)積累了豐富的理論和實踐經(jīng)驗[10-11]。

結(jié)合下穿建筑物段的工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件，在洞內(nèi)對富水砂層進行注漿，同時起到止水和加固地層雙重效果；加強初期支護，盡量減小地面沉降，可以把建筑物沉降控制在變形允許范圍內(nèi)。經(jīng)研究分析最終確定土巖分界面以上部分采用超前帷幕注漿方案。

2.2 砂層的止水和加固

隧道開挖過程中，在掌子面預(yù)先打設(shè)超前探孔，查明隧道前方及結(jié)構(gòu)外側(cè)富水砂層分布范圍，對遇到的富水砂層，及時進行注漿處理。

注漿采用WSS深孔注漿工藝，注漿范圍為掌子面及洞側(cè)外擴5.0 m的砂層；縱向循環(huán)注漿長度為10 m，每循環(huán)預(yù)留4.0 m止?jié){巖盤。漿液采用硫鋁酸鹽水泥、水玻璃漿液[12]。初始注漿孔間距為0.2～0.4 m，末端間距控制在1 m范圍內(nèi)；注漿壓力控制在0.5～0.8 MPa；先注外圈，再注內(nèi)側(cè)，通過添加外加劑調(diào)節(jié)凝結(jié)速度，防止?jié){液流失[13]。

每一注漿段注漿完成后，應(yīng)鉆孔取芯檢驗。要求每個掌子面鉆3～5個孔，觀察漿液填充是否均勻，且土體滲透系數(shù)小于10-4cm/s，強度大于0.4 MPa。若注漿未達到要求，應(yīng)進行補償注漿，以保證砂層注漿加固及止水效果[14]。

2.3 初期支護加強措施

隧道開挖前拱部120°范圍打設(shè)φ76 mm自進式管棚，長10 m，環(huán)縱間距400 mm×6 000 mm；打設(shè)φ42 mm超前小導(dǎo)管，長4 m，環(huán)縱間距400 mm×1 000 mm。開挖進尺控制在0.5 m以內(nèi)，格柵鋼架縱向間距500 mm，在拱腰位置每側(cè)采用2φ42 mm，L=3.5 m長鎖腳錨桿進行加強，初期支護采用C25混凝土濕噴，厚度300 mm。二襯采用C45、P10防水鋼筋混凝土，厚300 mm (圖3)。

圖3 隧道支護斷面(單位：mm)

2.4 巖層開挖控制措施

隧道下部中風(fēng)化花崗巖開挖采用弱爆破或靜爆破，做到“少裝藥、短進尺、弱爆破、輕擾動”，爆破振速嚴格控制在1.0 cm/s以內(nèi)，同時利用上半斷面砂層的開挖，形成爆破臨空面，減小對注漿加固體和上部土層的擾動[15]。在土巖交界面，增設(shè)注漿管，及時注漿堵水[16]。

2.5 建筑地面加固措施

萬隆商廈為隧道下穿的第一棟重要建筑，作為試點，在地面建筑物兩側(cè)斜向打設(shè)兩排剛性袖閥管，縱橫間距2 m×2 m，管長約22 m，覆蓋基礎(chǔ)底。袖閥管打設(shè)完成后、隧道穿越前先施做注漿一次，后續(xù)根據(jù)隧道施工及監(jiān)測情況進行建筑基底補償注漿。同時對建筑周邊及室內(nèi)布設(shè)監(jiān)測點，進行實時監(jiān)測。

3 模擬計算

區(qū)間隧道拱部由中風(fēng)化巖層逐漸進入富水砂層，根據(jù)建筑物位置和穿越砂層的厚度，選取兩種典型斷面建立模型進行計算分析，一種為上半斷面位于富水砂層、下半斷面位于巖層條件下穿中國銀行李村支行，另一種為拱頂上部位于富水砂層條件下穿萬隆商廈，重點研究隧道開挖過程中地表變形及隧道周邊圍巖應(yīng)力的變化規(guī)律[17-18]?？紤]到初襯施工完成后，圍巖變形趨于穩(wěn)定，施做二襯對隧道圍巖應(yīng)力分布和地面沉降的影響較小，因此數(shù)值模擬中不考慮二襯工況。

采用FLAC3D有限差分軟件建立模型進行數(shù)值模擬。參數(shù)取值方面，前期從地面進行了注漿加固實驗，在隧道開挖過程中也進行加固體取芯驗證，表明注漿砂層地質(zhì)參數(shù)明顯改善[19]：密度為2 100 kg/m3，黏聚力為60 kPa，內(nèi)摩擦角為37°，彈性模量為100 MPa，泊松比為0.26。

3.1 下穿中國銀行李村支行數(shù)值模擬計算

中國銀行李村支行為6層底框結(jié)構(gòu)，鋼筋混凝土條形基礎(chǔ)，平面位置在隧道右線上部。此處隧道上半斷面處在粗砂層，下半斷面為中風(fēng)化花崗巖，隧道覆土厚度為11.3 m。為了研究隧道施工引起地面沉降的變形規(guī)律，模擬按每次開挖0.5 m，然后施做初襯，如此反復(fù)循環(huán)，直至右線開挖至40 m；左線掌子面在右線開挖18 m后開始施工。提取右線開挖至6，12，18，24，30，36 m和40 m位置處計算結(jié)果進行分析。

右線為先行隧道，且在建筑物下部，提取右線隧道應(yīng)力進行分析(圖4、圖5)?？梢钥闯觯畲髩簯?yīng)力為4.29 MPa，產(chǎn)生在隧道中部的拱肩；最大拉應(yīng)力為4.57 MPa，產(chǎn)生在拱頂;掌子面均處于受壓狀態(tài)，最大壓應(yīng)力值為0.18 MPa。說明在加強初期支護的同時，也應(yīng)保證掌子面的穩(wěn)定。

圖4 右線隧道最小主應(yīng)力云圖(單位：Pa)

圖5 右線隧道最大主應(yīng)力云圖(單位：Pa)

提取各施工階段地表沉降曲線進行分析(圖6～圖8)，在左線隧道未開挖前其地表沉降很小，說明右線隧道開挖對左線地表沉降影響很小。之后隨著右線、左線隧道的同時開挖，地表沉降逐漸增大，差異沉降在建筑物變形控制要求以內(nèi)。由表3可以看出，隨著開挖距離的持續(xù)增大，地表變形將逐漸趨于穩(wěn)定，沉降值均在12.0 mm以內(nèi)，滿足既有建筑物總沉降控制值15.0 mm要求。

圖6 地表三維沉降曲線

圖7 右線隧道中心地表沉降曲線

圖8 左隧道中心地表沉降曲線

表3 施工階段地表最大沉降值

3.2 下穿萬隆商廈數(shù)值模擬計算

萬隆商廈為7層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，鋼筋混凝土條形基礎(chǔ)，平面尺寸39.6 m×55.6 m，跨越兩條隧道。隧道覆土厚度約為14.8 m，全斷面處在中風(fēng)化花崗巖中，拱頂上部為富水砂層。模擬按每次開挖0.5 m，直至右線開挖至40 m。相比中國銀行李村支行，隧道所處地層有所改善，右線隧道開挖12 m后便開始施工左線。提取注漿加固后右線隧道開挖至6，12，18，24，30，36 m和40 m位置處計算結(jié)果進行分析。

提取先行施工的右線隧道進行應(yīng)力分析(圖9、圖10)。隧道圍巖最大壓應(yīng)力值為7.24 MPa，出現(xiàn)在距洞口36 m拱腳處。最大拉應(yīng)力值為4.5 MPa，出現(xiàn)在隧道拱頂。掌子面始終處于受壓狀態(tài)，但壓應(yīng)力在安全范圍內(nèi)，拱腳處出現(xiàn)應(yīng)力集中，達到0.43 MPa，此時應(yīng)注意上臺階和下臺階襯砌施工的間隔時間。同時需要加強襯砌內(nèi)力監(jiān)測，以避免施工風(fēng)險。

圖9 右線隧道最小主應(yīng)力云圖(單位：Pa)

圖10 右線隧道最大主應(yīng)力云圖(單位：Pa)

提取各施工階段地表沉降曲線(圖11～圖13)，可以看出：左線隧道未開挖前其地表沉降很小，說明右線隧道開挖對左線地表沉降影響很小。之后隨著右線、左線隧道的開挖，地表沉降逐漸增大，差異沉降在建筑物變形控制要求以內(nèi)。由表4可以看出，隧道整個開挖過程地表整體沉降較小，滿足既有建筑物總沉降量控制要求。作為對比，不進行砂層注漿加固，數(shù)值模擬的地面沉降最大值為17.90 mm，說明針對富水砂層注漿加固，地表沉降的控制效果很好，可有效保證建筑物安全。

圖11 注漿加固地表三維沉降曲線

圖12 右線隧道中心地表沉降曲線

圖13 左線隧道中心地表沉降曲線

表4 施工階段地表最大沉降值

3.3 數(shù)值模擬結(jié)論

為了研究砂層加固效果和加固厚度的影響，現(xiàn)對每個施工階段的地面最大沉降值進行統(tǒng)計，并與注漿前模擬計算結(jié)果進行對比(圖14)，可以看出：

(1)對富水砂層注漿加固，可提高砂層的c、φ值，對控制建筑物的沉降效果明顯；

(2)隨著隧道范圍內(nèi)穿越砂層厚度的增加、巖層厚度的減少，地面沉降變形明顯增大，說明地面沉降主要由隧道洞身范圍內(nèi)砂層開挖引起。應(yīng)結(jié)合周邊環(huán)境和地質(zhì)條件適當加大隧道埋深，減小穿越砂層厚度。

圖14 各施工階段地面最大沉降值對比

4 施工監(jiān)測

洞內(nèi)加強初期支護的變形、凈空收斂及掌子面滲水監(jiān)測[20]；地面加強建筑物的沉降、傾斜監(jiān)測，由于建筑物處于正常使用狀態(tài)，在室內(nèi)設(shè)置自動監(jiān)測點，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果及時調(diào)整隧道開挖支護參數(shù)，確保上部建筑安全。

在施工期間，各測點變化趨勢較穩(wěn)定，建筑物一直處于正常使用狀態(tài)。注漿過程中，地表測點發(fā)生不均勻抬升，萬隆商廈最大抬升11.74 mm；臨近掌子面的測點有比較明顯變化，遠離注漿范圍各監(jiān)測點變化較穩(wěn)定。在隧道開挖通過期間，地表及建筑物發(fā)生較小的沉降，沉降量1～3 mm；建筑物累計變化量以隆起為主，后續(xù)對其他建筑物沒有采取地面加固措施，僅加強了監(jiān)控量測。隧道內(nèi)拱頂沉降和凈空收斂變化較小，變化量累計最大分別為4.5 mm和1.57 mm。

隧道開挖期間止水效果較好，開挖一段距離后，拱部出現(xiàn)較多滲水點。說明基巖反復(fù)的爆破開挖，引起了注漿體開裂。采用φ32 mm，長2 m徑向注漿管(環(huán)、縱間距為1.5 m×1.0 m)，進行初支背后注漿，較好解決了滲水問題，同時二次注漿加固圈可減小后期應(yīng)力重分布引起的地層變形。

5 結(jié)論

隧道施工期間，各監(jiān)測點變形均處于允許范圍內(nèi)，建筑物一直處于正常使用狀態(tài)，說明采取的工法可靠、有效，主要結(jié)論如下。

(1)隧道穿越上砂下巖地層，采用礦山法施工，洞內(nèi)對隧道輪廓外側(cè)5 m范圍采用深孔注漿，并加強支護措施，可以滿足建筑物沉降控制要求。

(2)根據(jù)隧道施工過程中地表及建筑物變形數(shù)據(jù)來看，注漿工藝的選擇適合本工程地層特點，而地表隆起值較大反映出注漿參數(shù)及工藝有優(yōu)化的空間。實測地表沉降變形值小于計算分析值，經(jīng)分析可能存在3個方面的原因：一是加固后的地層參數(shù)取值可能偏于保守；二是管棚超前加固措施有效隔離了隧道開挖引起上部土層變形；三是周邊圍巖對管棚以上地層的變形影響。

(3)鑒于此種地層條件下，爆破開挖振動波對加固后地層的土體質(zhì)量有一定影響，有必要進一步研究、優(yōu)化開挖工藝。