李梓亮 湯勁松 趙書銀 姜景雙

(1.石家莊鐵道大學土木工程學院，050043,石家莊；2.道路與鐵道工程安全保障省部共建教育部重點實驗室(石家莊鐵道大學)，050043,石家莊；3.中鐵十六局集團有限公司，100018,北京；4.中鐵十六局集團北京軌道交通工程建設有限公司，101100,北京 ∥ 第一作者，碩士研究生)

在城市中修建地鐵隧道時不可避免地會下穿建筑物或者建筑群。其中，砌體結構建筑物相比其他結構建筑物而言具有抗拉強度小、抗剪強度低和結構剛度弱等缺點。因此，盾構隧道下穿砌體結構房屋一直以來都是地鐵隧道施工過程中的重點和難點所在。

對于砌體結構建筑物而言，其對地基的不均勻沉降十分敏感，不均勻沉降會導致砌體結構房屋墻體發(fā)生撓曲，從而引起砌體結構建筑物開裂，尤其在墻體窗戶口、門洞等建筑物剛度相對較小的部位。文獻[1-10]將建筑物的沉降和局部傾斜作為判別盾構隧道下穿砌體結構房屋影響大小的標準，分析了盾構隧道施工對房屋的影響規(guī)律，但不足之處在于砌體結構建筑物的局部傾斜并不能直接反映盾構隧道下穿建筑物后結構的受力狀態(tài)，也不能判斷砌體結構房屋的結構安全性和正常使用功能。

本文采用MIDAS-GTS軟件對盾構隧道下穿砌體結構住宅群進行數值模擬，以砌體結構墻體最大拉應力增量作為評價指標，分析盾構隧道施工對砌體結構房屋的影響；提出適應盾構隧道下穿砌體結構房屋控制要求的地層加固措施；結合現(xiàn)場監(jiān)測數據，對加固效果進行了分析。研究成果可為后續(xù)地鐵隧道的建設提供一定的借鑒和參考。

1 工程概況

呼和浩特市軌道交通2號線一期工程呼和浩特站—公主府站區(qū)間隧道為單線雙孔隧道，分左、右兩條線。區(qū)間隧道采用盾構法進行施工，盾構機采用中國鐵建重工集團股份有限公司生產的2臺編號分別為269、270的土壓式平衡盾構機。刀盤直徑為6 440 mm，開口率為60%；盾構機主體長8 865 mm，盾尾間隙為30 mm。隧道管片采用C50預制鋼筋混凝土拼裝管片，管片直徑為6 200 mm，厚度為350 mm，每環(huán)管片寬1.5 m。

盾構隧道自公主府站始發(fā)，止于呼和浩特站，沿線下穿建筑物主要為道北三小區(qū)和道北二小區(qū)砌體結構住宅群。其中受盾構隧道施工擾動影響的建筑物約10棟，如圖1所示。由于數值模擬的局限性，本文選取房屋結構較弱、建成時間較長、離盾構隧道間距較小的道北三小區(qū)1號、4號、6號和9號居民樓進行分析。

圖1 盾構隧道與道北三小區(qū)砌體結構住宅群相對位置圖

道北三小區(qū)始建于20世紀90年代，結構設計為砌體結構，道北1號樓、4號樓和6號樓為地上3層，道北9號樓設計層數為5層，無地下室。1號樓、4號樓、6號樓和9號樓均采用一梯兩戶單元式結構設計，層高為2.8 m，單元長度為12.6 m，寬度為9.8 m。建筑物采用條形基礎，基礎底寬1.6 m，埋深為1.0 m。墻體為M10混合砂漿砌MU10燒結普通磚，房屋的現(xiàn)澆樓板、基礎均采用C20鋼筋混凝土材料。砌體結構房屋單元平面設計如圖2所示。

圖2 砌體結構房屋單元平面圖

根據前期地勘報告可知，區(qū)間隧道在下穿砌體結構建筑物時，主要穿越地層為圓礫和中砂地層。

2 砌體結構房屋安全控制標準

本工程中，由于道北二、三小區(qū)使用年限已久，且房屋老化嚴重，因此根據專家論證意見，對建筑物的沉降標準進行適當折減，嚴格控制砌體結構建筑物的沉降和局部傾斜。地表和建筑物的相關控制指標見表1。

表1 地表和建筑物的沉降標準

表1中的各指標均為現(xiàn)場施工過程中常用的評價建筑物安全性的指標。指標數據主要通過全站儀、卷尺等測量設備測得，具有簡單易得的優(yōu)點；但這些指標不能準確描述出此時建筑物結構的受力狀態(tài),以及盾構隧道施工對建筑物應力造成的影響。砌體結構房屋的墻體為薄弱結構，在地基的不均勻沉降作用下，易受到破壞，常在窗戶、門洞等部位出現(xiàn)裂縫，故以砌體結構墻體的抗拉強度設計值作為評價指標能夠更全面地評價建筑物的安全性。

本工程中道北三小區(qū)砌體結構房屋墻體采用M10混合砂漿和MU10燒結普通磚，根據GB 50003—2011《砌體結構設計規(guī)范》[11]中的相關規(guī)定，其彎曲抗拉強度為330 kPa。但考慮到道北三小區(qū)建成時間較長，建筑物結構老化嚴重，為此對墻體的彎曲抗拉強度設計值進行相應折減，以彎曲抗拉強度為250 kPa作為判斷砌體結構房屋墻體破壞的標準。

3 盾構隧道下穿住宅群數值模擬分析

3.1 模型的建立

考慮到隧道開挖空間效應的影響，在建模時采用以下原則：①模型長度自隧道左右兩側各取6倍的隧道直徑，且滿足建筑物邊緣與模型邊緣距離不小于30 m；②模型寬度取至建筑物外邊緣30 m；③在模型高度方面，隧道以上取至地表，隧道以下取3倍的隧道直徑。三維模型如圖3所示。整個模型尺寸為144 m×40 m×159 m(長度×高度×寬度)，共484 709個單元、287 637個節(jié)點。

圖3 三維數值計算模型

模型采用位移邊界條件，其中底部為固定邊界，限制其水平及垂直方向的位移；模型周圍限制水平方向的位移；模型上部取至地表，為自由邊界。

3.2 計算參數的確定

考慮到隧道的開挖卸載作用，本文對于建筑物基礎所在的素填土地層采用摩爾-庫倫本構關系，其余地層采用修正摩爾-庫倫本構關系。在修正摩爾-庫倫本構關系中，卸載模量的取值一般為彈性模量的3～5倍[12]，本文卸載模量取3倍的彈性模量。地層計算參數取值見表2。

表2 地層計算參數取值

建筑物、管片及注漿材料等構件，統(tǒng)一采用彈性模型。同時，考慮到管片接頭的拼裝影響，將管片的剛度按0.85的系數進行折減[13]。主要材料計算參數取值見表3。

表3 主要材料計算參數取值

3.3 盾構隧道施工過程模擬

按照現(xiàn)場實際施工，先開挖右線隧道再開挖左線隧道。

盾構隧道施工過程模擬步驟如下：①計算地層的初始應力，地層位移清零；②施加砌體結構建筑物荷載，位移清零；③鈍化隧道開挖土體，激活盾殼和支護壓力；④鈍化盾殼，激活管片和軟注漿液，開挖5環(huán)后將軟注漿液硬化為硬注漿液；⑤重復步驟③—步驟④,至2條隧道開挖完成。

3.4 計算結果分析

3.4.1 盾構隧道施工引起地層和建筑物位移分析

右線隧道施工結束后，地表及建筑物沉降放大變形如圖4所示。雙線隧道貫通后，地表及建筑物沉降放大變形如圖5所示。

圖4 右線隧道施工結束后地表及建筑物沉降放大變形圖

圖5 雙線貫通后地表及建筑物沉降放大變形圖

由圖4可知，右線隧道施工結束后，由于右線隧道側穿6號樓和9號樓，所以6號樓和9號樓的沉降變形較小，其中9號樓的最大沉降值比6號樓還要小，這是因為9號樓離右線隧道的距離比6號樓要遠。而對于1號樓和4號樓，由于4號樓為右線隧道側穿工況，且4號樓的一個角正好處于右線隧道的正上方，所以導致4號樓的最大沉降值比1號樓要大，沉降值最大的地方位于右線隧道正上方建筑物角點。

由圖5可知，雙線隧道貫通后，除了9號樓的沉降變形較小，其余建筑物的沉降變形均較大。這是因為對于9號樓而言，不論是右線隧道還是左線隧道，均不下穿9號樓，但盾構施工使其產生了傾斜。對于其余建筑物，由于左線隧道均為下穿情況，所以造成建筑物沉降變形較大。

3.4.2 砌體結構房屋墻體拉應力增量分析

對圖4和圖5中建筑物的沉降和墻體的最大拉應力增量進行提取匯總，如表4所示。本工程中隧道為曲線隧道，所以盾構隧道在下穿建筑物過程中，隧道中心線與建筑物中心線間距在不斷變化。因此，定義建筑物長度方向中心線與隧道中心線的交點到建筑物中點的距離為間距。至于隧道中心線與建筑物中心線的夾角這一因素，對于同一棟建筑物而言，隧道中心線與建筑物中心線的夾角不變，不同建筑物之間隧道中心線與建筑物中心線的夾角變化又不大，所以忽略隧道中心線與建筑物中心線夾角的影響，只分析間距不同時，盾構隧道施工對砌體結構建筑物造成的影響。

表4 建筑物與隧道位置參數和計算結果

對比分析表4中右線隧道施工結束后和雙線貫通后建筑物的沉降變化和墻體的最大拉應力增量可知：右線隧道施工結束后，建筑物沉降最大的為4號樓，砌體結構房屋墻體拉應力增量最大的為1號樓；雙線貫通后，建筑物沉降最大的為6號樓，砌體結構房屋墻體拉應力增量最大的為1號樓。由此可知，在盾構隧道施工過程中，單純以建筑物的沉降作為控制指標并不能完全體現(xiàn)盾構隧道施工對砌體結構建筑物的影響程度，也不能對建筑物的安全性作出可靠評價，此時可以體現(xiàn)出本文以砌體結構房屋墻體最大拉應力增量作為評價指標的合理性和可行性。

根據表4的模擬計算結果可知，在施工過程中，砌體結構房屋的沉降雖然滿足控制標準，但其墻體的最大拉應力增量不能滿足規(guī)定要求。為了最大程度地滿足砌體結構房屋的安全使用要求，需要在盾構隧道掘進過程中采取一系列加固措施，以減小盾構隧道施工給居民生活造成的不利影響。

4 洞內深孔注漿加固措施研究

深孔注漿加固技術是目前工程中應用最多、效果最好、技術最成熟的加固措施之一，其主要技術參數包括隧道徑向加固半徑、建筑物前后加固范圍及隧道加固斷面等。

深孔注漿加固材料采用水泥-水玻璃雙漿液。該漿液具有可控性好、漿液凝固后結石率高等優(yōu)點。根據現(xiàn)場試驗，測定加固后的土體彈性模量為500 MPa，泊松比為0.2，重度為21 kN/m3，黏聚力為30 kPa，內摩擦角為43°。

4.1 深孔注漿加固參數的確定

通過對盾構隧道下穿砌體結構建筑群的研究可知，在不采取任何措施的情況下，盾構隧道施工會引起建筑物破壞，其中道北1號樓危險性最大。因此，以道北1號樓為例，采用正交試驗方法確定深孔注漿加固技術的最佳技術參數。

4.1.1 正交試驗因素水平選取

1) 隧道徑向加固半徑:徑向注漿是指采用注漿管通過預制管片的預留注漿孔對隧道周圍土體進行加固，而徑向注漿半徑是指注漿管伸出盾構管片外的長度。深孔注漿在實際隧道工程應用中，其徑向加固半徑根據工程條件而不同，為此本文隧道徑向加固半徑分別選取2 m、3 m、4 m及5 m。

2) 建筑物前后加固范圍:現(xiàn)場注漿加固都是按管片環(huán)數對建筑物前后進行加固。參照實際工程，分別選取建筑物前后2環(huán)、4環(huán)、6環(huán)、8環(huán)范圍內的土體進行加固。

3) 隧道加固斷面:在實際工程中，常用的隧道加固斷面有120°斷面、180°斷面和360°斷面。為了與隧道徑向加固半徑因素和建筑物前后加固范圍因素的水平數一致，對隧道加固斷面因素增加一個水平，為240°隧道加固斷面。

對各因素的水平按照隨機化的方式進行排列。正交試驗因素水平表如表5所示。對隧道進行“全斷面加固+隧道徑向加固半徑3 m+建筑物前后加固4環(huán)”的加固，如圖6所示。

表5 正交試驗因素水平表

圖6 隧道加固斷面示意圖

4.1.2 正交試驗結果

正交試驗采用5因素4水平正交試驗表進行設計。正交試驗表及計算結果如表6所示。

表6 正交試驗表及墻體最大拉應力增量

根據表6中的計算結果，結合砌體結構房屋安全控制標準可知：試驗4、5、11、12、13和14的數值模擬計算結果均小于折減后的墻體抗拉強度控制標準，其中試驗14的計算結果最小，加固效果最優(yōu)；試驗4的計算結果與控制標準最為接近。在確定加固參數時，考慮到施工成本和對環(huán)境的影響，遵循“安全可靠、經濟合理”的原則，不一定需要采用最優(yōu)方案使墻體的最大拉應力增量達到最小，只需將砌體結構房屋墻體的最大拉應力增量控制在安全使用范圍內即可。因此，決定采用試驗4的加固方案作為推薦方案，并對該方案進行進一步分析。

4.2 現(xiàn)場施工監(jiān)測點布置

該工程已于2019年6月施工完畢，通過對隧道施工過程中和施工結束后的現(xiàn)場勘查發(fā)現(xiàn)，道北三小區(qū)和二小區(qū)內的砌體結構住宅樓未產生明顯傾斜，墻體未出現(xiàn)明顯裂縫，建筑物沉降也在控制標準內。由此可見，采用深孔注漿加固方案后，盾構隧道施工未給砌體結構房屋造成較大的影響，砌體結構住宅樓滿足安全使用要求。為了進一步分析數值模擬結果的可靠性，以下通過施工現(xiàn)場監(jiān)控量測，將現(xiàn)場監(jiān)測數據與數值模擬結果進行對比分析。

根據GB 50911—2013《城市軌道交通工程監(jiān)測技術規(guī)范》[14]和JGJ 8—2016《建筑變形測量規(guī)范》[15]，結合砌體結構房屋的特點，對道北1號樓進行監(jiān)測點布置。測點布置原則為在砌體結構房屋的四角或沿外墻每隔6～10 m設置1個沉降監(jiān)測點，且每側墻體不少于3個測點。道北1號樓現(xiàn)場監(jiān)測點布置如圖7所示。

圖7 道北三小區(qū)1號樓監(jiān)測點布置圖

4.3 現(xiàn)場監(jiān)測數據與數值模擬結果對比

在施工過程中對建筑物進行監(jiān)測時，考慮到人力、物力的影響，對監(jiān)測點采用的監(jiān)測頻率為1～2次/d。為了使實測數據和模擬結果具有可比性，按照盾構機刀盤至監(jiān)測點的實際距離對數值模擬中的監(jiān)測點進行數據提取，并對道北1號樓各監(jiān)測點實測數據與模擬結果進行對比分析。

4.3.1 監(jiān)測點JGC7-1

右線隧道施工過程中和左線隧道施工過程中，監(jiān)測點JGC7-1的實測沉降值與數值模擬沉降值對比如圖8和圖9所示。

圖9 左線隧道施工監(jiān)測點JGC7-1沉降值對比

由圖8可知，右線隧道施工時，隨著盾構機的掘進，刀盤距離監(jiān)測點JGC7-1的間距不斷減小，監(jiān)測點JGC7-1逐漸產生沉降；實測最大沉降值為1.7 mm，數值模擬最大沉降值為1.9 mm；實測沉降值與數值模擬沉降值變化趨勢相同，且吻合度較好。

圖8 右線隧道施工監(jiān)測點JGC7-1沉降值對比

由圖9可知，左線隧道施工時，隨著盾構機的掘進，監(jiān)測點JGC7-1的沉降值出現(xiàn)較小的回彈，其主要原因為該監(jiān)測點是1號樓的一個角點，左線隧道施工使得地表產生沉降從而導致建筑物產生向左的傾斜，最終導致監(jiān)測點JGC7-1的沉降值出現(xiàn)回彈；實測數據的回彈值為0.50 mm，數值模擬數據的回彈值為0.41 mm，二者基本接近，表明數值模擬方案與實際工程相似度較高。

4.3.2 監(jiān)測點JGC7-3

右線隧道和左線隧道施工過程中，監(jiān)測點JGC7-3的實測沉降值與數值模擬沉降值對比如圖10和圖11所示。

由圖10可知，右線隧道施工時，隨著盾構機的掘進，刀盤距離監(jiān)測點JGC7-3的間距不斷減小，該監(jiān)測點逐漸產生沉降，且沉降趨勢不斷增大。究其原因，主要是因為該監(jiān)測點為整個建筑物外墻的中心點，距離右線隧道軸線較近，從而導致其沉降值較大；實測最大沉降值為2.5 mm，數值模擬最大沉降值為2.3 mm，通過監(jiān)測點的沉降趨勢可知實測值與模擬值趨勢相同，且吻合度較好。

圖10 右線隧道施工監(jiān)測點JGC7-3沉降值對比

由圖11可知，左線隧道施工時，隨著盾構機的掘進，監(jiān)測點JGC7-3的沉降值在原有沉降值的基礎上不斷增加。這是由于該監(jiān)測點位于兩條隧道的中間，左線隧道的施工擾動同樣導致該監(jiān)測點產生沉降所致。左線施工結束后，實測最大沉降值為3.6 mm，數值模擬最大沉降值為3.5 mm，二者數值相差較小，監(jiān)測點沉降趨勢基本接近。

圖11 左線隧道施工監(jiān)測點JGC7-3沉降值對比

通過對道北1號樓監(jiān)測點JGC7-1、JGC7-3的實測數據與數值模擬結果進行對比，發(fā)現(xiàn)實測數據與數值模擬結果雖然數值上存在一定的差異，但其總體沉降趨勢基本相同，且沉降值的差異也在可接受范圍內。由此可見，采用推薦的深孔注漿加固方案后，實際盾構隧道施工對道北1號樓的影響與數值模擬情況基本一致。因此，采用徑向加固2 m、建筑物前后加固4環(huán)、隧道全斷面加固的深孔注漿加固參數，可以有效減少盾構隧道施工對上部砌體結構房屋的擾動程度，使道北1號樓在盾構隧道施工過程中處于安全狀態(tài)。

5 結論

1) 通過對盾構隧道下穿砌體結構住宅群的數值模擬結果分析可知，雖然砌體結構的最大沉降值能夠滿足建筑物沉降要求，但墻體最大拉應力增量超過安全控制標準，砌體結構墻體仍會出現(xiàn)破壞產生裂縫。因此需綜合考慮沉降和應力來判斷砌體結構房屋的安全性。

2) 在盾構隧道下穿道北小區(qū)住宅群的施工過程中，采用“隧道徑向加固半徑2 m+建筑物前后加固4環(huán)+隧道全斷面加固”的深孔注漿加固方案，砌體結構墻體應力增量值大幅減小，且均能控制在規(guī)定的范圍內，滿足建筑物安全使用要求，由此證實該方案是可行的加固方案。

3) 將現(xiàn)場實測數據與數值模擬結果進行對比，結果表明實測數據與數值模擬結果的沉降趨勢相同，沉降值也較為接近，說明本文數值模擬方案能較好地對盾構隧道下穿砌體結構建筑物進行仿真分析。