陳 攀，劉臻煌，谷云秋，匡渝陽(yáng)，寧英杰

(1.北京城建勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司寧波華東分院，浙江 寧波 315000；2.湖南建工集團(tuán)總承包公司，長(zhǎng)沙 410029；3.寧波市公路與運(yùn)輸管理中心，浙江 寧波 315040；4.浙江交工新材料有限公司，杭州 311400；5.浙江大盈建設(shè)有限公司，杭州 311203)

隨著我國(guó)城市軌道交通等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速發(fā)展，地鐵與城際交通隧道工程與日俱增。但城市建筑物密集，新建隧道的線形選擇和空間布局受限條件諸多，下穿既有建筑物的工程案例[1-3]日益增多。采用盾構(gòu)隧道下穿建筑物時(shí)，會(huì)對(duì)周圍土體和建筑物產(chǎn)生一定影響，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使建筑物出現(xiàn)開裂甚至破壞[4-5]。目前，許多學(xué)者對(duì)盾構(gòu)施工時(shí)建筑物結(jié)構(gòu)和隧道本身的安全問(wèn)題進(jìn)行了大量研究。

吳迪等[6]采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和有限元分析法對(duì)曲線隧道盾構(gòu)施工進(jìn)行全過(guò)程模擬，分析了隧道曲率半徑和千斤頂不平衡推力對(duì)隧道周邊土體位移的影響；丁慧文[7]針對(duì)軟巖地層中小半徑曲線隧道施工存在的問(wèn)題進(jìn)行分析，并提出了相應(yīng)的解決方案和措施；張瓊方等[8]針對(duì)軟土地區(qū)盾構(gòu)隧道下穿地鐵施工過(guò)程進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，分析了下穿施工對(duì)已建隧道位移的影響過(guò)程和變形特點(diǎn)；王忠昶等[9]以大連地鐵隧道盾構(gòu)工程為背景,采用Adina程序建立了隧道-土體-基礎(chǔ)-建筑物的共同作用模型，模擬了隧道開挖造成隧洞周圍地層損失和應(yīng)力的重分布，獲得了建筑結(jié)構(gòu)的位移及內(nèi)力變化規(guī)律。從以上研究可以看出，學(xué)者在盾構(gòu)直線隧道對(duì)構(gòu)筑物的影響研究較多[10-12]。然而，受城市規(guī)劃的制約或既有建筑的影響，部分路段在修建地鐵時(shí)，隧道盾構(gòu)掘進(jìn)路線不得已采用小半徑曲線模式。相較直線隧道，小半徑曲線盾構(gòu)隧道受既有建筑、地下水滲流、巖土介質(zhì)等周邊環(huán)境因素的影響更大，掘進(jìn)過(guò)程中，周圍建筑物損壞風(fēng)險(xiǎn)增高。因此，本文以某小半徑曲線隧道盾構(gòu)轉(zhuǎn)彎下穿既有建筑物為例，分析盾構(gòu)施工對(duì)地層變形及建筑物的影響規(guī)律。

1 工程概況

1.1 盾構(gòu)隧道及既有建筑物

某線路區(qū)間為雙洞單線隧道，區(qū)間起訖里程為CK29+336.343～CK30+727.092，最小圓曲線半徑350 m，區(qū)間隧道頂部埋深約為18.1 m～29.9 m，采用2臺(tái)Φ6.34 m土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)施工。盾構(gòu)法區(qū)間襯砌管片外徑為6.2 m，內(nèi)徑為5.5 m，管片厚度為35 cm，環(huán)寬1.2 m，襯砌環(huán)錯(cuò)縫拼裝。在里程CK30+430～CK30 +550段盾構(gòu)連續(xù)下穿和側(cè)穿構(gòu)筑物。其中酒店和生活小區(qū)高層建筑物與雙線盾構(gòu)的平面位置關(guān)系如圖1所示。酒店(高20 m)和生活小區(qū)高層建筑物(高45 m)主體均為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)采用直徑為0.9 m的鉆孔灌注樁，樁長(zhǎng)15 m。

圖1 隧道與建筑物平面位置Fig.1 Plane position of tunnel and building

1.2 地質(zhì)條件

根據(jù)地勘資料，本區(qū)段盾構(gòu)穿越地層主要為：粘質(zhì)粉土夾粉砂、粘質(zhì)粉土夾粉質(zhì)粘土、粉砂、粘土、粉質(zhì)粘土。另外，工程北部靠近長(zhǎng)江，南部靠近湖泊，該區(qū)有著非常龐大的地表水系，本區(qū)段的地下水為上層滯水和承壓水。

1.3 施工難點(diǎn)

在本工程中，盾構(gòu)下穿酒店和高層建筑物的難度較大，主要表現(xiàn)在：1) 穿越處地層多為粉質(zhì)粘土，土層含水量大，地層變形沉降值大。盾構(gòu)隧道距灌注樁距離較近，最小水平間距為5.4 m，豎向凈距最小約2.46 m，貿(mào)然施工會(huì)對(duì)既有建筑物基礎(chǔ)產(chǎn)生嚴(yán)重?cái)_動(dòng)，嚴(yán)重威脅既有建筑物安全；2) 由于盾構(gòu)下穿處地層多為粉質(zhì)粘土，土層含水量大，盾構(gòu)過(guò)程中存在刀盤堵塞風(fēng)險(xiǎn)；3) 在曲線轉(zhuǎn)彎處，由于管片的特殊受力狀態(tài)，管片與管片之間存在斜向應(yīng)力，使前方管片內(nèi)側(cè)角和后方管片外側(cè)角形成2個(gè)薄弱點(diǎn)，可能導(dǎo)致管片之間產(chǎn)生相對(duì)位移，形成錯(cuò)臺(tái)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起管片破裂。

2 盾構(gòu)下穿變形控制措施

2.1 建筑物及地表沉降控制

為減小盾構(gòu)下穿過(guò)程中對(duì)建筑物及地面的擾動(dòng)，在盾構(gòu)開始之前對(duì)隧道周圍土體采用二重管無(wú)收縮WSS功法進(jìn)行注漿加固，注漿厚度為2 m。注漿孔采用跳注梅花形布置，如圖2所示。

2.2 管片安裝與間隙控制

在小半徑曲線段，盾構(gòu)機(jī)轉(zhuǎn)彎速度較大時(shí)，隧道外側(cè)盾尾間隙就會(huì)降低。而如果管片由于楔形量的因素出現(xiàn)提前轉(zhuǎn)彎時(shí)，那么隧道內(nèi)側(cè)盾尾間隙也會(huì)縮小。因此，在難以利用盾構(gòu)推進(jìn)與管片拼裝的手段來(lái)實(shí)現(xiàn)盾尾間隙調(diào)節(jié)時(shí)，選用楔形管片與直線型管片交換的模式來(lái)實(shí)現(xiàn)盾尾間隙的調(diào)節(jié)。

單位：m圖2 注漿加固布置Fig.2 Layout of grouting reinforcement

2.3 盾構(gòu)姿態(tài)控制

地鐵隧道盾構(gòu)機(jī)在施工過(guò)程中，在軟弱圍巖段掘進(jìn)中易出現(xiàn)因自重導(dǎo)致“栽頭”現(xiàn)象，以及左右轉(zhuǎn)彎時(shí)盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)控制易出現(xiàn)不精確現(xiàn)象，特別是小半徑曲線段轉(zhuǎn)彎過(guò)程施工極為困難。因此，為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，選用了一種帶有姿態(tài)調(diào)整裝置的地鐵隧道盾構(gòu)機(jī)，如圖3所示。該機(jī)通過(guò)對(duì)各液壓缸撐頂距離的協(xié)調(diào)調(diào)整，來(lái)增加掘進(jìn)過(guò)程中盾構(gòu)機(jī)某方向的掘進(jìn)超前量，從而實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)調(diào)整。

(a) 姿態(tài)調(diào)整裝置結(jié)構(gòu)示意

2.4 既有建筑物變形控制標(biāo)準(zhǔn)

盾構(gòu)隧道距灌注樁較近，施工難度較大，參考國(guó)內(nèi)其他地區(qū)類似項(xiàng)目，并結(jié)合《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50007—2011)[13]相關(guān)要求及工程實(shí)際特點(diǎn)[14-15]，確定建筑物變形控制標(biāo)準(zhǔn)為：地表沉降速率≤1 mm/d，累計(jì)沉降≤20 mm，建筑物局部?jī)A斜≤0.002。

3 數(shù)值模擬

為探明小半徑曲線隧道盾構(gòu)下穿既有建筑物過(guò)程中對(duì)建筑物本身產(chǎn)生的影響，以及采取加固控制措施后盾構(gòu)下穿既有建筑物是安全的，采用Midas GTS NX軟件進(jìn)行建模分析。

3.1 模型概況

考慮到盾構(gòu)施工引起的邊界效應(yīng)，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)并結(jié)合實(shí)際工程[16]，模型水平方向尺寸取盾構(gòu)隧道位置深度的3～5倍、豎向取2～4倍，確立計(jì)算模型尺寸為長(zhǎng)200 m×寬150 m×高60 m。土體采用三維實(shí)體單元，樓板、隧道管片采用板單元，鋼筋混凝土柱和樁基礎(chǔ)采用梁?jiǎn)卧?，地表注漿后與土層成為一個(gè)整體，用實(shí)體單元模擬，通過(guò)改變參數(shù)實(shí)現(xiàn)其作用。三維有限元精細(xì)化模型如圖4所示。模型上表面邊界設(shè)為自由邊界，底面約束其全位移，各側(cè)向約束其法向位移，土體采用修正的摩爾-庫(kù)侖彈塑性本構(gòu)模型，建筑物及地鐵區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)構(gòu)件采用彈性本構(gòu)模型。

單位：m圖4 三維有限元模型Fig.4 3D finite element model

3.2 模型參數(shù)選取

根據(jù)巖土工程勘察報(bào)告和地鐵與建筑物的設(shè)計(jì)資料，材料力學(xué)參數(shù)取值如表1和表2所示。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of soil layers

表2 結(jié)構(gòu)材料力學(xué)參數(shù)Table 2 Mechanical parameters of structural materials

3.3 盾構(gòu)隧道施工過(guò)程模擬

在隧道盾構(gòu)施工中，為減少開挖引起的地層變形，需對(duì)盾構(gòu)尾部空隙進(jìn)行同步注漿，如圖5所示。地鐵盾構(gòu)開挖模擬過(guò)程可分為3個(gè)階段：1) 先施作盾殼，同時(shí)刀盤施加掘進(jìn)壓力，每環(huán)推進(jìn)2 m，隨后挖出開挖區(qū)的土體。2) 推進(jìn)4環(huán)后，施加頂推力，并將管片安裝至相應(yīng)部位。3) 當(dāng)管片安裝好后，把盾殼移除，同時(shí)對(duì)盾尾進(jìn)行注漿并施加注漿壓力，由于注漿凝固需要一段時(shí)間，因此將注漿壓力延后3個(gè)階段施加。在模擬時(shí)，對(duì)初始階段進(jìn)行位移清零。

3.4 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

3.4.1 地表沉降分析

地表沉降位移是表征隧道施工對(duì)地表擾動(dòng)影響的一個(gè)重要指標(biāo)，且與施工過(guò)程、施工方法和支護(hù)結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。盾構(gòu)過(guò)程中，對(duì)周圍土體產(chǎn)生一定擾動(dòng)，施工結(jié)束后地表位移如圖6所示。由圖6可知，左線隧道掘進(jìn)至酒店底部(CK30+490)時(shí)，建筑物地表沉降達(dá)到最大，為9.2 mm，并在左線盾構(gòu)起始位置(CK30+370)地表出現(xiàn)一定程度的隆起，地表隆起豎向位移最大值為5.3 mm；施工完成后，隧道洞內(nèi)上方地表土體均產(chǎn)生了向雙線隧道中心靠攏的趨勢(shì)，建筑物地表水平位移在CK30+500處達(dá)到最大，為3.2 mm。由于左線隧道位于酒店下方，盾構(gòu)施工對(duì)地層和建筑物影響均較大，故在盾構(gòu)施工過(guò)程中，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)左線隧道上方建筑物的監(jiān)測(cè)。

為探明研究盾構(gòu)施工過(guò)程中對(duì)各地層產(chǎn)生的影響，選取典型斷面CK30+050各地層的沉降值進(jìn)行分析。各地層沉降量如圖7所示。由圖7可知，左線隧道施工對(duì)地表沉降橫向影響范圍大約距隧道中心20 m，拱頂上方3 m、6 m地層位移及地表位移變化規(guī)律均沿隧道中線呈V字型分布，沉降最大值出現(xiàn)在隧道中軸線正上方，并向兩側(cè)沉降逐漸減小，在約3倍隧道管片外徑范圍以外，趨于0；在拱頂上方3 m處地層位移最大，為15.2 mm。

(a) 原狀土

(a) 地表豎向位移

圖7 CK30+050斷面各地層的沉降值Fig.7 Settlement values of various layers at CK30+050

3.4.2 建筑物沉降分析

分別選取盾構(gòu)雙線開挖面接近建筑物、在建筑物下方、穿越建筑物及盾構(gòu)施工完成后的4種典型工況，對(duì)建筑物的沉降變形進(jìn)行分析。各工況下建筑物的位移云圖如圖8、圖9所示。

由圖8可知，對(duì)比4個(gè)工況下建筑物的豎直位移，變化如下：隨著盾構(gòu)掘進(jìn)至酒店和生活小區(qū)高層建筑物，沉降過(guò)程中位移降值逐漸增大，當(dāng)盾構(gòu)雙線開挖面接近建筑物時(shí)，酒店和生活小區(qū)高層建筑物豎直方向的最大位移值分別為3.5 mm和1.4 mm；當(dāng)盾構(gòu)雙線開挖面在建筑物下方時(shí)，二者豎向位移值分別為5.3 mm和3.2 mm；當(dāng)盾構(gòu)施工完成后，二者豎直方向最大位移值分別為8.5 mm和4.6 mm。由圖9可知，盾構(gòu)施工完成后，酒店和生活小區(qū)高層建筑物頂部均表現(xiàn)為向靠近隧道方向一側(cè)偏移，酒店和生活小區(qū)高層建筑物最大水平位移分別為2.4 mm和4.3 mm，傾斜度分別為0.000 23、0.000 45。這與該區(qū)段地表沉降位移規(guī)律一致。

(a) 工況1

(a) 工況1

綜上分析，盾構(gòu)施工結(jié)束后，建筑物變形以沉降為主。當(dāng)左線盾構(gòu)隧道下穿酒店下方時(shí)，掘進(jìn)施工對(duì)酒店沉降影響較為嚴(yán)重，由于右線盾構(gòu)隧道在生活小區(qū)高層建筑物樁基礎(chǔ)一側(cè)，盾構(gòu)施工對(duì)其影響主要表現(xiàn)為傾斜度，其傾斜度接近酒店的2倍。據(jù)此建議，在實(shí)際施工過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)酒店和生活小區(qū)高層建筑物的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

3.4.3 建筑物應(yīng)力分析

以酒店和生活小區(qū)建筑物中樓柱為研究對(duì)象，研究其剪力變化規(guī)律，計(jì)算結(jié)果如圖10所示。從圖10可見(jiàn)，酒店和高層建筑物的剪力最大值均出現(xiàn)在裙樓樓柱，且隨樓層的增加，層間剪力逐漸減小，但在靠近頂層時(shí)剪力又出現(xiàn)增大，二者最大值分別為200 kN和520 kN。在建筑物的中心，剪力值普遍偏小，建筑物外圍樓柱的剪力值普遍偏大。高層建筑物各樓柱的剪力分布較為均勻，而酒店樓柱的剪力值分布不均勻，且普遍大于高層建筑物的剪力值。由圖10(b)可見(jiàn)，酒店和高層建筑物的軸力均隨樓層的增高依次減小，最大軸力出現(xiàn)在裙樓的樓柱。由于高層建筑上部荷載較大，隧道盾構(gòu)下穿施工過(guò)程中產(chǎn)生了較大軸力，最大值達(dá)到4 630 kN，較酒店樓柱所受軸力更大。

(a) 建筑物樓柱剪力

3.4.4 地表加固效果分析

為分析地表注漿加固措施的處治效果，沿建筑物靠近隧道一側(cè)布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，如圖11所示，同時(shí)建立不采取地表注漿的有限元模型，對(duì)比分析2種工況下既有建筑物的沉降狀況。

圖11 既有建筑物沉降測(cè)點(diǎn)布置Fig.11 Layout of settlement measuring points of existing buildings

2種工況下既有建筑物的沉降狀況結(jié)果如圖12所示。由圖12可知，地表注漿加固后，可有效減小盾構(gòu)對(duì)既有建筑物的擾動(dòng)影響。酒店沉降最大值從13.2 mm減小至8.5 mm，減小幅度為35.6%；高層建筑物沉降最大值從9.1 mm減小至4.6 mm，減小幅度為50.5%。酒店測(cè)點(diǎn)1～3號(hào)、7～9號(hào)實(shí)測(cè)點(diǎn)沉降值為1 mm～7 mm，4號(hào)～6號(hào)實(shí)測(cè)點(diǎn)沉降值為7 mm～9 mm。距離隧道越近，測(cè)點(diǎn)的沉降值越大，建筑物向盾構(gòu)區(qū)間傾斜。高層建筑物沉降規(guī)律與酒店一致。

(a) 酒店沉降

此外，考慮到實(shí)際地層的復(fù)雜性，實(shí)測(cè)結(jié)果比數(shù)值模擬結(jié)果偏大，但建筑物最終沉降值表明，盾構(gòu)下穿既有建筑物是安全的。因此，根據(jù)工況分析，小半徑曲線隧道盾構(gòu)下穿既有建筑物的變形是可靠的。

4 結(jié)論

1) 盾構(gòu)下穿過(guò)程中，地層變形以沉降為主，且隧道上方土體產(chǎn)生了向雙線隧道中心靠攏的趨勢(shì)。數(shù)值計(jì)算表明，地表沉降最大值出現(xiàn)在左線隧道推進(jìn)至酒店附近，為9.2 mm，在左線盾構(gòu)起始位置(CK30+430)地表出現(xiàn)一定程度的隆起，隆起最大值為5.3 mm，該處地層水平位移最大為3.2 mm。

2) 數(shù)值模擬及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)表明，盾構(gòu)施工對(duì)土體的擾動(dòng)表現(xiàn)為建筑物地基土向盾構(gòu)區(qū)間移動(dòng)及建筑物發(fā)生傾斜，且高層建筑物因其本身荷載較大，傾斜程度更為顯著。盾構(gòu)施工完成后，酒店和高層建筑物在豎直方向?qū)崪y(cè)最大位移值分別為8.5 mm和4.6 mm，最大傾斜度分別為0.000 23、0.000 45，以上各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范限值。

3) 既有建筑物數(shù)值模擬受力結(jié)果表明，盾構(gòu)過(guò)程中高層建筑結(jié)構(gòu)受力較矮層酒店更大，因此，在實(shí)際施工過(guò)程中須加強(qiáng)對(duì)高層建筑物的應(yīng)力監(jiān)控。

4) 采用地表注漿加固措施可有效控制既有建筑物的沉降，酒店沉降最大值減小幅度為35.6%；高層建筑物沉降最大值減小幅度為50.5%，且地表注漿加固對(duì)減小高層建筑物沉降效果更好。既有建筑物沉降變形值數(shù)值模擬與實(shí)測(cè)結(jié)果基本一致，均滿足隧道變形控制標(biāo)準(zhǔn)，表明盾構(gòu)下穿過(guò)程中，可確保既有建筑物是安全的。