下穿式隧道盾構施工對建筑物群的影響及控制措施研究

鄭亦博

(內蒙古自治區交通運輸事業發展中心，內蒙古 呼和浩特 010020)

盾構法施工是公路、鐵路隧道工程建設過程中普遍采用的方法，城市軌道交通建設項目的地下工程施工采用盾構法施工也較多。而地下隧道往往需要從地下穿越城市的繁華地段，有些區域地上建筑物較多，盾構施工條件較為復雜。因此，盾構掘進過程中穿越建筑物群是目前城市交通建設領域不得不面臨和解決的問題。

在城市內特別是建筑物集中的地區采用下穿建筑物群的盾構法隧道施工會改變地基原土體的應力場，造成開挖面周圍土體發生擾動，進而引發隧道周圍土體發生位移，導致施工隧道周邊地表變形以及建筑物群沉降，給工程及周邊建筑帶來安全隱患。

筆者采用數值分析方法，模擬盾構掘進過程，研究建筑物群的沉降變化規律，以期為同類工程提供參考。

1 工程概況

1.1 工程與地下通道的關系

本工程穿越建筑物群的區間隧道采用盾構法施工，區間左線全長732.56m，右線全長731.059m，線路自起點站直線出發，先后經過兩個半徑400m曲線段，后轉直線進入終點站，左右線的線間距為14m～17m。

區間沿線下穿建筑物群，共有12幢房屋，均為磚混結構，條形基礎，層數為地上2～6層，基礎埋深2.4m～2.6m，盾構外殼距條形基礎基底最小凈距9.92m～17.46m。

建筑物均為鄰近重要設施，接近度分區為非常接近，風險等級為一級。

1.2 工程地質及水文地質條件

穿越建筑物群的盾構施工隧道主要穿越細砂、粉質黏土及圓礫層。

盾構法開挖隧道施工場地的潛水基本賦存在全新統、上更新統沖洪積的黏性土、粉土、砂土、碎石土層以及中更新統洪積黏性土、粉土、砂土層中。其中富水性較好巖層主要為砂土層、碎石土層，黏性土、粉土層透水性較弱。

地勘鉆探報告的場地地下水屬潛水類型，鉆孔內量測的穩定水位埋深13.2m～15.8m，水位年變幅1m～2m。

2 有限元分析模擬

2.1 土層參數選取

土層物理力學指標如表1所示。

表1 土層物理力學指標

2.2 有限元模型

本次有限元模型的計算軟件采用的是MIDAS-GTS有限元計算軟件。模型共劃分232 599個單元。

為減小邊界約束對計算結果的影響，x方向(垂直線路方向)、y方向(線路方向)邊緣至建筑物距離均>50m，z方向(豎直方向)取至隧道結構下側3D～5D(D為隧道直徑)。

整體計算模型中，地應力場按自重應力場考慮，建筑物群、盾構管片、隧道開挖地層均采用實體單元來進行模擬，隧道施工下穿建筑物群以及盾構管片均采用彈性本構模型，巖土層則采用的是修正摩爾—庫倫本構模型。

模型采用了有限元法中的位移邊界條件，其土體模型的頂面為自由邊界，底面為豎向固定約束，四周為法向位移約束。有限元模型如圖1所示。施工區間隧道與下穿建筑物群的相對位置如圖2所示。

圖2 盾構區間隧道與建筑物群相對位置示意圖

2.3 施工過程模擬

循環開挖進尺每步在3m左右，本次模擬共計開挖440m，采用左右線同時開挖掘進的施工作業模式。在盾構施工下穿隧道的掌子面處施加了0.14MPa的土壓平衡壓力。

初始階段：盾構法開挖隧道前，需進行底層位移清零。模擬施工步驟為：①開挖隧道土體;②施作管片；③完成一次循環進行下一步開挖；④左右線貫通。

3 有限元分析計算結果

3.1 建筑物沉降變化規律

分別提取1#～12#建筑物在盾構掘進過程中各施工步下的沉降值，并繪制沉降變化曲線。限于篇幅，本文只列出具有代表性的2#、11#建筑物的沉降變化曲線，如圖3、圖4所示。

圖3 2#建筑物沉降曲線

圖4 11#建筑物沉降曲線

由圖3、圖4可知，盾構隧道掘進過程中，在盾構距離建筑物較遠時，建筑物沉降很小，不足0.5mm。盾構掘進通過建筑物時，建筑物沉降迅速增大，且沉降主要發生在掘進通過建筑物前后共60m的范圍內(約20個施工步)，之后掘進遠離建筑物時，建筑物沉降變化再次趨于穩定。

由圖3、圖4可知，2#建筑物沉降最大值和最小值均為負值；11#建筑物最大沉降為負值，最小沉降為正值。盾構隧道由2#建筑物中部下穿，由11#建筑物端部下穿，因此，這表明2#建筑物兩端均勻沉降，11#建筑物發生一定的轉動，遠離隧道一端在轉動作用下產生向上的位移。

3.2 建筑物不均勻沉降變化規律

2#、11#建筑物的不均勻沉降變化曲線，如圖5、圖6所示。

圖5 2#建筑物不均勻沉降曲線

圖6 11#建筑物不均勻沉降曲線

盾構隧道通常不會恰好由中心下穿建筑物，因此勢必產生不均勻沉降。由圖5、圖6可知，不均勻沉降同樣主要發生在掘進通過建筑物前后共60m的范圍內(約20個施工步)，在遠離建筑物時不均勻沉降變化很小。

由圖3～圖6可知，2#建筑物沉降值(5.2mm)大于11#建筑物(3.3mm)，2#建筑物不均勻沉降值(1.4mm)卻小于11#建筑物的不均勻沉降值(4.2mm)。這正是因為盾構隧道由2#建筑物中部下穿，不均勻沉降較小，由11#建筑物端部下穿，建筑物產生了一定的轉動，不均勻沉降較大。

4 施工控制措施

根據數值分析計算結果，1#～12#建筑物最大沉降5.2mm，最大差異沉降4.3mm。

本例盾構隧道下穿房屋建筑群風險源等級為一級，建筑物允許沉降控制值為15mm，差異沉降控制值為5mm，各項數據均滿足規范要求。

地下隧道工程下穿建筑物群風險較大，盾構掘進中仍需采取一定的處理措施。①控制盾構施工參數，并做好同步注漿及二次注漿措施。②加強施工過程監控測量， 并對測量結果及時分析反饋，根據分析結果實時調整盾構參數，做到動態監測，信息化施工。③監測到的數據應及時反饋以便指導施工，當發現數據有異常情況應立即采取措施，防止發生工程事故。如實測數據超過允許值范圍，應立即采取措施并加密觀測次數。 ④穿越建筑物群的施工過程中若出現較大不均勻沉降，經研究分析后可采取相應的加固、隔離措施，保證其安全。 ⑤施工單位應編制盾構隧道專項施工方案，同時編制專門的應急預案，應急預案應當具有可操作性，在施工中一旦出現施工緊急事故苗頭，能夠及時按照預案采取應急搶險措施，控制事故的進一步擴大。

5 結論

通過對盾構隧道下穿建筑群進行數值模擬，可以得出如下結論。①盾構隧道掘進過程中，在盾構距離建筑物較遠時，建筑物沉降很小；通過建筑物時，建筑物沉降迅速增大，且沉降主要發生在掘進通過建筑物前后共60m的范圍內；通過并遠離建筑物時，建筑物沉降變化再次趨于穩定。 ②不均勻沉降同樣主要發生在掘進通過建筑物前后共60m的范圍內，遠離建筑物時不均勻沉降變化很小。盾構隧道由建筑物中部下穿時，不均勻沉降較小，由建筑物端部下穿，建筑物產生了一定的轉動，不均勻沉降較大。 ③對盾構下穿建筑物群，提出若干施工控制措施，可供同類工程參考。