小凈距礦山法隧道下穿既有建筑物施工關鍵技術

張常委， 朱小秀， 彭 帥

(1. 中鐵二院工程集團有限責任公司， 四川成都 610031； 2.深圳市地鐵集團有限公司，廣東深圳 518026)

隨著我國社會經濟的發展，城市居住人口總量和密度不也斷增長，各類高層建筑和基礎設施越來越多，地面可利用土地資源有限、交通擁堵等問題日漸突出，影響著城市的可持續發展[1]。為節省土地資源，充分利用地下空間，近年來城市地鐵工程逐漸增多，而城市地鐵在施工過程中將會不可避免的出現工程近接既有建筑物施工的情況，對既有建筑物結構的穩定性造成一定的影響[2-3]。目前，礦山法修建隧道具有實施條件限制小、適用范圍廣等優點，在復雜受限城市隧道修建過程中得到了廣泛的應用[4]，但礦山法隧道在近距離下穿既有建筑物施工期間建筑物結構的沉降情況難以控制，在施工過程中極易導致既有建筑物結構的變形破壞，故對隧道下穿既有建筑物期間的施工關鍵技術進行研究極其必要。

1 工程概況

深圳地鐵6號線一期工程連接龍華、石巖、光明、公明、松崗等地區，建成后將極大方便沿線市民出行，對帶動沿線經濟發展，促進城市空間結構完善具有重要意義。

受既有別墅建筑群的影響，深圳地鐵大浪站—石巖站區間隧道在入洞口穿越3棟2層和2棟4層別墅。為更準確地了解隧道開挖對地表建筑物的擾動及近接施工的安全性，在隧道上方地表布置了四處測點，監測地表的沉降情況(依據相關的工程經驗及專家意見，判定該項目施工時地表沉降的安全限值為30 mm)。隧道與別墅區的平面位置關系及測點布置如圖1所示。

圖1 大石區間入洞口下穿素王食品廠平面

受地質條件及其他施工因素的影響，隧道在此區域內采用礦山法進行隧道下穿既有建筑物的施工，既有建筑物與隧道之間的間距為11.20～25.87 m。礦山法隧道下穿既有建筑群期間隧道圍巖情況如圖2所示，地層由上及下依次為：<5-2>砂質黏性土(Qel，巖土施工工程分級為Ⅱ級普通土)、<6-1>全風化花崗巖(γ53，巖土施工工程分級為Ⅲ級硬土)、<6-2-1>強風化花崗巖(γ53，巖土施工工程分級為Ⅲ級硬土)、<6-3>中等風化花崗巖(γ53，巖體基本質量等級為Ⅳ-Ⅴ級)、<6-4>微風化花崗巖(γ53，巖體基本質量等級為Ⅱ-Ⅳ級)。

圖2 大石區間隧道下穿既有建筑物結構縱斷面

隧道洞身位于<6-1>、<6-2-1>、<6-3>地層，屬于上軟下硬地層，圍巖分級為Ⅴ級，圓形隧道直徑為8 m，采用環形臺階法進行開挖，如圖3所示，各地層的物理力學參數如表1所示。由于隧道所在地層圍巖情況較為軟弱，因此隧道采用礦山法開挖期間其上方建筑物極易受施工擾動而產生較大的沉降位移，故提出小凈距礦山法隧道下穿建筑群施工關鍵技術，并采用數值模擬和現場工程實踐相互結合的方式驗證該技術的可行性。

圖3 環形臺階法分部開挖示意

2 隧道下穿既有建筑物期間地表沉降特性數值模擬分析

2.1 摩爾-庫倫力學模型

考慮到隧道開挖及圍巖擾動的特點，本文采用摩爾庫倫彈塑性模型模擬土體的力學特征[5]，其屈服準則為：

表1 地層物理力學參數

(1)

FLAC3D對剪塑性流動和拉塑性流動分別進行定義，并且對應不同的流動法則[6]。剪塑性流動對應非關聯流動法則，勢函數為：

Qs=σ1-σ3NΨ

(2)

拉塑性流動對應相關流動法則，勢函數為：

Qt=σ3

(3)

2.2 模型建立及數值分析

根據地質詳勘揭示的地層沿隧道縱向分布特征，對數值模型中各地層進行劃分，各地層的物理力學參數見表1。數值模擬時假定地層各向同性、均勻等效連續介質，邊界條件：隧道小里程自由面，沿縱向取90 m，左右側取21 m，隧道上方取至地面，隧道下方取18 m，模型前后左右及底部限制垂直于面的位移，模型上部為自由邊，別墅荷載按照每層15 kPa作為超載施加。數值模擬模型如圖4所示。

圖4 數值模型

隧道施工的順序為:施作大管棚、小導管→隧道按0.75 m進尺開挖→施做錨桿→施做初支→隧道開挖撐→依次按照0.75 m進尺開挖、施做二襯→隧道下穿別墅區貫通。其中模擬單元的選取如下：大管棚、小導管采用FLAC3D中Beam[4]單元進行模擬，初支、二襯按照實體單元模擬，而由于錨桿的作用主要通過注漿加固地層進行體現，因此在數值模擬中未建立相應的錨桿結構單元，而是通過將提升錨桿注漿圈地層的力學參數來予以實現。根據現場的實際情況及施工經驗，在數值模擬中設置大管棚、小導管、錨桿共同形成的注漿圈范圍為2 m，各支護結構單元的參數如表2～表4所示。

2.3 數值模擬結果分析

根據數值模擬結果，對各個施工步驟下，監測點豎向位移進行整理，監測點JLF19、JLF20、JLF21、JLF22豎向沉降值分別為8.6 mm、9.1 mm、14.7 mm、8.2 mm，各施工階段監測點豎向沉降的變向曲線，見圖5。施工期間位移云圖，見圖6。

圖5 地表沉降

圖6 豎向位移云圖

由圖5、圖6所給數據可知，由于進尺較小及采取了較強的支護和控制擾動措施，隧道開挖期間及結束后，地表總的位移較小，均在安全范圍內，數值模擬結果表明小凈距礦山法隧道下穿建筑群施工是可行和安全的。

3 礦山法隧道下穿既有建筑物關鍵技術

3.1 地層變形控制關鍵技術

3.1.1 隧道施工方法

深圳地鐵大浪站—石巖站區間隧道因鐵路部門對下穿廣深港客運專線隧道有特殊要求，故采取TBM施工工法。為解決TBM掘進要求，下穿別墅區采用礦山法施工，礦山法隧道初支、二襯施工完畢后，TBM空推。隧道采用“環形臺階法”開挖工法，以小型機械配合人工開挖為主，局部爆破為輔，單次進尺0.75 m，采取“管超前、嚴注漿、短進尺、強支護、早封閉、勤量測”十八字方針動態施工管理。

3.1.2 隧道輔助施工支護

(1)注漿大管棚。大管棚采用φ108無縫鋼管(壁厚8.0 mm)，拱頂120 °設置，環向間距0.4 m，外插角約為1 °，大管棚內灌注水泥漿。

(2)超前注漿小導管。小導管采用φ42熱軋鋼管(壁厚3.5 mm)，拱頂120 °設置，長度3.0 m，環向間距0.4 m，縱向間距1.5 m，外插角為7～10 °，小導管內灌注水泥漿。大管棚和小導管的力學參數如表2所示。

表2 大管棚和小導管支護力學參數

(3)系統錨桿。沿隧道側墻(拱腰)部位設置中空注漿錨管，長度3.0 m，環向間距1.0 m，縱向間距0.5 m.大管棚、小導管、錨桿共同形成的注漿圈地層力學參數如表3所示。

表3 注漿圈地層力學參數

(4)初支及二襯。初支和二襯由C20和C35混凝土進行支護，其支護參數如表4所示。

表4 初支和二襯參數

3.2 地下水滲流控制措施

隧道洞頂距別墅最小距離僅11.2 m，隧道洞身位于中風化花崗巖地層，地層滲透系數較大，隧道開挖時將出現毛洞和掌子面滲水，引起地下水流失導致地表沉降加大。為有效控制地下水流失，采取深孔預注漿和地表注漿預加固措施，加固范圍為隧道輪廓外3 m，加固體無側限抗壓強度不小于0.8 MPa，滲透系數小于1×10-6cm/s。經研究，隧道外圍加固3 m，滲透系數小于1×10-6cm/s時，隧道失水對地下滲流場的影響范圍為3 m，3 m外范圍的孔隙水壓力保持不變。

3.3 現場監測方案及結果分析

為動態施工管理、信息化施工，結合現場實際條件和規范要求，在既有別墅外輪廓設置沉降監測點，詳見圖1，沉降控制標準為30 mm。

隧道開挖期間對對別墅區監測點按照1次/d頻率進行監測，監測點JLF19、JLF20、JLF21、JLF22的最終豎向沉降分別為：8.8 mm、9.6 mm、15.4 mm、7.0 mm，監測期間監測點各月最大豎向沉降的變化規律，見圖7。

圖7 監測點豎向位移

監測數據顯示隧道開挖對地面建筑物的影響處于安全狀態，地表沉降未超過安全限制(30 mm)，監測點實際沉降趨勢與數值模擬數據及趨勢基本一致，兩者之間最大差值為10.4 %，實際沉降值大于數值模擬沉降值。

4 結論

根據數值模擬結果與現場監測數據相比較可得出以下結論：

(1)數值模擬及現場實測數據均顯示地表沉降數據小于安全限值，說明小凈距礦山法隧道下穿既有建筑物施工是安全可行的。

(2)數值模擬得出的沉降與實際沉降數據趨勢一致，最大沉降誤差為10.4 %，說明數值模擬是準確可信的。

(3)提出的礦山法隧道下穿既有建筑物關鍵技術能夠有效的控制地表沉降，確保小凈距隧道下穿既有建筑群施工期間的安全性，該項目的研究可為其他工程提供參考。