地鐵盾構隧道下穿水閘的地表變形控制標準研究

陳 映，李 威，戴躍華

(1.廣東省水利水電技術中心，廣州 510635;2.廣東粵源工程咨詢有限公司，廣州 510635)

1 概述

隨著我國城市化進程的高速發展，城市人口急劇增加，城市規模不斷擴大，城市交通擁擠問題逐漸凸顯。城市地鐵作為現代化的公共交通工具，能充分利用城市地下空間來緩解城市交通壓力，具有安全、迅捷、容量大、能耗低等優點，受到了人們的普遍青睞。當前，我國城市地鐵建設呈加速趨勢。盾構法是利用盾構機在地面以下暗挖隧道的施工方法，具有地面作業少、適宜建造深埋隧道、對周圍環境影響小、自動化程度高、勞動強度低、施工速度快等優點，是城市地鐵隧道建設的首選施工方法。

隨著地鐵盾構隧道的大規模建設，難免出現地鐵盾構隧道下穿地面基礎設施的情況。由于地鐵盾構隧道施工是在巖土體內部進行的，盾構掘進過程中不可避免會擾動巖土體，破壞了原有的平衡狀態，進而引起地表沉降和變形，危及地面基礎設施的安全。減少地鐵盾構施工對周圍土層的擾動，將其對地面基礎設施安全的影響控制在允許范圍內，是地鐵盾構隧道建設者們一直所關注的問題[1-5]。

目前盾構隧道施工對地表變形及建筑物影響的研究方法主要有經驗法、模型試驗法、現場實測法、數值計算法等[6-8],為保證盾構隧道施工引起的地表沉降在合理范圍內，許多研究人員對地鐵盾構隧道下穿引起地面沉降的控制標準進行了研究，被下穿的基礎設施包括機場跑道[9-10]、歷史建筑[11-12]、地下管線[13-14]、道路橋梁[15-16]、風景區[17]等，但針對地鐵盾構隧道下穿水閘的研究較為缺乏。

對于地鐵盾構隧道下穿水閘而言，一旦水閘失事會危及公眾的防洪、排澇安全，造成極大的社會影響。為此，本文結合某地鐵隧道下穿某水閘的實際工程，對地鐵盾構隧道下穿水閘的地表變形控制標準進行探討研究。

2 盾構下穿引起水閘破壞的形式

盾構下穿施工時，地面水閘產生破壞的主要原因是地表變形帶動水閘產生了附加的變形，當水工結構應力超過其強度時發生破壞。根據地表變形的不同，地面水閘破壞的主要形式包括整體沉降、傾斜破壞、曲率破壞、水平變形引起的破壞等。

1) 整體沉降

若盾構下穿施工引起的地表變形為整體沉降，則水閘結構應力狀態不會改變，只是相對沒沉降前的水閘產生了一定的豎向位移量，因此整體均勻沉降對水閘的影響較小。但是，實際工程中仍需對水閘的最大沉降量進行嚴格控制，因為過大的沉降量會影響水閘的正常使用功能。此外，過大的沉降量表明水閘地基土層擾動嚴重，影響了地基承載力。

2) 傾斜破壞

一般而言，盾構下穿施工引起的地表變形是非均勻的，此時水閘地基的差異沉降會使結構內部產生差異變形和附加應力，嚴重時會導致水閘產生破壞。其中，傾斜破壞是最常見的破壞形式。

3) 曲率破壞

盾構下穿施工引起的地表變形還可能使水閘產生曲率破壞。當地表非均勻沉降時會產生負曲率破壞，水閘基礎上部受壓下部受拉，可能會產生正“八”字裂縫；當地表非均勻隆起時會產生正曲率破壞，水閘基礎上部受拉下部受壓，可能會產生倒“八”字裂縫；

4) 水平變形引起的破壞

盾構下穿施工引起的水平變形會對使水閘內產生較大的附加應力。由于水閘混凝土抗拉強度比抗壓強度小得多，因此拉伸變形產生的破壞性要比壓縮變形更大。

3 盾構下穿水閘地表變形控制標準研究

3.1 規范有關盾構隧道下穿引起地表沉降的控制標準

在全國各地大量實際工程案例開展專題研究的基礎上，根據不同工程監測等級的安全控制要求，《城市軌道交通工程監測技術規范(GB 50911—2013)》[18]確定了不同地面變形監測項目的控制值(見表1)。

表1 盾構法隧道地面變形監測項目控制值

3.2 規范有關建筑物的地基變形允許值的標準

《建筑地基基礎設計規范(GB 50007—2011)》[19]對建筑物的地基變形允許值進行了規定。該規范將地基土分為中、低壓縮性土和高壓縮性土，分別從沉降量和建筑物的整體傾斜兩方面規定了地基變形允許值。其中，對于沉降量，該規范針對不同結構做出了不同的規定，地基允許變形值分布在120～400 mm；對于建筑物傾斜，規范針對不同結構，給出了因結構高度而異的傾斜允許值，當建筑物高度小于60 m時，傾斜度(兩端點的沉降差與其距離的比值)應小于0.003。

《水閘設計規范(SL 265—2016)》[20]對地基允許沉降量和沉降差作出了具體規定，由于水閘基礎尺寸較大，對地基沉降的適應性較強，因此在不危及水閘結構安全和不影響水閘正常使用的條件下，一般水閘基礎的最大沉降量達到100～150 mm和最大沉降差達到30～50 mm是允許的。

3.3 工程案例類比分析

規范一般多從適應宏觀分類和滿足基本要求的角度出發，給出了地表沉降量所應當符合的限制值或允許值標準。實際工程的安全評價，可在數值分析成果的基礎上，依據規范規定作出基本結論。還可以通過搜集隧道下穿既有結構物工程案例，整理已建工程的巖土體特性、隧道施工方法、隧道斷面尺寸、埋深、地表沉降等數據，從工程案例類比的角度進行分析。表2整理了7個國內已建隧道工程下穿建筑物等設施的工程案例。

3.4 盾構下穿水閘地表變形控制標準

梳理國內相關規范，并類比工程案例，可見：① 規范對隧道下穿施工引起的地表力學響應，主要以“沉降值(含地表隆起)”和“傾斜度(或稱沉降差)”兩個指標進行控制，以確保既有建筑物的安全。② “沉降值”的控制值，與地層巖土類型和保護對象的屬性有關，在較嚴格的條件下，地表沉降值應小于10 mm，對應的地表隆起值也應小于10 mm。“傾斜度”的控制值，對于高度低于60 m的建筑物，應小于0.003。③ 根據已建工程實例，隧道下穿建筑物時，基于隧道上覆巖土體的不同力學性能，最大地表沉降值一般應小于30～70 mm，并且應滿足傾斜度的要求，避免建筑物因不均勻沉降帶來的破壞。

綜上分析，可知隧道下穿施工對建筑物的影響因素多，所涉及的控制標準也存在多種方案。如前所述，根據地表變形的不同，地面水閘破壞的主要形式包括整體沉降、傾斜破壞、曲率破壞、水平變形引起的破壞等。可見，目前的地表變形控制標準還不夠精細化。本文建議以《城市軌道交通工程監測技術規范(GB 50911—2013)》為主要依據，根據水閘的建筑物級別確定表1中的工程監測等級(1級建筑物對應1級監測，2、3級建筑物對應2級監測，4、5級建筑物對應3級監測)，進而確定地表沉降和隆起控制標準；對于豎向差異變形，采用兩端點的沉降差與其距離的比值小于0.003的控制標準，以避免出現傾斜破壞和曲率破壞；對于水平差異變形，可參考“傾斜度”控制標準并考慮到混凝土抗拉強度低于抗剪強度，采用兩端點的變形差與其距離的比值小于0.002的控制標準。

表2 隧道下穿既有建筑物的工程案例主要指標統計

4 工程實例分析

4.1 工程概況

某地鐵盾構隧道從某水閘內河側穿過(見圖1)，盾構隧道與水閘軸線夾角約為62°。水閘為小型單孔水閘，建筑物級別為5級，總凈寬為4.0 m，高為 7.8 m(地鐵隧道下穿水閘的剖面位置關系見圖2)。隧道頂高程為-26.72 m，與水閘下部鉆孔灌注樁底部高程-13.35 m之間的垂直距離為13.37 m，水平最小距離為35.67 m。場地巖土層分為素填土、淤泥質中粗砂、中粗砂、粉質黏土、強風化粉砂巖、中風化粉砂巖6層。

4.2 地表變形控制標準制定

本工程水閘為5級建筑物，采用《城市軌道交通工程監測技術規范(GB 50911—2013)》中的3級監測對應的地表沉降和隆起控制標準，即最大地表沉降按30 mm控制，最大地表隆起按10 mm控制。對于豎向差異變形，采用兩端點的變形差與其距離的比值小于0.003的控制標準。對于水平差異變形，采用兩端點的變形差與其距離的比值小于0.002的控制標準。

圖1 地鐵隧道下穿新合益水閘的平面位置關系示意

圖2 地鐵隧道下穿新合益水閘的剖面位置關系示意

4.3 地表變形計算與分析

采用巖土通用軟件FLAC3D開展數值計算分析，巖土體采用莫爾-庫侖(Mohr-Coulomb)理想彈塑性模型；襯砌和混凝土板等結構采用線彈性模型。建立的計算模型見圖3，共剖分了130 622個單元和139 565個節點。

圖3 地鐵盾構隧道下穿水閘三維計算網格示意

為計算最不利情形下地表的沉降和隆起，擬定如下兩種計算分析工況：① 隧道貫通工況，分析開挖引起的地表沉降變形；② 隧道下穿施工工況，分析隧道開挖至水閘正下方時盾構機土艙壓力引起的地表隆起變形。隧道貫通工況計算出的豎向變形分布見圖4(對應圖1中A-A斷面)，隧道的拱頂下沉變形為13.15 mm，對應的地表最大沉降為6.16 mm，小于35 mm的沉降控制值。隧道下穿施工工況計算出的豎向變形分布見圖5(對應圖1中B-B斷面)，當掌子面土艙壓力為1.0 MPa時，地表最大隆起為0.15 mm，小于10 mm的隆起控制值?？梢?，盾構下穿引起的地表整體變形在允許范圍內。

隧洞貫通工況的沿垂直隧道方向的豎向及水平向變形分布見圖6。兩端點的豎向變形差與其距離的比值為-1.59×10-4～1.60×10-4，小于0.003的控制標準；兩端點的變形差與其距離的比值為-1.92×10-4～1.82×10-4，小于0.002的控制標準?？梢姡軜嬒麓┮鸬牡乇聿町愖冃屋^小，在水閘結構中產生的附加應力相應較小，不會引起水閘破壞。

圖4 隧洞貫通工況豎向變形分布示意(單位：mm)

圖5 隧道下穿施工工況豎向變形分布示意(單位：mm)

圖6 沿垂直隧道方向的豎向及水平向變形分布示意(單位：mm)

5 結語

盾構隧道下穿水閘可能會對水閘的安全運行產生影響，危及公眾的防洪、排澇安全，造成極大的社會影響。為將盾構隧道下穿水閘的影響控制在合理范圍，對盾構下穿引起水閘破壞的形式進行了分析，采用對規范的梳理、工程案例類比分析相結合的方法，提出了盾構隧道下穿水閘的地表變形控制標準：① 根據水閘的建筑物級別確定《城市軌道交通工程監測技術規范(GB 50911—2013)》中的工程監測等級，進而確定地表沉降和隆起控制標準；② 對于豎向差異變形，采用兩端點的變形差與其距離的比值小于0.003的控制標準，以避免出現傾斜破壞和曲率破壞；③ 對于水平差異變形，采用兩端點的變形差與其距離的比值小于0.002的控制標準。將提出的盾構隧道下穿水閘的地表變形控制標準應用于某地鐵下穿某水閘的實際工程，盾構隧道下穿過程中水閘的安全運行。