地铁盾构中隧道下穿建筑物的施工技术

孙坤

中国水利水电第七工程局有限公司 610081

摘要：随着城市化进程的推进，地铁将是人们出行不可或缺的工具，在市区进行盾构隧道掘进施工，不可避免的要穿越既有建筑物，如何在不影响现有建筑物正常使用的情况下顺利的进行施工是不可回避的问题，如何控制地面变形沉降也将是控制建筑物变形的关键技术。文中结合某地铁工程盾构下穿某区为例，通过数值模拟和试验重点研究地铁盾构隧道穿越某区可能导致的各类风险源和可能引起的地面沉降，对盾构隧道穿越建筑物的风险和地面沉降变形控制技术进行分析，将地面变形控制在允许范围内以保证建筑物的正常使用。同时总结本次施工经验，希望对相同施工方法的盾构隧道起到一定的借鉴作用。

关键词：地铁盾构隧道；下穿隧道；沉降

近年来，随着我国城市化进程的加快，我国的大中城市越来越多，各城市都在竭力打造立体的现代化交通体系，城区范围内地铁隧道成为重要的选择并呈蓬勃发展之势。然而，城区范围内地下各类管网密布、地面沿线商业发达，多为建筑物密集的繁华地区，人流量大、交通繁忙，区间隧道施工环境十分复杂，常常面临近距离穿越既有隧道和管线、铁路站线、建筑物基础和桥墩基础等不利情况。经过长期的工程实践和研究探索，我国在使用盾构法施工地铁隧道方面已经积累了相当丰富的经验，有较为完备的盾构隧道施工理论。本次盾构施工下穿某区，区内多为老旧砖混房屋，盾构施工将会对区内建筑物产生较大的影响，如何能在确保建筑物正常使用的情况下保证盾构施工的顺利进行将是本文研究的关键问题。

1、工程概况

某地铁工程某区间左线总长1，073.934m，右线总长 1，084.8m，区间从北向南敷设，下穿某小区，采用盾构法施工，区间结构覆土厚度12～20m。穿越楼房共 9 栋，全部为居民区，另外还有平房，砖墙，条形基础，既有裂缝多，破损严重，外表脱落严重。覆土从上至下依次为：杂填土、粉质粘土、粉细砂、粉质粘土。隧道拱顶位置均为粉细砂层。隧道穿越范围为：粉细砂、粉质粘土层。

图 1 区间下穿楼房断面图

2、盾构下穿楼房数值模拟

采用数值计算软件进行数值模拟分析，并考虑围岩与结构的共同作用以及左右盾构区间分开施工的影响。计算模型左右水平计算范围均取区间跨度的 3 倍洞径，垂直计算范围向上取至自由地表，向下取区间跨度的三倍。其中围岩计算采用摩尔-库伦模型，考虑围岩的非线性变形，而盾构管片的受力认为在弹性范围内。区间主体采用全断面开挖，开挖完成后施做管片，先开挖左侧区间，之后在开挖右侧隧道。开挖共分五步进行，分别是初始应力平衡计算、左侧隧道开挖、左侧管片施做、右侧隧道开挖、右侧隧道施做。

计算分析如下

2.1计算模型如下图 2 所示

图 2 盾构下穿楼房计算模型

2.2计算结构及分析

经计算，右部盾构开挖完成后拱顶上方地表最大沉降7.79m m，左部盾构开挖完成后拱顶上方地表最大沉降11.37mm。根据评估报告，不满足沉降控制范围，需要采取附加措施。要求对下穿建筑物采取了在隧道内深孔注浆加固措施。

图 3 盾构开挖并支护完成后竖向位移云图

3、隧道近距穿越建筑物诱发地层变形空间效应

3.1不考虑建筑荷载时数值模拟结果分析

为评估建筑物对隧道开挖引起地表附加沉降的影响程度，将该隧道穿越工程分别按不考虑建筑荷载和考虑荷载情形进行了数值模拟研究。以便将无附加荷载时区间隧道沉降与以往实测值等进行比较，以确保数值模拟真实地反映隧道开挖过程对该建筑物的影响。不考虑建筑物附加荷载时，沿隧道轴向及其边缘处地表纵向沉降曲线如图4；隧道横向沉降曲线及地表水平位移的空间分布曲线如图5所示。图4和图5表明：对于盾构隧道施工，即使确保盾构推进时与前方水土压力相平衡，隧道开挖诱发地层变形的沉降槽依然存在，且呈现明显的空间效应；沿隧道轴线方向的地表纵向沉降曲线，最大沉降值稳定值为14.8mm（图5中线），而隧道边沿位置地表沉降为12.7mm；盾构推进前方，无地表隆起。由图5可见隧道后方离开挖面不同距离横向沉降槽的空间分布特性：开挖面位置和盾构尾部隧道轴线上方地表沉降分别为3m和8.8mm，离开挖面20m和30m 处隧道轴线上方地表沉降分别为14.1mm和14.6 mm。由图4、5对比可知，沿隧道轴线方向，离盾构开挖面达到30m时，地表沉降已基本趋于稳定。

图4不考虑建筑附加荷载时地表沿隧道轴向沉降曲线

隧道轴线 隧道边缘处

图5不考虑建筑物附加荷載时隧道横向沉降曲线

开挖面 盾尾 离开挖面 20m ④离开挖面 30m

3.2基础允许沉降分析

数值分析表明，考虑建筑荷载时，当离开开挖面30m处时沉降已经基本稳定，地表沉降值17mm，在此横剖面上，紧邻隧道中心线的相邻两排柱基础（中心距 7.8m）沉降差最大值为：D 1=（16.2-7.0）mm= 9.2mm。沿隧道轴线纵向剖面方向上，两排柱基础（中心距7m），自开挖面到离开