地铁双连拱隧道暗挖下穿既有建筑的稳定性评价

唐明明，刘 淼，林 森，韩 飞

（1.北京安捷工程咨询有限公司，北京100037；2.长春市轨道交通集团有限公司，吉林长春130118；3.吉林建筑大学，吉林长春130118）

地铁双连拱隧道暗挖下穿既有建筑的稳定性评价

唐明明1，刘 淼1，林 森2，韩 飞3

（1.北京安捷工程咨询有限公司，北京100037；2.长春市轨道交通集团有限公司，吉林长春130118；3.吉林建筑大学，吉林长春130118）

以西安地铁临潼线暗挖下穿既有芙蓉小区住宅楼为工程背景，研究地层沉降分布规律及倾斜情况。研究表明：双连拱隧道最大沉降区域位于隧道中墙上方偏右侧位置，最大沉降值量为10.30mm；暗挖对直接下穿的建筑物影响最为显著，最大沉降量为5.37mm，位于住宅楼邻近隧道开挖入口位置；暗挖影响范围内的3栋住宅楼倾斜方式有所不同，直接下穿的住宅楼的不均匀沉降主要沿建筑物长边方向，最大值为7.67×10-5m/m，邻近下穿的两栋住宅楼则沿建筑物短边方向，最大不均匀沉降为4.26×10-5m/m；隔离桩对于减少地层扰动、控制沉降及倾斜起到一定程度的作用，但对于本工程隔离桩设置与否，住宅楼的沉降、倾斜均处于安全范围内，从经济角度可考虑不设置。

双连拱隧道；暗挖施工；沉降

1 概述

城市轨道交通作为一种低污染、低能耗、高效率的运输方式，以其快速、运量大、环保等优点成为可持续发展战略的优良选择。国内轨道工程隧道施工方法主要有盾构法、明挖法和暗挖法。地铁暗挖隧道施工引起地层应力重分配，可能导致路面破损、已有管线破坏，影响既有建筑物安全[1-2]。

双连拱隧道由于其结构复杂、横截面大，目前对其下穿影响地层沉降问题已经进行了大量的研究[3-5]。刘大刚[6]应用随机介质理论开发了一套适用于城市隧道施工引起的地表变形及沉降预测系统,可以预测隧道分步开挖产生的水平变形和地表沉降；刘波、陶龙光[7]等应用FLAC模拟了隧道下穿建筑物基础引起的地层变形，并考虑不同工况下开挖产生的地表变形对地表建筑物的变形影响，证明了其可行性和有效性。

暗挖对既有结构的影响除了与施工工法、地层条件有关外，还受到结构类型、刚度以及与隧道相对位置关系的影响。地铁临潼线于起点处下穿芙蓉小区住宅楼，受影响的3栋住宅楼中间一栋位于暗挖隧道正上方，住宅楼基础与隧道竖向净距约为12.1m，距离较近，研究暗挖下穿住宅楼对其结构安全性的影响十分必要。

2 工程概况

西安地铁临潼线起点位于纺织城站西端，柳鸣路与纺北路交叉口西北。起点隧道暗挖下穿芙蓉小区住宅楼（混7），如图1所示。受暗挖施工影响的主要有3栋砖混住宅楼，此3栋楼高7层，每栋楼占地面积约70m× 12m，平行布置，间距约12.5m。为保护既有住宅楼的安全，在暗挖施工前拟在隧道两侧钻射∅800mm@ 1600mm钻孔灌注桩作为保护住宅楼的隔离桩。

图1 临潼线起点下穿住宅楼位置关系图

受影响的3栋住宅楼其中一栋位于暗挖隧道正上方，住宅楼基础与隧道竖向净距约为12.1m，隧道下穿建筑物距离长约23.5m；另外两栋则临近暗挖隧道，与隧道水平距离分别为10.75m及12.15m。该段地层以老黄土、古土壤和粉质粘土为主，地下水位位于隧道底部。开挖前采用深孔注浆方式加固隧道开挖轮廓线3m内的土体（上半断面），如图2所示。

图2 住宅楼与暗挖隧道位置关系横断面图

3 计算要点

3.1 计算模型

双连拱隧道采用单导洞台阶法施工，每步开挖台阶长度为0.6～1.0m，衬砌厚度为0.7m，中隔壁厚度为0.5m，开挖之后即建立衬砌单元。具体开挖工序如图3所示。

图3 计算施工工序图

计算模型共划分了137920个实体单元，如图4所示，小区住宅楼采用等高实体单元代替，隔离桩按实际直径采用实体单元计算，各地层参数、结构参数均取自勘察资料和设计资料。模型尺寸长96m，宽84.3m，高58m。模型侧面和底面为位移边界，模型顶面取为自由边界，底面采用固定约束，侧面采用法向约束。

计算载荷主要为结构自重载荷，其中住宅楼砖混结构载荷根据其建筑面积按照2.5t/m2进行计算。

图4 计算模型的网格划分图

3.2 计算参数

根据场地勘察资料以及设计施工说明，分析时将性质相近的土体进行了合并，并对勘察报告中提供的参数做一定的折减，具体计算参数如表1所示。

表1 地层及隧道材料参数

4 住宅楼稳定性分析

4.1 沉降变形分析

双连拱隧道采用单导洞法先施工右半侧隧道，待中墙施工完毕后开挖左半侧隧道，在开挖过程中提前注浆。各施工阶段总体沉降云图如图5、图6所示。

4.2 住宅楼不均匀沉降及稳定性分析

分别读取各个住宅楼地基4个角点（顺时针顺序）的最终沉降量，角点位置示意图如图7所示，各角点沉降值见表2（负号表示沉降）。

图5 右侧隧道施工完毕后的沉降云图

图6 左侧隧道施工完毕后的沉降云图

表2 住宅楼地基沉降值表

芙蓉小区住宅楼尺寸为70m×12m，因此可计算沿住宅楼地基四边单位长度不均匀沉降值，见表3。

表3 住宅楼地基单位长度不均匀沉降值表

住宅楼单位长度不均匀沉降均处于较小范围，其中两侧的住宅楼沿短边方向的不均匀沉降值略大于其沿长边方向值，表明在暗挖施工影响下，此两栋住宅楼为侧向倾斜；中间位置的住宅楼沿长边方向的不均匀沉降值则略大于沿短边方向，受施工影响该住宅楼偏向于沿长边方向倾斜。综合考虑3栋住宅楼的计算结果，中间位置的住宅楼沿长边方向的不均匀沉降最大，其最值为7.67×10-5m/m，据《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011）[8]，其不均匀沉降量应小于0.002m/m。因此，受暗挖施工影响，芙蓉小区住宅楼的不均匀沉降符合规范要求。

4.3 隔离桩对住宅楼沉降控制的作用

为保证既有住宅楼的安全，设计要求在暗挖施工前在隧道两侧钻射∅800mm@1600mm钻孔灌注桩作为保护住宅楼的隔离桩。隔离桩起到减少暗挖施工沉降影响范围，保护邻近建筑物安全的作用。住宅楼不均匀沉降最大值7.67×10-5m/m远小于规范设定0.002m/m标准。因此，是否可以不设隔离桩有必要进行对比计算。

计算模型中省去隔离桩，其余条件相同。双连拱隧道开挖完毕后的总体沉降云图如图8所示。

图8 两侧隧道均施工完毕后的总体沉降云图

从总体沉降云图可知，不设置隔离桩时的沉降规律和设置隔离桩时相近，最大沉降区域仍然出现在中墙上部偏右的位置，沉降量为12.30mm，略高于设置隔离桩时的沉降值（10.30mm）。

施工完毕后的住宅楼沉降云图如图9所示。

图9 两侧隧道均施工完毕后的住宅楼沉降云图

住宅楼沉降最大位置与设隔离桩时一致，最大沉降值8.23mm，略高于设置隔离桩工况下的沉降值。

不设置隔离桩时的住宅楼地基沉降以及不均匀沉降分别见表4、表5所示（负号表示沉降）。

表4 住宅楼地基沉降值表（无隔离桩）

表5 住宅楼地基单位长度不均匀沉降值表（无隔离桩）

不设置隔离桩时的住宅楼沉降及不均匀沉降值仍然处于较小范围，其最大不均匀沉降值为1.17×10-4m/m，仍然小于规范要求。

通过是否设置隔离桩工况的对比可知，隔离桩对于减少隧道暗挖施工对周围环境的扰动、控制住宅楼沉降及不均匀沉降起到了积极的作用。对本工程而言，隔离桩设置与否和住宅楼的不均匀沉降值均符合规范要求范围，隔离桩并未显著改善住宅楼的安全状态。因此，从经济角度考虑，在实际施工过程中可以考虑不设置隔离桩。

5 结论

根据西安地铁临潼线起点—纺织城站区间工程暗挖段隧道的结构特点和既有芙蓉小区住宅楼结构及相关资料，采用数值方法分析，主要结论如下：

（1）暗挖施工对于直接下穿的住宅楼影响最为显著，对邻近下穿影响相对较小，中间位置住宅楼的最大沉降值为5.37mm，位于住宅楼邻近隧道开挖入口位置处。

（2）受暗挖施工的影响，这3栋住宅楼产生了不同程度的不均匀沉降，位于中间位置的住宅楼主要沿长边方向，最大值为7.67×10-5m/m；两侧住宅楼主要沿短边方向呈侧向倾斜，最大值为4.26×10-5m/m。

（3）隔离桩对于减少隧道暗挖施工对周围环境的扰动、控制住宅楼沉降及不均匀沉降起到了积极作用。本例中设置隔离桩与否，住宅楼均处于较安全范围。从经济角度考虑，可以考虑不设置隔离桩。

[1]吴波.复杂条件下城市地铁隧道施工地表沉降研究[D].西南交通大学，2003.

[2]于洁浩，高志萍，谢勇涛.浅埋大跨连拱隧道下穿既有建筑物施工沉降控制[J].隧道建设，2010(1)：67-71.

[3]盛春革.浅埋暗挖法在下穿公路连拱隧道施工中的应用[J].铁道建筑技术，2009（3）：39-43.

[4]李怀鉴，张桂扬.大断面连拱隧道暗挖工法数值模拟研究[J].石家庄铁道大学学报：自然科学版，2013（26）：51-56.

[5]郑学贵，郭军，吴胜忠.连拱隧道下穿高层建筑安全性分析[J].地下空间与工程学报，2010（6）：867-872.

[6]刘大刚，陶德敬，周仁强，等.城市隧道十字墙法施工引起的地表沉降及变形预测方法[J].岩石力学与工程学报，2007（增1）：2828-2833.

[7]刘波，陶龙光.地铁隧道施工诱发地表变形预测及反分析系统研究[C]//中国土木工程学会第九届土力学及岩土工程学术会议论文集，北京：清华大学出版社，2003：1346-1349.

[8]GB50007-2011建筑地基基础设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2011.

U25

A

1004-5716(2015)01-0175-04

2014-11-06

2014-11-14

唐明明(1984-)，男（汉族），山东淄博人，工程师，现从事地下岩土工程方面的研究工作。