浅埋大跨度地铁隧道下穿高层建筑施工控制研究*

许 军 彭 军

（重庆工程职业技术学院建筑工程学院，402260，重庆∥第一作者，副教授）

浅埋大跨度地铁隧道下穿高层建筑施工控制研究*

许 军 彭 军

（重庆工程职业技术学院建筑工程学院，402260，重庆∥第一作者，副教授）

浅埋大跨度地铁隧道近距离下穿高层建筑，容易造成隧道围岩偏压失稳、建筑物基础不均匀沉降等现象。以青岛地铁隧道近距离下穿高层建筑为工程依托，选用数值计算结合现场监测的方法，研究了地铁区间隧道施工过程的围岩变形特性及建筑物基础稳定性，并提出了相应的施工控制措施。研究表明：下穿隧道采用三台阶法开挖+超前注浆加固+及时施做初期支撑的施工控制技术，隧道拱顶变形与建筑物基础沉降差异均能满足安全要求；下穿隧道采用三台阶法开挖时的沉降数据表明：上台阶开挖是控制地层变形与建筑物差异沉降的关键步骤，施工时要及时施做后期支护，尽早做到闭合成环。

浅埋大跨度地铁隧道；下穿建筑物；施工控制；数值分析；现场监测

Author＇s address Institute of Architectural Engineering，Chongqingpolytechnic College，402260，Chongqing，China

近年来，随着国内各大城市地铁建设的蓬勃发展，区间隧道下穿市区高层建筑的情况也愈发频繁，受建筑物超载偏压、建筑基础应力集中、隧道近距离开挖扰动剧烈等因素的影响，极易引起围岩偏压失稳、地表建筑物不均匀沉降、地基基础倾斜开裂等工程事故［1-3］。

关于隧道下穿建筑物围岩稳定性分析及建筑物安全控制等方面的研究已经取得了较为丰富的成果。文献［4］鉴于土体劣化与结构刚度对地表沉降的作用，通过数值计算分析，研究了下穿建筑物段地表沉降的变化规律；文献［5］以昆明轨道交通盾构区间为例，对地铁隧道下穿站台无柱雨棚的施工风险进行了综合分析，并提出规避风险的措施；文献［6］通过建立小净距隧道下穿既有建筑物的三维数值力学模型，研究了建筑桩基的变形特性、围岩塑性区分布和衬砌力学响应；文献［7］揭示了隧道下穿施工引起的地表建筑物的变形规律及破坏模式，建立了建筑物开裂和沉降之间的关系，并优化了施工方法与支护参数；文献［8］通过数值模拟分析了浅埋隧道采用CRD（中隔墙加台阶工法）下穿建筑物的沉降规律，提出了多种施工辅助措施，确保了下穿施工安全；文献［9］研究了区间隧道开挖对地上结构基础沉降和地层应力的反映，发现结构基础受隧道开挖扰动会出现显著的应力突变现象，相应围岩出现应力集中。

上述研究成果对隧道下穿建筑物沉降分析及稳定性控制具有重要指导作用，但对于浅埋大跨度隧道近距离下穿高层结构的施工控制及稳定性分析的研究还不成熟。本文以青岛地铁下穿山东出入境检验检疫局高层建筑为依托，采用数值模拟结合现场监测的方法，分析了浅埋大跨度隧道施工过程的围岩稳定性及建筑物基础变形分布特性，提出了相应的施工控制措施，确保了下穿隧道施工的安全稳定。

1　工程概况

青岛地铁3号线火车站—大学路站区间隧道起讫里程为K0+215.2～K1+410.8，选用单洞双线暗挖断面、马蹄形复合衬砌结构。该区间段地面交通流量大，沿线建筑物分布密集。其中，高层建筑物主要有人民会堂、伟东尚城、出入境检疫局等，其建筑结构安全等级高，对地面变形控制要求严格。

山东出入境检验检疫局为框架剪力墙结构，地上27层，层高均为3.3 m，地下2层，层高分别为5.0 m、3.7 m，基础形式为独立柱筏板基础。隧道施工至该段时近距离穿过建筑物基础，拱顶距建筑物基础底面垂直净距11.3 m，边墙距建筑物基础水平净距约为0 m。隧道下穿段地质情况及其相对位置如图1所示。

图1　隧道地层分布及其与建筑物的相对位置

区间隧道下穿建筑物段，地貌形态为山前侵蚀堆积坡地，围岩主要为第四系及强-微风化花岗岩，其中以微风化岩为主，围岩级别为Ⅱ～Ⅲ级。地下水主要为基岩裂隙水，含量不丰富。下穿段隧道采用钻爆法施工，锚喷支护，复合式衬砌。

2　下穿建筑物施工控制措施

由于浅埋大跨度隧道近距离下穿高层建筑时，受建筑物超载偏压、隧道近距离开挖扰动剧烈等因素的影响，极易造成隧道围岩偏压失稳、地表建筑物不均匀沉降、地基基础倾斜开裂等工程事故。因此，制定合理可靠的施工方法与加固措施对确保建筑物稳定及下穿隧道施工安全具有重要作用。

以控制隧道围岩变形及建筑物基础不均匀沉降为目标，则下穿隧道采用的加固措施包括：

（1）隧道采用三台阶法开挖。每步开挖后立即施做初期护支，尽早封闭成环，避免隧道的变形发展。

（2）隧道拱顶施做超前支护。下穿段采用3 m长的φ42 mm超前小导管，其环距0.4 m，排距1.5 m，并在掌子面前方做好超前注浆加固，以提高地层刚度。隧道开挖后，应做好背后补偿注浆。

（3）初期支护采用锚网喷支护。其中，锚杆采用3 m长的φ22 mm螺纹钢，以间距1.0 m×1.0 m梅花形布置，钢筋网为φ8@200 mm×200 mm；混凝土为200 mm厚C25喷射混凝土。

（4）二次衬砌为600 mm厚C45现浇钢筋混凝土，以确保隧道及建筑物的长期稳定。

3　数值模拟分析

3.1建立计算模型

建立隧道下穿建筑物段的稳定性分析计算模型。模型尺寸（x×y×z）为120 m×60 m×60 m，边界条件为上边界采用自由面，四周受水平约束，底面为竖向约束。围岩选择Mohr-Coulomb弹塑性屈服准则，初期支护、二次衬砌均选择实体弹性模型，锚杆选择cable单元，超前支护通过提高其加固圈围岩性质来近似模拟。建立的数值计算模型如图2所示。模型物理力学参数如表1所示。

3.2计算结果分析

隧道开挖后，围岩及基础结构的沉降变形分布及塑性区发展情况特征明显。

3.2.1围岩位移分析

图3为隧道开挖后地层的竖向变形云图，可以看出：①隧道最大沉降值为10.4 mm，出现在隧道拱顶处，地表最大沉降为6.2 mm，出现在建筑物边缘处；②隧道左右两侧地层沉降表现出明显的不对称性，围岩变形偏向于有建筑物的一侧。这说明建筑物所产生的超载作用促使围岩变形加剧，其沉降量增幅与建筑物自重有关。

表1　模型物理力学参数表

图2　数值计算模型图

图3 隧道围岩竖向变形云图

图4为隧道不同施工步骤下的地表沉降曲线，分析发现：①地表沉降槽最大值出现在建筑物左侧边缘处，隧道中心至建筑物边缘区域是地层变形最大的区域，这是由于该区域受建筑物超载偏压与隧道开挖扰动的共同影响，故围岩应力场变化剧烈；②随着施工的进行，地层沉降逐渐增大，各施工步骤的地表最大沉降依次为3.26 mm、5.14 mm、5.96 mm、6.13 mm，分别占总沉降的53.2%、30.6%、13.4%，2.8%，上台阶与中台阶所占比重较大，这说明上台阶与中台阶开挖是地层变形控制的关键步序，施工时要及时施做初期支护，并尽早做到闭合成环。

图4　隧道不同施工步骤下的地表沉降曲线

3.2.2围岩塑性区分析

图5为不同施工步骤下的围岩塑性区分布图，可以看出；①隧道围岩的塑性区主要分布在右侧拱肩与拱脚部位，该区域受建筑物超载偏压的作用，围岩应力场变化剧烈，隧道开挖后容易形成剪切塑性与拉伸塑性破坏，施工过程中应重点提高该区域的支护强度，及时进行注浆加固；②随着三台阶法的施做，围岩塑性区逐渐向拱脚及拱底方向发展，施做二次衬砌后，围岩又恢复到弹性状态，这说明该施工工法能够保证隧道围岩的稳定性。

3.2.3建筑物沉降变形分析

图6为隧道开挖后的建筑结构的竖向变形云图，可以看出；①随着隧道的开挖，建筑物基础底部土层受扰动影响，地基承载力降低，靠近隧道一侧的地基变形剧烈，引起建筑物表现出明显的不均匀沉降；②高层建筑表现出结构整体向隧道方向倾斜的趋势，其最大变形出现在结构顶部，量值为18.01 mm。

图5　隧道不同施工步骤下的围岩塑性区分布情况

图6 隧道开挖后建筑物不均匀沉降云图

图7为不同施工步骤下的建筑物基础沉降曲线，分析发现：①隧道开挖前，基础沉降呈现平缓的抛物线趋势，最大沉降出现在基础中心处，两侧呈对称分布，最大沉降差（基础中心与边缘）为0.86 mm，结构基础整体平稳安全。②随着隧道的开挖，基础左侧沉降明显大于右侧沉降，差异沉降逐渐增大，各施工步骤的最大沉降差（基础左边缘与右边缘）依次为3.13 mm、4.93 mm、5.86 mm、6.01 mm，分别占总沉降差的52.1%、29.9%、15.5%， 2.5%，可见，上台阶开挖所引起的基础差异沉降最大。这是由于上台阶开挖打破了建筑物的初始应力场，对隧道与基础间的土体产生了较大扰动，致使靠近隧道侧的土体稳定性大幅下降，从而造成了该侧基础变形较大，引起基础不均匀沉降。③隧道开挖后，建筑物基础的最大差异沉降为6.01 mm，倾斜率为0.17%，远低于文献［3］提出的有关建筑物倾斜1.2%的预警值和文献［7］规定的高层建筑整体倾斜率为2.5%（60 m＜建筑高度≤100 m时）的允许值。这说明该施工加固控制技术能够确保建筑结构的安全性。

图7　隧道不同施工步骤下的建筑物基础沉降曲线

4　建筑物实测分析

在下穿隧道施工过程中，对该既有高层建筑进行地表沉降实时监测，整理分析得到的现场监测数据如图8所示。

图8　建筑物测点布置及地表沉降监测

由图8可知：①随着下穿隧道的不断推进，建筑物四周的地表沉降呈现不同的变化趋势，靠近隧道一侧的A、C点沉降显著，而远离隧道一侧的B、D点沉降基本保持平稳。这说明隧道开挖引起基础近端地层扰动剧烈，基础沉降增大，而基础远端与隧道距离超过3倍隧道直径，基本不受开挖扰动影响。②建筑物现场监测的最大差异沉降（基础近端与远端之差）约为5.67 mm，与未施做二次衬砌时的数值模拟值5.86 mm吻合度较高。这证明了数值计算的合理性。

5　结论

通过对青岛地铁隧道近距离下穿高层建筑的数值模拟及现场监测分析，可得到以下主要结论；

（1）浅埋大跨度隧道近距离下穿高层建筑，受建筑物超载偏压、隧道近距离开挖扰动剧烈等因素的影响，容易造成隧道围岩偏压失稳、建筑物基础不均匀沉降等现象，故制定合理可靠的施工方法与加固措施对确保建筑物稳定及下穿隧道施工安全具有重要作用。

（2）以控制围岩变形及建筑物基础不均匀沉降为核心指标，下穿隧道选取三台阶法开挖+超前注浆加固+及时施做初期支护的施工控制技术，数值计算及现场监测表明，隧道拱顶最大沉降为10.40 mm，建筑物基础最大沉降差为5.67 mm，均满足安全要求，表明该施工控制技术的合理性。

（3）隧道侧穿建筑物，地表沉降槽最大值出现在建筑物靠近隧道侧边缘，隧道中心至建筑物边缘区域是地层变形剧烈区域；下穿隧道采用三台阶法施工，上台阶开挖是控制地层变形与建筑物基础差异沉降的关键步骤，施工时要及时施做初期支护，尽早闭合成环。

［1］ 张明聚，刘晓娟，杜永骁.复合地层中盾构施工对邻近建筑物群的影响分析［J］.北京工业大学学报，2013，39（2）：214.

［2］ 陈星欣，白冰.隧道下穿既有结构物引起的地表沉降控制标准研究［J］.工程地质学报，2011，19（1）：103.

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［7］ 张顶立，李鹏飞，侯艳娟，等.城市隧道开挖对地表建筑群的影响分析及其对策［J］.岩土工程学报，2010，32（2）：296.

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Construction Control for Shallow-buried Large Span Metro Tunnel undercrossing High Buildings

Xu Jun，peng Jun

Thesituation of shallow-buried largespan tunnel undercrossing high buidings within close distance has drawn increasing attention，because it could cause the engineering disasters such as tunnel surrounding rock bias instability and building foundation uneven settlement.Based on the engineering practice of Qingdao metro tunnel undercrossing high buidings，the surrounding rock stability of tunnel and the deformation characteristics of building foundation have been researched by using numerical simulation and field monitorin data，corresponding construction control measures are put forward.The research shows that tunnel crown subsidence and building foundation differential settlement can meet the safety requirements when the construction control technology is used in the undercrossing tunnel，which includes three-step method excavation，advance grouting reinforcement and timely construction primary support.The maximum surface settlement caused by three-step method excavation shows that upper bench excavation is the key step to control the strata deformation and building differential settlement，so the primary support should be taken timely and the enclose lining be completed as early as possible.

shallow-buried large span metro tunnel；undercrossing building；construction control；numerical analysis；field monitoring

TU 433

10.16037/j.1007-869x.2016.03.020

*国家自然科学基金项目（51278511）

（2015-07-13）