盾构下穿贡街变形影响分析及风险控制

盛 超 （中铁十六局集团北京轨道交通工程建设有限公司，北京 101100）

1 引言

在建筑密集的城市环境中，盾构施工邻近或下穿已有建筑较为常见，而开挖施工引发的地表沉降却难避免，严重时将导致建筑物变形甚至遭到破坏。此外盾构施工对周边环境的影响因素较多，因此盾构施工引发土体变形的问题一直深受重视，国内外学者也对此做了大量的研究。[1]通过在软硬不同的模型土层中,进行盾构不同工作参数组合的掘削试验,得出一些盾构开挖引发土体变形的规律[2]。采用对隧道洞室周边及开挖面的土体施加由盾构机引起的各种荷载的方法模拟盾构施工,通过变化注浆压力及推进力研究盾构施工对周边土体及单桩基础的影响。[3]在讨论双孔平行隧道地表沉降计算公式在厦门地铁某区间隧道适用性的基础上,采用双孔平行隧道地表沉降计算公式、数值模拟及现场监测3种方法,揭示双线地铁隧道盾构施工引起的地表沉降分布规律和地表动态变形特性,分析影响地表沉降的施工控制参数的效果。

本文拟通过理论分析和数值模拟的方法，对施工引发的地下车库及围护桩变形问题进行预测和分析，并针对可能出现的问题采取一些控制措施。

2 盾构施工对周围环境影响分析

开挖隧道时，盾构机前端刀盘旋转切土，并用传送带将土运送至后方吊车调出地面，以此不断向前推进。在这样一个循环的动态过程中，周围土体受扰动变形，导致地表隆起或沉降，继而引发建筑物变形。由此看来盾构下穿建筑物，施工导致建筑变形或破坏是一个间接的过程，施工作用于土体，土体作用于建筑。因此，研究盾构开挖引发的地层变形的规律尤为重要。

2.1 盾构施工引发地表变形原因分析

①开挖面失衡：盾构开挖时，由于开挖面前后受力无法时刻保持平衡，因此开挖面前方土体一直处在压缩或应力释放的状态，由此造成开挖面土体隆起或者下沉。

②土体损失：掘进开挖时，出土量的设定要与开挖速度相匹配，当实际出土量大于理论值时，开挖面前方和周围土体约束不足，因此容易产生沉降。土体损失是引发地表沉降最直接且最主要的原因。

③盾尾间隙：盾尾脱离该段土体至管片拼装完毕有一定的时间间隔，且由于管片与土体之间存在的空隙无法避免，因此土体会产生瞬时沉降。如不进行壁后注浆，则土体会持续变形沉降，直至空隙被填实。当注浆压力不足以支撑周围土体时，仍会导致土体下沉；当注浆压力过大时，则会导致土体相应的隆起。因此，当沉降较大时，可在注浆时加大注浆压力，使隆起作用抵消部分沉降。

④土层固结：当盾构通过之后，受扰动的土体再次固结出现二次沉降，该阶段需要一个过程缓慢进行，当某一点瞬时沉降较大时，则后期累计固结沉降亦较大。

2.2 盾构施工对地层的影响分析

越来越多的学者对盾构引起的地面沉降进行研究，现阶段运用最为广泛的应为Peck公式，R.B.Peck通过大量的实测数据提出，地表横向沉降槽呈正态分布，地层移动是由地层损失引起的，同时给出隧道轴线上方地面沉降槽断面规律图。如图1所示。

地面的沉降与盾构开挖施工过程有着紧密的联系，通常可分为先期沉降、开挖面沉降、盾尾沉降、盾尾空隙沉降、和后期沉降五个阶段。

2.3 盾构施工引发桩基沉降变形规律

当隧道水平轴位于桩底以下时，桩周土体会随土体的开挖向下移动，进而使桩侧产生负摩阻力,增加桩体沉降，同时桩的承载力因扰动降低。此时桩体主要以竖向沉降为主，横向变形则不明显，一般可不做考虑，如图2所示。

图1 隧道上方沉降槽断面形状

图2 隧道-桩-土相互作用

当隧道轴线位于桩底上方时，桩周围位于隧道轴线上方和下方土体有着不同的变化趋势，上方土体往下移动，使桩体沉降，而下方土体往上隆起，使桩体上移，此时桩体两端受压，桩体主要产生水平方向的变形,竖向沉降较小。如图3所示。

图3 隧道-桩-土相互作用

3 工程实例

3.1 工程概况

大连路站～北京路站区间自大连路站北端头井引出，沿规划北京路行至兴集排灌站后折西转向繁华大道，至区间终点北京路站东端头井。该区间线路两侧主要为各类民用建筑物、工业厂房、安徽工商联企业总部、在建工地、空地及绿化等。隧道区间线间距12～15.17m，隧道顶部埋深为11.5～21.1m，曲线最小半径为350m。隧道与贡街平面位置如图4；隧道与贡街地下室及围护桩剖面位置关系如图5。

地下室底板标高为20.1m，下部抗拔桩长约1.6m；隧道轴线距离抗拔桩底距离约为8.5m；贡街地块基坑围护结构采用800@1500围护桩，与区间隧道相交处部分围护桩侵入隧道结构，区间施工前需拔除；贡街下方隧道埋深约18m，周线距离15m；穿越处地层为⑥2黏土层。

3.2 数值模拟

本文对盾构下穿贡街模型做了简化，旨在研究一般性规律，用以本工程参考。隧道与地下室即围护桩数值分析模型如图6。

图4 隧道与贡街平面位置

图5 隧道与结构相对位置

图6 数值分析模型

图7 开挖结束后地面沉降云图

从上图中可以看出：沉降云图在建筑物附近发生弯曲，建筑物周围沉降相对较小，而对应右侧沉降范围增大，应是由于建筑自重，使得土体往右下方产生沉降，因此上部荷载对地表沉降有一定的影响作用。而在围护桩附近，地层的变形没有明显的变化，由此可见，地层沉降对于无上部荷载的围护桩并无太大影响。

左线隧道开挖后，从沉降云图中可以看出，最大沉降处在隧道正上方，并由此向外递减传递。横向沉降云图出现明显区域之分，隧道轴线左右约10m之内沉降较大，10～20m次之，20m之外基本可忽略影响。

图8 左线开挖后地层沉降云图

图9 右线开挖后地层沉降云图

图10 放大数倍后地层沉降云图

通过分析图7、图8可知，待右线开挖完成后，沉降最大值出现在两隧道之间，右线隧道开挖时，对左侧土体造成二次沉降，沉降效果出现累加。图9为沉降云图放大后效果，地面沉降规律与横向沉降槽曲线规律基本一致。

图11 建筑物沉降放大后对比云图

通过模拟所得数据得知，地下室最大沉降量为3.579mm，地层最大沉降量为6.888mm,对比隧道和地下室沉降情况可见，地下室沉降量应小于隧道沉降，因地下室本身具有一定结构刚度，因此在地面发生沉降时，地下室沉降会受到本身刚度的限制，因此当实际工程中，加强结构刚度也是控制沉降十分有效的方法。

4 安全控制

4.1 工程重点和难点

①该隧道大连路～北京路站区间下穿贡街地下室车库，对贡街地下室基础保护是本工程重点兼难点所在。

②贡街面积较大，地下车库部分处于隧道轴线正上方，周围荷载较为复杂，在考虑开挖引发地面沉降时需考虑较多因素，同时该处隧道走向为曲线，容易造成不均匀沉降。

③盾构开挖需要穿过贡街围护桩群，部分围护桩侵入隧道，因此要提前拔除。在围护桩拔除之后，地层原有的受力形态遭到破坏，则开挖属于二次破坏，地层受土体开挖影响加重，施工难度较高，应特别注意。

④对于贡街地下室来说，围护结构遭到破坏，加之盾构开挖二次影响，因此出现事故的几率较大，大大增加了施工难度。

4.2 控制措施

根据理论和模型的分析，工程中拟通过调整施工参数对施工造成的地表和建筑物变形进行合理控制。具体措施如下：

4.2.1 土仓压力控制

在盾构穿越贡街阶段，推进时应设置梯度压力，根据土体的变形情况调整压力大小，尽量使盾构机匀速施工，保持开挖面稳定。设定压力时，将实际值设定至理论值的105%～115%左右，即预备压。推进时，要加强地层变形监测，将地面沉降严格控制在-10mm～+8mm内。

4.3 掘进速度

盾构掘进相对于出土速度过快时，开挖面会因过度挤压而导致土体向上隆起，反之沉降，因此要避免开挖速度过快或过慢，根据出土能力控制在一个合理范围内。本工程拟控制掘进速度每分钟2～3 cm。这样可以充分释放盾构掘进所产生的应力，从而避免由于掘进应力过大造成土体破坏，减轻土体扰动。

4.4 盾构姿态控制

盾构开挖穿越贡街地下室和围护桩的过程中，要保持姿态的稳定。在进行姿态调整时要小幅度、均匀纠偏，减小盾构行进对盾壳周围土体和围护桩的影响。保持盾构姿态变化曲线缓和，将垂直方向变化控制在-50～+20 mm范围内，水平方向变化控制在±50 mm范围内。

4.5 注浆及地质雷达检测

管片拼装完成后，要及时跟进壁后注浆，注浆量和注浆压力以理论计算值为基础，结合监控量测反馈信息调整注浆量和注浆压力的大小。

6 结语

盾构下穿上部建筑和既有桩基时，首先要根据工程特点预测沉降规律和不同程度范围。然后针对性的采取控制措施，控制好施工参数，保持开挖稳定，严格控制施工对周围土体的扰动，尽可能减小施工对周围环境的破坏，必要时可根据实际情况对既有结构进行加固。同时应提前做好全面分析，制定应急预案，加强施工过程控制。