暗挖地铁隧道下穿既有建筑物沉降变化规律研究

刘会林 王东星

（1.西安科技大学建筑与土木工程学院，710054，西安；2.中铁十六局集团地铁工程有限公司，100018，北京∥第一作者，高级工程师）

历经业内多年的工程实践与相关研究，浅埋暗挖地铁隧道地表变形规律的研究已日益完善［2-4］，但当浅埋暗挖隧道下穿既有建筑物时，因施工工艺复杂，未知风险高和影响因素多，故有必要对暗挖地铁隧道下穿既有建筑物进行研究［5-7］。本文以西安地铁4号线某暗挖区间隧道下穿既有建筑物为依托，采用数值模与现场监测相结合的方法开展研究，研究结论可为类似工程提供参考。

1 工程概况

西安地铁4号线某暗挖区间隧道左线正穿既有建筑物，右线旁穿既有建筑物。左、右线隧道中轴线距离为25 m，左线下穿建筑物的起讫点为ZDK10+700—ZDK10+730。建筑物是一栋5层砖混结构，基础为条形基础，埋深为2 m，暗挖隧道拱顶距离地面16.5 m。由于现场的特殊性，仅在隧道内进行注浆加固，对建筑物基础不采取加固措施。建筑物与暗挖隧道位置关系如图1所示，暗挖隧道支护结构形式如图2所示。该暗挖区间隧道断面尺寸为9.58 m×9.50 m，拱顶150°范围内布设双排φ 42 mm×3.5 mm超前注浆小导管，对拱顶土体进行预加固，环向间距为350 mm，外插角度为15°。

图1 地铁隧道与地面建筑物位置剖面图

图2 地铁隧道支护结构断面图

图3 3种工况下的地铁隧道下穿建筑物数值计算模型

表1 区间土层材料物理力学参数

图4 建筑物沉降平面监测点布置图

2 模拟分析

2.1 计算工况

影响暗挖区间隧道下穿既有建筑物变形规律的因素较多，主要包括地质条件、开挖断面尺寸、地下水、隧道埋深、施工方法，以及房屋基础形式、基础上部荷载大小等。在其他影响因素相同的条件下，选取以下3种不同工况，利用FLAC有限元软件进行数值模拟：

（1）工况1：上下台阶预留核心土法；

（2）工况2：CD法（中隔墙法）施工；

（3）工况3：CRD法（交叉中隔法）施工。

2.2 模型建立及计算参数选取

结合地铁隧道开挖影响范围并参考地区经验，取隧道左右边界距离均为5倍隧道洞径，隧道底部距离取为3倍的隧道洞径，模型尺寸为：长×宽×高=100.00 m×50.00 m×56.45 m，隧道埋深16.5 m，坐标原点位于模型左下角。3种工况下的三维计算模型如图3所示。

区间隧道拱顶150°范围采用小导管注浆形成注浆加固圈，其厚度根据文献［8］的研究成果进行确定，数值模拟时用实体单元进行模拟。岩土体采用摩尔-库仑模型，相关计算参数如表1所示。

2.3 监测点布设

根据工程监测等级、影响分区，并结合现场实际情况，布置平面监测点，如图4所示。

2.4 计算结果分析

为避免产生群洞效应，首先对正穿既有建筑物的左线隧道进行开挖，待左线隧道开挖稳定后再进行右线隧道开挖。隧道开挖完成后对模拟结果进行分析，并对比3种不同工况下地表及建筑物变形规律。

3种工况下，I-I监测断面地表最终沉降曲线如图5所示。由图5可知，3种工况下的最大地表沉降值分别为33.16 mm、28.31 mm和23.63 mm，说明CRD工法在隧道开挖支护后得到的地表沉降值最小，能够较好地控制地表变形。3种工况下的地表沉降均由“V”形变为“W”形，并且地表沉降最大值都出现在左线隧道拱顶的正上方位置。

图5 I-I监测断面地表最终沉降曲线

图6 II-II监测断面地表沉降曲线图

图7 工况1建筑物沉降变形曲线

图8 工况2建筑物沉降变形曲线

图6 是II-II监测断面地表沉降曲线图。由图6可知，当左线和右线隧道开挖完成后，工况1，从左线开挖稳定后的沉降25.90 mm增加到右线开挖稳定后的27.20 mm；工况2，从左线开挖稳定后的沉降24.00 mm增加到右线开挖稳定后的25.20 mm；工况3，从左线开挖稳定后的沉降17.00 mm增加到右线开挖稳定后的19.30 mm。3种工况下的地表沉降分别增加了1.30 mm、1.20 mm和2.30 mm。

隧道开挖后，基底产生不均匀沉降从而导致建筑物基础沉降，这对主要影响区的砖混结构建筑物产生直接损害，并最终导致建筑物的差异沉降。对左线和右线隧道整个开挖过程进行监测，开挖完成后J1—J8监测点的沉降历时变化曲线如图7～9所示。

由图7～9可知，3种工况下建筑物变形趋势基本一致。监测点J1、J6、J7和J8在右线隧道开挖完成后表现为基本平稳状态；监测点J2、J3、J4和J5在右线隧道开挖后表现为先降低再平稳的状态。这主要是因为建筑物监测点与右线隧道的远近距离有关，建筑物监测点距右线隧道越近产生的沉降值越大。左线开挖完成后，3种工况下的建筑物监测点J3的最大沉降值分别为29.58 mm、26.15 mm和21.16 mm，比同一断面位置处的J8测点分别大4.10 mm、3.50 mm和2.68 mm，3种工况下产生的最大差异沉降分别为4.10 mm、3.50 mm和2.68 mm。当左线隧道正穿既有建筑物时，对建筑物竖向沉降影响较大且表现为均匀沉降，当右线隧道开挖完成并旁穿既有建筑物后，产生的差异沉降值增大。CRD工法在控制建筑物沉降变形及差异沉降方面，效果较为理想，这与CRD工法的支护强度、施工方法有直接的关系。但在开挖过程中，建筑物监测点J3和J4沉降值超过了允许变形值20.00 mm。为保证建筑物的安全，建议采用CRD工法并辅以合理的保护措施进行施工。

图9 工况3建筑物沉降变形曲线

图10 I-I监测断面地表沉降曲线

图11 II-II监测断面地表沉降曲线

3 下穿既有建筑物保护措施及现场监测

3.1 下穿既有建筑物保护控制措施

为保证暗挖地铁隧道下穿既有建筑物安全，在进行施工时主要从以下2个方面采取保护措施。

（1）施工措施：隧道开挖采用CRD工法进行施工，施工前对前方地层进行注浆加固；在穿越建筑物区段，隧道拱顶150°范围内采用φ108 mm大管棚进行加固，环向间距为350 mm，管棚设计长度为50 m。暗挖作业时应严格遵循“管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭、勤量测”方针，从而降低对周边环境的影响。

（2）现场实时监测。对建筑物及其周边进行动态巡查和实时监测，随时掌握建筑物的变化情况；若发现异常情况，掌子面立即停止开挖作业，及时挂网并喷射混凝土进行掌子面封闭，待查明原因后，方可进行下一步的开挖作业，从而保证建筑物的安全。

3.2 现场监测

下穿既有建筑物隧道开挖后的地表变形曲线如图10～11所示。从图10可以看出，随着左线隧道的开挖完成，I-I监测断面地表沉降量于12月27日趋于稳定，且最大地表沉降变形为14.40 mm，最大值出现在左线隧道中轴线位置处。12月27日后，当左线隧道开挖支护完成稳定后进行右线隧道开挖，地表沉降曲线从“V”变成形状“W”，地表沉降量从18.10 mm增加到24.90 mm，累计增加约27.3%；与数值模拟沉降值23.63 mm进行对比，差异仅为1.27 mm。

由图11可知，II-II监测断面由于右线隧道的开挖造成右线隧道上方地表形成新的沉降槽，并诱发地表最大沉降17.70 mm，说明管棚注浆加固措施起到了保护建筑物的作用；右线地表最大沉降值为15.06 mm，且在右线隧道正中心位置上方。由于右线隧道的开挖对左线隧道产生一定的影响，左线隧道地表沉降值得到一定增加，但增加量不到6.00 mm；由于实际施工过程中有大管棚加固的作用，而数值模拟过程中未考虑大管棚加固，导致模拟值19.30 mm比实际值15.06 mm大4.24 mm，这进一步说明大管棚注浆施工对建筑物起到了较好的保护作用。

隧道开挖过程中，对建筑物关键监测点J3、J8进行监测，变形曲线如图12所示。由图12可知，建筑物的沉降曲线主要分为Ⅰ—Ⅵ阶段，即：超前影响阶段、掌子面开挖影响阶段、滞后影响阶段、右线开挖影响阶段、滞后影响阶段、长期稳定阶段。测点J3、J8在开挖后160 d时变形还基本保持稳定，此后沉降增大，最终沉降分别为16.50 mm和17.90 mm，两测点的差异沉降为1.40 mm，差异沉降较小，满足建筑使用要求。J3监测点是采用CRD工法进行数值模拟产生沉降最大值的监测点。该点产生的沉降值是21.16 mm，比实际监测最大值17.90 mm大3.26 mm，误差为18.2%。这主要是由于大管棚加固起到的保护作用，使施工诱发的建筑物监测点沉降值均小于控制值20.00 mm。在施工过程中，未发现建筑物出现明显裂缝或不满足建筑结构使用要求的现象发生，这说明本文提出的保护措施合理可行。

图12 建筑物沉降变形曲线

4 结论

（1）暗挖地铁隧道下穿既有建筑物时，CRD工法在控制地表及建筑物变形方面效果最佳，CD工法次之，上下台阶预留核心土法产生的变形最大。

（2）数值模拟表明，隧道正穿既有建筑物施工对建筑物竖向沉降影响较大，对差异沉降影响较小，而旁穿时引起的差异沉降较大。

（3）现场监测表明，暗挖隧道地层采取保护措施后，利用CRD工法进行施工，引起的地表及建筑物沉降均在可控范围内，可保证建筑物的安全。