盾构隧道下穿建筑物计算分析及对策

罗文静

（广州地铁设计研究院股份有限公司 广州510010）

0 引言

随着国家城市化进程的加快，城市人口出现了较大幅度的增长，原有的城市道路承载能力也越来越难以满足人们日渐增多的出行需求。因此，作为公共交通重要的一环，城市轨道交通迎来了跨越式发展。但是，在解决市民出行需求的同时，地铁到达的区域往往处于城市的繁华区，建筑物，管线密集。既有的建筑物难以为新做的轨道交通让步，因此，地铁建设行业也出现了越来越多的下穿，侧穿建筑物的现象。然而，隧道开挖会对周边土体产生扰动，引起地层变形，造成地表建筑物的不均匀沉降、水平位移和倾斜，严重时影响到建筑物的安全，造成巨大的经济损失［1，2］，故分析地铁建设过程对周边建筑物的影响并对建筑物的安全稳定性作出评估成了迫切需要研究的问题。目前盾构施工对周围环境影响的研究主要集中在盾构掘进对周围土层的扰动分析、新建隧道与高层建筑间距变化对其基础沉降的影响研究以及盾构施工引起的地表沉降分析［3～5］，或者侧穿建筑物的影响分析，且多采用数值计算的方法［6～8］，下穿建筑物的影响分析研究较少。

为研究盾构隧道下穿建筑物工况，本文以南昌地区某盾构区间下穿建筑物工况为案例，利用MIDAS GTS软件，进行模拟分析，结合现场实际监测数据及既有工程经验，就坑底加固措施为隧道下穿建筑物工程降低风险的有效性进行了深入分析，以期对以后相关工程的设计施工提供有意义的参考。

1 工程概况

该区间隧道临近副楼为12层框架结构，基础为单柱单桩的人工挖孔桩基础，桩径0.9～1.8 m，桩端扩大头直径0.9～2.8 m，桩长约8.5 m，持力层为砾砂层。根据地铁线路规划，两条区间隧道将于该建筑物下方穿过，距离建筑物桩基础底部净距约为4.2～4.9 m（见图1）。区间隧道为左右分建的两条单线隧道，线间距为12.5 m，采用盾构法进行施工，隧道顶部覆土约为14.1 m，位于全断面砾砂层，顶部土层主要为素填土，粉质粘土，中砂，粗砂及砾砂，稳定水位位于地下5 m。土层参数详如表1所示。

盾构隧道在砂层中下穿建筑物，施工风险较大，盾构开挖无法避免的土体扰动将可能对上方建筑物造成较大的影响，盾构穿越难以保证上方建筑物的安全。故根据现场情况及施工经验，本段区域采用双液静压注浆的方式对建筑物范围内盾构上方8 m，下方1 m，左右侧各3 m的区域进行注浆加固，注浆材料主要采用水泥-水玻璃双液浆，以降低盾构掘进过程中对上方建筑物的影响，保证上方建筑物的安全。

图1 建筑物与隧道关系平面及剖面Fig.1 Plane and Profile of the Relation between Buildings and Tunnels

表1 土层参数Tab.1 Soil Parameter

2 数值模拟

本文采用MIDAS GTS有限元软件针对此工程进行数值分析，MIDAS GTS软件作为岩土方向的专业软件，有着计算速度快，提供的本构模型及后处理操作多样的优点。

2.1 模型尺寸及模型参数

根据其围岩性质和设计需要选取合理的区域及尺寸，同时采用如表1所示的围岩物理力学参数建立模型。加固水泥土的强度要求为大于0.8 MPa，根据工程经验，计算中取加固体重度为20 kN/m3、弹性模量为200 MPa。建模时，计算模型中土体采用摩尔-库伦本构模型，结构采用弹性本构模型。土体采用三维实体单位，楼层板采用二维板单元，管片采用壳单元，柱子及桩基采用一维线单元。模拟地面为自由面，土体周边采用法向变形约束条件，底部采用全约束条件，初始应力场只考虑土体自重应力场，不考虑地层的构造应力（见图2）。

图2 计算模型示意图Fig.2 Schematic Diagram of Computational Model

2.2 主要模拟工况

根据相关施工参数及现场资料，为提高分析精度，特对建筑物进行三维计算。同时，设计以下2种施工工况进行建模分析，如表2所示。

表2 施工工况Tab.2 Construction Work

3 结果分析

为了更接近实际结果，本文针对加固后的土体参数，进行了适当刚度折减，以模拟施工过程中可能出现的加固效果打折现象。根据附近盾构工程在相同土层施工的参数经验积累，将下穿段土层损失率控制在3‰以内。工况1计算结果如图3、图4所示，工况2计算结果如图5、图6所示。

图3 工况1开完后地面累计沉降云图Fig.3 Cumulative Ground Settlement Cloud Map after Excavation （Condition 1）

图4 工况1柱间最大沉降差Fig.4 Maximum Settlement Difference between Columns（Condition 1）

图5 工况1开完后地面累计沉降云图Fig.5 Cumulative Ground Settlement Cloud Map after Excavation（Condition 2）

图6 工况1柱间最大沉降差Fig.6 Maximum Settlement Difference between Columns（Condition 2）

根据工况1计算结果（见表3），建筑物在经历了左右线两次穿越之后，建筑物沉降最终值为42 mm，其基础沉降差也达到了23.4 mm，导致其柱间倾斜率达到了3.16‰，建筑物结构受到了盾构下穿过程非常大的影响，导致受影响后的建筑物变形不满足规范［9］和设计要求，建筑物处于一个非常危险的状态。因此，对建筑物进行掘进前加固，以降低盾构通过过程中产生的土体扰动对其的不利影响，非常必要。

表3 三维计算工况结果统计Tab.3 Statistical of Three-dimensional Calculation Results

根据此情况，采用建筑物下方注浆加固措施进行处理，建筑物下方注浆加固有三大作用，其一为增加了建筑物下方土体的强度，增加其抵抗变形的能力；其二为增加了建筑物下方土体的均一性，保证土体在盾构推进的过程中能够体现出近似均质土体的性质，均等变形；其三为对土体中可能存在的空洞或者不密实进行填充。

建筑物在掘进前进行了加固之后，如工况2所示，建筑物在盾构推进过程中受影响较小，建筑物结构及桩基基础变形也表现出一个平稳的变化。在盾构左右线穿过之后，建筑物变形达到最大值，建筑物的最大沉降为13.5 mm，计算倾斜为0.8‰，满足规范及设计要求。相对于工况一而言，建筑物的受影响程度较小，加固隔离效果非常明显。对比监测数据，也从侧面证明了注浆加固效果的有效性。

4 处理措施建议

盾构下穿建筑物，作为一个工程重难点，应引起足够的重视与关注，在无法避免该风险发生时，应做好以下几点，积极应对，以降低工程风险。

⑴ 应对该处的建筑物基础和结构情况，水文地质情况，建筑物与区间隧道关系情况，周边环境情况进行充分的掌握，并根据现场情况，进行初步判断。

⑵ 从大处着手，优化线路参数，尽量降低风险。如确实无法降低，则应进行详细研究，根据具体情况，提出合理可行的处置措施。

⑶ 针对盾构掘进参数进行控制，做好同步注浆和二次注浆工作，保证盾构与原状土的空隙不能过多，暴露时间不能过长，并保证空隙被填充密实，以降低盾构掘进的影响。

5 结论

本文以南昌地区某区间下穿建筑物工程实例为依托，通过有限元数值模拟，并结合现场监测结果。得到以下结论：

⑴ 盾构下穿建筑物是一个工程重难点，在未采取措施的情况下，直接穿越风险很大；

⑵ 根据监测数据，本次模拟工况以及计算过程中采用的相关参数可以被证明是合理有效。针对盾构隧道下穿建筑物，对建筑物底部进行注浆加固，是一个降低建筑物所受盾构开挖影响的有效措施。

综上所述，针对此工程案例，双液浆注浆加固措施对于盾构下穿高层建筑物这一复杂工况达到了一定的加固效果，对于相似工程，有着一定的参考意义。