邻近小型盾构隧道施工安全评价标准及控制措施

鲁茜茜， 夏正茂, 韩高生, 蹇蕴奇

(1. 西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室, 四川成都 610031; 2. 中国电力建设股份有限公司洛阳分公司, 河南洛阳 471000; 3. 中国水利水电第四工程局有限公司, 青海西宁 810007)

随着城市快速发展，城市交通网愈来愈完善，城市用地面积愈来愈紧张，在既有小型隧道周围修建建筑物必不可免[1-2]，建筑物施工扰动必然导致既有隧道产生附加变形，为了确保既有隧道在修筑过程中的安全，必须事先明确建筑物修筑过程中既有隧道变形规律。

目前，已有部分学者利用数值模拟来研究施工对既有隧道的影响。张万斌[3]等利用MIDAS-GTS对拟建项目施工后既有隧道结构强度进行分析，确定拟建项目实施的可能性；刘方琨[4]等利用MIDAS-GTS研究建筑物修筑各施工阶段对既有隧道的应力场以及位移场的影响，并揭示了建筑物修筑过程中的应力重分情况，结果表示在既有隧道边缘40m范围以外，施工扰动对其影响较小；李国龙[5]等利用有限元软件对建筑物修建对既有隧道产生的扰动进行分析，结果显示建筑物修筑对既有隧道洞周收敛产生的影响较小，管片位移以及附加应力在允许范围内，从而证明施工方案的可行性；郑刚[6]等利用PLAXIS有限元软件研究不同施工参数下坑外既有隧道的变形影响区，得出影响区的大致形状为直角梯形；刘庆晨[7]等利用有限元软件ABAQUS对基坑的施工过程进行动态模拟，研究采取隧道两侧土体加固、浇筑底板以及堆载回压等不同控制措施对既有隧道的影响及有效性，指出有针对性地综合采用上述保护措施，能够及时有效地控制既有隧道上抬，保证地铁的安全运营；林杭[8]等利用有限元软件FLAC3D研究基坑长度、宽度以及既有隧道与基坑相对位置的变化对既有隧道影响的范围，位于基坑正下方和右侧的隧道，其拱顶的竖向位移和左拱腰水平位移与基坑宽度和深度成正比，与隧道中心和基坑相对距离成反比。但现有的研究主要集中在修筑建筑物与既有隧道两者之间的施工净距固定的施工案例，对两者在不同施工净距下，既有隧道产生变形规律研究成果尚不多见。

本文利用有限元软件ABAQUS对建筑物修建过程中，基坑开挖的“卸载”和上部结构修建的“加载”作用进行模拟，研究不同水平净距下开挖扰动对既有小型盾构隧道产生的附加变形，根据研究结果提出中小盾构隧道周围修筑建筑物的安全评价标准，并针对不同施作对象，提出控制既有隧道附加变形的措施，可为后续类似工程提供指导与借鉴作用。

1 数值计算模型及参数

由于既有盾构埋深15m，隧道外径4.2m，内径3.6m，管片厚度0.3m，开挖基坑尺寸为：横向36m×竖向17m(埋深)×纵向48m(沿隧道轴线方向)，为减小边界效应和考虑模型施工影响范围，现确定模型尺寸为：横向111m×竖向48m(埋深)×纵向120m(沿隧道轴线方向)，模型图见图1，其中建筑物基坑大样图如图2所示。

图1 整体模型

图2 建筑物基坑大样及管片接头处理

模型边界条件为，在模型侧面采用滑动铰支座，对侧面土体进行垂直该方向的约束；模型土体下表面为固定约束，对底部节点的位移及转角进行约束；模型土体上表面为自由面，用于观察上覆土体及地表沉降。

在数值模拟过程中，充分考虑隧道结构环缝以及纵向接头对隧道整体刚度弱化的影响，环缝接头位置采取刚度折减，折减系数为0.85，环缝的影响范围可近似取为纵向螺栓长度[9]，因此本文将环缝弱化区长度取为0.4m。既有隧道纵向接头处理结果如图2。材料物理参数见表1。

表1 材料物理力学参数

2 模拟施工过程

建筑物施工对既有隧道产生的附加变形表现在两个方面，一方面是基坑开挖“卸载”作用，另一方面是周围建筑物修建“加载”作用。先以既有隧道与建筑基坑的水平距离为1d、2d、3d、4d为计算工况(d=4.2m，为既有盾构隧道外径)，来研究邻近建筑物施工对既有隧道结构的影响。第一次施工开挖至地表以下5m，在地表以下4m位置施加第一道横撑；第二次施工开挖到地表以下9m，于地表以下8m位置施加第二道横撑，第三次施工开挖至地表以下14m，在地表以下13m位置施加第三道横撑，最后开挖至基坑底部并施作底板，基坑开挖完成后，由下至上拆除横撑，依次施加垂直于底板的建筑物荷载值，每一级建筑物荷载值为5层楼房建筑物荷载值，每一层建筑物荷载值参见相关规范确定为1 200kN/m2，共计20层。施工工序见表2。

3 计算结果分析

3.1 施工过程影响

在周围建筑物施工过程中，会对既有隧道产生一定程度的附加变形。既有隧道最大竖向、最大横向以及最大纵向变形曲线如图3～图5所示。

由图3可知，在不同水平净距下，基坑开挖卸载过程中既有隧道出现“上浮”，即既有隧道出现竖直向上的位移，这是

表2 建筑物施工步序

图3 既有隧道最大横向变形

由于随着基坑卸载的进行，既有隧道原有地层平衡条件被破坏，为趋于稳定既有隧道产生卸载方向的位移变形，且位移随着卸载的进行逐渐增大，当基坑施作完成最大竖向位移达到峰值，此后，既有隧道受到建筑物施工“加载”作用，对结构的“上浮”起到抑制作用，使得结构最大竖向位移逐渐减小。在不同净距下既有隧道产生最大竖向位移有所差异，随着施工水平净距的增大，最大竖向位移的峰值有所减小，从1d的42.57mm减小至4d的15.76mm，而且在施工净距为1d～3d，卸载和加载过程中，既有结构最大竖向位移方向发生变化，可能会随着施工的继续进行，使得既有结构产生过大的竖向变形，造成不利影响。

图4为不同净距条件下，既有隧道最大横向变形曲线图，以水平远离基坑为正，反之为负。

图4 既有隧道最大竖向变形

由图4可知，在不同水平施工净距下，各工况下既有隧道最大横向变形趋势相同，随着基坑卸载的施工既有隧道最大横向变形在数值上逐渐增大，基坑施作完成最大横向变形达到峰值；随着建筑物施作加载，最大横向变形有所减小最终趋于稳定，说明建筑物施工的“加载”作用对基坑开挖的“卸载”作用起到一定减缓作用，并且邻近建筑物的“加载”作用相对基坑开挖的“卸载”作用对横向变形的影响小，这是由于建筑物加载是在竖直方向改变原有平衡，对横向的影响较弱。在不同净距下，既有隧道的横向变形也有所差异，随着施工净距的减小，最大横向变形在数值上逐渐增大，从4d的16.61mm的逐渐增加到1d的20.7mm，增长幅度达到19.76 %，施工净距的减小，在一定程度加快了隧道结构的横向变形。

图5 既有隧道最大纵向变形

图5为不同净距条件下，既有隧道最大横向变形曲线图，正负同坐标轴取向相同。由图5可知，既有隧道的纵向变形同最大横向变形趋势相同，都是随着基坑“卸载”作用，最大纵向位移逐渐增大，当基坑施作完成达到峰值，之后随建筑物施作，最大纵向变形逐渐减小最终趋于稳定。施工净距对最大纵向变形的影响主要表现在最大纵向变形的峰值以及最终趋于稳定的最大纵向变形，随着施工净距的减小，这两者都有所增加，但变化差异不大，表明施工净距对既有隧道纵向变形影响效果不显著。

3.2 环向空间位置的影响

受邻近建筑物施工的影响，既有中小型隧道会产生不均匀附加变形，取基坑开挖完成后，既有隧道中心管片环竖向以及横向位移进行分析，其竖向和横向空间分布图见图6、图7。

图6 既有隧道管片竖向位移空间分布

图6为既有隧道管片衬砌竖向位移空间分布图，从0°位置开始沿雷达图顺时针方向为远离基坑方向，管片竖向位移以向上为正，反之为负。由图7可知，基坑在不同水平净距施工过程中，基坑的“卸载”作用，使得既有隧道管片衬砌整体出现“上浮”现象，受空间位置的影响，管片环的竖向位移呈不均匀分布，在迎基坑侧管片衬砌竖向位移变化显著，而背离基坑侧竖向位移变化相对较小，从而导致管片衬砌出现“椭圆化”。并且随着施工净距的不同，管片衬砌竖向变形表现出差异性，随着施工净距的减小，管片环竖向位移呈逐渐增大趋势，尤其是施工净距小于2d时，管片衬砌竖向变形急剧增加，管片衬砌“椭圆化”程度加剧，加大了既有隧道的局部失稳的可能性。

图7 既有隧道管片横向位移空间分布

图7既有隧道管片衬砌横向位移空间分布图，从0°位置开始沿雷达图顺时针方向为远离基坑方向，管片横向位移以靠近基坑方向为正，反之为负。

由图8可知，受基坑开挖的“卸载”作用，既有隧道周围原有地层平衡被破坏，为趋于稳定既有隧道管片横向位移整体靠近基坑卸载方向，受空间位置分布的影响，在靠近基坑位置的一侧，管片横向位移较另一侧变化显著，具体分布位于管片衬砌靠近基坑开挖侧的拱肩至拱腰位置。由于横向位移的空间分布的不均匀性，致使管片衬砌出现“椭圆化”，并随着施工净距的减小，既有隧道管片衬砌横向位移逐渐增加。因此在小净距下进行基坑的开挖，既有隧道管片衬砌环不均匀程度更为严重，极易导致管片衬砌错台以及开裂，在实际施工过程中应引起重视。

4 安全施工控制标准的确立

由于既有隧道空间位置分布特性，导致周围邻近建筑物施工对既有隧道产生不均匀附加变形现象较为严重，甚至引起工程事故。为了确保既有隧道以及新建构筑物施工过程中的安全，考虑两者水平净距，进而提出小盾构隧道安全施工控制标准。目前，我国多个城市将隧道结构变形限界值确定为±20mm[10]。综合以往既有盾构隧道变形控制实例，现将既有隧道结构竖向变形以及横向变形限界值确定±20mm，纵向变形限界值确定为±10m。根据数值计算结果，得到周围建筑物施工对既有隧道产生的附加变形如表3所示。

表3 周围建筑物施工附加变形

通过上述既有隧道变形限界值以及不同水平净距下产生的附加变形，最终确定既有隧道邻近建筑物的施工安全控制标准如下：当既有隧道和建筑物的水平净距大于3d(d=4.2m为既有隧道外径)，既有隧道产生的附加变形小于变形限界值，施工较安全，实际施工可根据监测结果，确定是否需要采取措施控制变形；当施工净距为2 d～3 d，既有隧道产生的变形与变形限界值相近，应采取适当措施控制变形；当施工净距小于2 d时，既有隧道附加位移大于限界值，施工危险，必须采取措施控制变形，保证施工安全。

5 隧道变形控制措施

周围邻近建筑物施工扰动使既有隧道产生较大的附加变形，可采取适当控制措施减小这种影响。对于邻近既有隧道附件变形控制措施，按照施作对象可分为：针对既有隧道结构、针对邻近建筑物、针对中间地层三类不同控制措施。

(1)针对既有隧道。施作过程中可采取回填注浆、设置高强度挡板、设置金属网、修筑二次衬砌以及对既有隧道管片衬砌螺栓进行加固等措施来控制既有隧道的变形。

(2)针对修筑建筑物。地表建筑物的施工，可增加修筑基坑的强度与刚度，做好防水排水措施来提高基坑的稳定性，并对基坑附近的土体做好监测工作以及应急防护措施，来减小地表建筑物修筑对既有结构产生的附加变形。

(3)针对中间层。这种控制措施，主要是用来减小邻近建筑物施工扰动的传播。可对中间层进行注浆加固，设置隔离桩以及对中间土体进行改良增加土体强度，来削弱邻近建筑物施工对既有隧道产生的扰动，从而控制既有隧道的变形。

6 结论

为了研究邻近建筑物施工对小盾构隧道的影响，本文利用数值模拟对建筑物施工对既有隧道产生的附加变形进行研究，模拟采用变刚度隧道结构模型并考虑了浆液的固化，根据研究结果最终提出了小盾构隧道近接施工的安全评价标准，得出以下结论：

(1)在邻近建筑物的施工过程中，基坑开挖的“卸载”作用会导致既有隧道管片“上浮”，而上部结构施作的“加载”作用则会抑制基坑开挖引起的既有隧道产生的变形，但相比之下基坑开挖作用效果更为显著。

(2)由于邻近建筑物在基坑开挖中的土体卸载作用，导致既有隧道结构将产生偏向基坑的不均匀变形，使得既有隧道管片衬砌出现“椭圆化”，当两者之间的水平净距达到2 d时，既有隧道的产生的不均匀变形急剧增大，最大竖向位移24.29mm，超出限界标准值。

(3)在邻近建筑物施工扰动下，既有隧道产生的变形主要有竖向变形和横向变形，在水平净距大于2 d时，两者都是主要变形且最大变形值相近；当施工净距不大于2 d时，以竖向变形为主，施工净距为1 d时达到42.56mm的变形值。

(4)当建筑物与既有隧道之间的净距小于2 d时，既有隧道产生的竖向变形超出限界值，基坑的开挖对既有隧道的扰动风险将增大，必须针对既有隧道、邻近建筑物或者中间地层采取不同控制措施。