上砂下岩地层中矿山法隧道下穿建筑物技术研究

张秀山

(中铁工程设计咨询集团有限公司济南设计院，济南 250001)

城市中修建地铁，过大的地面沉降将会给道路、地下管线及周边建(构)筑物带来严重影响，甚至造成巨大的人身和经济财产损失[1]。同时地铁施工受地质条件影响较大[2]，在第四系土层中的硬岩上浮段始终是风险监控的重点部位。以青岛市地铁3号线万年泉路站—李村站区间为例，隧道从中风化花岗岩逐渐过渡到富水上砂下岩的地层，且连续穿越既有建筑物，富水砂层中洞内坍塌突水、岩层爆破开挖都会对隧道施工和地面建筑物带来严重的安全隐患。研究隧道在富水上砂下岩特殊地质条件下下穿建筑物合理施工工法[3-4]，提出合理变形控制措施，对保证建筑物安全、降低施工风险有重要意义，并能取得较好的经济效益。

1 概述

1.1 工程概况

图1 隧道下穿建筑物总平面

地铁3号线是青岛市建设的第一条地铁线，线路在万年泉路站—李村站区间向北下穿李村河后，沿京口路路侧接入李村站。受地铁2号线换乘站站位及线路平面曲线要素等因素制约，区间连续穿越6幢建筑物(图1)。建筑物均建于20世纪90年代，使用功能不同，涉及产权人众多，拆迁难度大。最终提出房屋不拆迁且能保证建筑物在隧道整个施工期间正常营业基本要求。

既有建筑物基础落在粉质黏土层，地基软弱，地基承载力特征值仅140 kPa，失水易沉降。基底与隧道之间竖向净距约10 m；隧道为马蹄形断面，拱部由中风化岩层逐渐进入砂层，直至上半断面为砂层、下半断面为岩层的状态。砂层含水量大，与李村河存在水力联系，开挖易引起洞内坍塌、突水，进而引起地表塌陷及建筑物破坏，施工风险极大。

1.2 房屋鉴定结论

既有房屋基础资料严重缺失，没有竣工验收变形数据及服役期内沉降监测记录，仅从规范和结构概念入手，无法给出建筑物科学的沉降控制指标[5]。第三方鉴定评估单位对地面建筑物的结构类型、基础形式、现有质量状况等方面进行了鉴定：房屋安全性等级为Bsu级，有极少数构件需采取措施；并给出了房屋的累计沉降量及沉降差(相邻两框架柱间或相距10 m两测点的沉降差)控制标准(表1)，同时要求爆破控制振速均小于1.0 cm/s。

表1 区间下穿建筑物控制标准

1.3 水文地质

隧道下穿建筑段地层上部覆盖较浅素填土，向下依次为粉质黏土、粗砂、强风化花岗岩夹层、中风化花岗岩、微风化花岗岩(图2)，地层物理力学参数详见表2。建筑物基础下的粉质黏土为褐～黄褐色，可塑，具中等压缩性，韧性一般、结构性较好，含少量粗砂颗粒。隧道穿越的粗砂层为褐黄色，饱和，中密～密实，主要矿物成分为长石、石英，含5%黏性土，含有较多角砾、碎石。场区地下水丰富，主要有松散土层孔隙水及基岩裂隙水两种，受李村河影响，地下水有丰富的补给来源。

图2 隧道下穿建筑段地层地质纵剖面

表2 土层物理力学参数

2 设计方案

2.1 方案的选择

针对下穿建筑物段在隧道工法选取上有矿山法、盾构法、冻结法。盾构法施工安全，作业环境好，但地层上软下硬[6-7]，施工时易出现砂层及地下水流失，引起房屋较大的不均匀沉降；受地面建筑物影响，对砂层预加固困难。冻结法形成的冻结帷幕刚度大，控制变形好[8-9]；但围岩冻融会引起建筑物的沉降变形，且冻结帷幕受爆破振动影响大，宜发生开裂突水现象。矿山法对地层有较强的适应性和高度灵活性，特别是在城市地铁修建方面，以改造地质条件为前提，以控制地表沉降为重点，我国已经积累了丰富的理论和实践经验[10-11]。

结合下穿建筑物段的工程地质及水文地质条件，在洞内对富水砂层进行注浆，同时起到止水和加固地层双重效果；加强初期支护，尽量减小地面沉降，可以把建筑物沉降控制在变形允许范围内。经研究分析最终确定土岩分界面以上部分采用超前帷幕注浆方案。

2.2 砂层的止水和加固

隧道开挖过程中，在掌子面预先打设超前探孔，查明隧道前方及结构外侧富水砂层分布范围，对遇到的富水砂层，及时进行注浆处理。

注浆采用WSS深孔注浆工艺，注浆范围为掌子面及洞侧外扩5.0 m的砂层；纵向循环注浆长度为10 m，每循环预留4.0 m止浆岩盘。浆液采用硫铝酸盐水泥、水玻璃浆液[12]。初始注浆孔间距为0.2～0.4 m，末端间距控制在1 m范围内；注浆压力控制在0.5～0.8 MPa；先注外圈，再注内侧，通过添加外加剂调节凝结速度，防止浆液流失[13]。

每一注浆段注浆完成后，应钻孔取芯检验。要求每个掌子面钻3～5个孔，观察浆液填充是否均匀，且土体渗透系数小于10-4cm/s，强度大于0.4 MPa。若注浆未达到要求，应进行补偿注浆，以保证砂层注浆加固及止水效果[14]。

2.3 初期支护加强措施

隧道开挖前拱部120°范围打设φ76 mm自进式管棚，长10 m，环纵间距400 mm×6 000 mm；打设φ42 mm超前小导管，长4 m，环纵间距400 mm×1 000 mm。开挖进尺控制在0.5 m以内，格栅钢架纵向间距500 mm，在拱腰位置每侧采用2φ42 mm，L=3.5 m长锁脚锚杆进行加强，初期支护采用C25混凝土湿喷，厚度300 mm。二衬采用C45、P10防水钢筋混凝土，厚300 mm (图3)。

图3 隧道支护断面(单位：mm)

2.4 岩层开挖控制措施

隧道下部中风化花岗岩开挖采用弱爆破或静爆破，做到“少装药、短进尺、弱爆破、轻扰动”，爆破振速严格控制在1.0 cm/s以内，同时利用上半断面砂层的开挖，形成爆破临空面，减小对注浆加固体和上部土层的扰动[15]。在土岩交界面，增设注浆管，及时注浆堵水[16]。

2.5 建筑地面加固措施

万隆商厦为隧道下穿的第一栋重要建筑，作为试点，在地面建筑物两侧斜向打设两排刚性袖阀管，纵横间距2 m×2 m，管长约22 m，覆盖基础底。袖阀管打设完成后、隧道穿越前先施做注浆一次，后续根据隧道施工及监测情况进行建筑基底补偿注浆。同时对建筑周边及室内布设监测点，进行实时监测。

3 模拟计算

区间隧道拱部由中风化岩层逐渐进入富水砂层，根据建筑物位置和穿越砂层的厚度，选取两种典型断面建立模型进行计算分析，一种为上半断面位于富水砂层、下半断面位于岩层条件下穿中国银行李村支行，另一种为拱顶上部位于富水砂层条件下穿万隆商厦，重点研究隧道开挖过程中地表变形及隧道周边围岩应力的变化规律[17-18]。考虑到初衬施工完成后，围岩变形趋于稳定，施做二衬对隧道围岩应力分布和地面沉降的影响较小，因此数值模拟中不考虑二衬工况。

采用FLAC3D有限差分软件建立模型进行数值模拟。参数取值方面，前期从地面进行了注浆加固实验，在隧道开挖过程中也进行加固体取芯验证，表明注浆砂层地质参数明显改善[19]：密度为2 100 kg/m3，黏聚力为60 kPa，内摩擦角为37°，弹性模量为100 MPa，泊松比为0.26。

3.1 下穿中国银行李村支行数值模拟计算

中国银行李村支行为6层底框结构，钢筋混凝土条形基础，平面位置在隧道右线上部。此处隧道上半断面处在粗砂层，下半断面为中风化花岗岩，隧道覆土厚度为11.3 m。为了研究隧道施工引起地面沉降的变形规律，模拟按每次开挖0.5 m，然后施做初衬，如此反复循环，直至右线开挖至40 m；左线掌子面在右线开挖18 m后开始施工。提取右线开挖至6，12，18，24，30，36 m和40 m位置处计算结果进行分析。

右线为先行隧道，且在建筑物下部，提取右线隧道应力进行分析(图4、图5)。可以看出，最大压应力为4.29 MPa，产生在隧道中部的拱肩；最大拉应力为4.57 MPa，产生在拱顶;掌子面均处于受压状态，最大压应力值为0.18 MPa。说明在加强初期支护的同时，也应保证掌子面的稳定。

图4 右线隧道最小主应力云图(单位：Pa)

图5 右线隧道最大主应力云图(单位：Pa)

提取各施工阶段地表沉降曲线进行分析(图6～图8)，在左线隧道未开挖前其地表沉降很小，说明右线隧道开挖对左线地表沉降影响很小。之后随着右线、左线隧道的同时开挖，地表沉降逐渐增大，差异沉降在建筑物变形控制要求以内。由表3可以看出，随着开挖距离的持续增大，地表变形将逐渐趋于稳定，沉降值均在12.0 mm以内，满足既有建筑物总沉降控制值15.0 mm要求。

图6 地表三维沉降曲线

图7 右线隧道中心地表沉降曲线

图8 左隧道中心地表沉降曲线

表3 施工阶段地表最大沉降值

3.2 下穿万隆商厦数值模拟计算

万隆商厦为7层钢筋混凝土框架结构，钢筋混凝土条形基础，平面尺寸39.6 m×55.6 m，跨越两条隧道。隧道覆土厚度约为14.8 m，全断面处在中风化花岗岩中，拱顶上部为富水砂层。模拟按每次开挖0.5 m，直至右线开挖至40 m。相比中国银行李村支行，隧道所处地层有所改善，右线隧道开挖12 m后便开始施工左线。提取注浆加固后右线隧道开挖至6，12，18，24，30，36 m和40 m位置处计算结果进行分析。

提取先行施工的右线隧道进行应力分析(图9、图10)。隧道围岩最大压应力值为7.24 MPa，出现在距洞口36 m拱脚处。最大拉应力值为4.5 MPa，出现在隧道拱顶。掌子面始终处于受压状态，但压应力在安全范围内，拱脚处出现应力集中，达到0.43 MPa，此时应注意上台阶和下台阶衬砌施工的间隔时间。同时需要加强衬砌内力监测，以避免施工风险。

图9 右线隧道最小主应力云图(单位：Pa)

图10 右线隧道最大主应力云图(单位：Pa)

提取各施工阶段地表沉降曲线(图11～图13)，可以看出：左线隧道未开挖前其地表沉降很小，说明右线隧道开挖对左线地表沉降影响很小。之后随着右线、左线隧道的开挖，地表沉降逐渐增大，差异沉降在建筑物变形控制要求以内。由表4可以看出，隧道整个开挖过程地表整体沉降较小，满足既有建筑物总沉降量控制要求。作为对比，不进行砂层注浆加固，数值模拟的地面沉降最大值为17.90 mm，说明针对富水砂层注浆加固，地表沉降的控制效果很好，可有效保证建筑物安全。

图11 注浆加固地表三维沉降曲线

图12 右线隧道中心地表沉降曲线

图13 左线隧道中心地表沉降曲线

表4 施工阶段地表最大沉降值

3.3 数值模拟结论

为了研究砂层加固效果和加固厚度的影响，现对每个施工阶段的地面最大沉降值进行统计，并与注浆前模拟计算结果进行对比(图14)，可以看出：

(1)对富水砂层注浆加固，可提高砂层的c、φ值，对控制建筑物的沉降效果明显；

(2)随着隧道范围内穿越砂层厚度的增加、岩层厚度的减少，地面沉降变形明显增大，说明地面沉降主要由隧道洞身范围内砂层开挖引起。应结合周边环境和地质条件适当加大隧道埋深，减小穿越砂层厚度。

图14 各施工阶段地面最大沉降值对比

4 施工监测

洞内加强初期支护的变形、净空收敛及掌子面渗水监测[20]；地面加强建筑物的沉降、倾斜监测，由于建筑物处于正常使用状态，在室内设置自动监测点，根据监测结果及时调整隧道开挖支护参数，确保上部建筑安全。

在施工期间，各测点变化趋势较稳定，建筑物一直处于正常使用状态。注浆过程中，地表测点发生不均匀抬升，万隆商厦最大抬升11.74 mm；临近掌子面的测点有比较明显变化，远离注浆范围各监测点变化较稳定。在隧道开挖通过期间，地表及建筑物发生较小的沉降，沉降量1～3 mm；建筑物累计变化量以隆起为主，后续对其他建筑物没有采取地面加固措施，仅加强了监控量测。隧道内拱顶沉降和净空收敛变化较小，变化量累计最大分别为4.5 mm和1.57 mm。

隧道开挖期间止水效果较好，开挖一段距离后，拱部出现较多渗水点。说明基岩反复的爆破开挖，引起了注浆体开裂。采用φ32 mm，长2 m径向注浆管(环、纵间距为1.5 m×1.0 m)，进行初支背后注浆，较好解决了渗水问题，同时二次注浆加固圈可减小后期应力重分布引起的地层变形。

5 结论

隧道施工期间，各监测点变形均处于允许范围内，建筑物一直处于正常使用状态，说明采取的工法可靠、有效，主要结论如下。

(1)隧道穿越上砂下岩地层，采用矿山法施工，洞内对隧道轮廓外侧5 m范围采用深孔注浆，并加强支护措施，可以满足建筑物沉降控制要求。

(2)根据隧道施工过程中地表及建筑物变形数据来看，注浆工艺的选择适合本工程地层特点，而地表隆起值较大反映出注浆参数及工艺有优化的空间。实测地表沉降变形值小于计算分析值，经分析可能存在3个方面的原因：一是加固后的地层参数取值可能偏于保守；二是管棚超前加固措施有效隔离了隧道开挖引起上部土层变形；三是周边围岩对管棚以上地层的变形影响。

(3)鉴于此种地层条件下，爆破开挖振动波对加固后地层的土体质量有一定影响，有必要进一步研究、优化开挖工艺。