下穿式隧道盾构施工对建筑物群的影响及控制措施研究

郑亦博

(内蒙古自治区交通运输事业发展中心，内蒙古 呼和浩特 010020)

盾构法施工是公路、铁路隧道工程建设过程中普遍采用的方法，城市轨道交通建设项目的地下工程施工采用盾构法施工也较多。而地下隧道往往需要从地下穿越城市的繁华地段，有些区域地上建筑物较多，盾构施工条件较为复杂。因此，盾构掘进过程中穿越建筑物群是目前城市交通建设领域不得不面临和解决的问题。

在城市内特别是建筑物集中的地区采用下穿建筑物群的盾构法隧道施工会改变地基原土体的应力场，造成开挖面周围土体发生扰动，进而引发隧道周围土体发生位移，导致施工隧道周边地表变形以及建筑物群沉降，给工程及周边建筑带来安全隐患。

笔者采用数值分析方法，模拟盾构掘进过程，研究建筑物群的沉降变化规律，以期为同类工程提供参考。

1 工程概况

1.1 工程与地下通道的关系

本工程穿越建筑物群的区间隧道采用盾构法施工，区间左线全长732.56m，右线全长731.059m，线路自起点站直线出发，先后经过两个半径400m曲线段，后转直线进入终点站，左右线的线间距为14m～17m。

区间沿线下穿建筑物群，共有12幢房屋，均为砖混结构，条形基础，层数为地上2～6层，基础埋深2.4m～2.6m，盾构外壳距条形基础基底最小净距9.92m～17.46m。

建筑物均为邻近重要设施，接近度分区为非常接近，风险等级为一级。

1.2 工程地质及水文地质条件

穿越建筑物群的盾构施工隧道主要穿越细砂、粉质黏土及圆砾层。

盾构法开挖隧道施工场地的潜水基本赋存在全新统、上更新统冲洪积的黏性土、粉土、砂土、碎石土层以及中更新统洪积黏性土、粉土、砂土层中。其中富水性较好岩层主要为砂土层、碎石土层，黏性土、粉土层透水性较弱。

地勘钻探报告的场地地下水属潜水类型，钻孔内量测的稳定水位埋深13.2m～15.8m，水位年变幅1m～2m。

2 有限元分析模拟

2.1 土层参数选取

土层物理力学指标如表1所示。

表1 土层物理力学指标

2.2 有限元模型

本次有限元模型的计算软件采用的是MIDAS-GTS有限元计算软件。模型共划分232 599个单元。

为减小边界约束对计算结果的影响，x方向(垂直线路方向)、y方向(线路方向)边缘至建筑物距离均>50m，z方向(竖直方向)取至隧道结构下侧3D～5D(D为隧道直径)。

整体计算模型中，地应力场按自重应力场考虑，建筑物群、盾构管片、隧道开挖地层均采用实体单元来进行模拟，隧道施工下穿建筑物群以及盾构管片均采用弹性本构模型，岩土层则采用的是修正摩尔—库伦本构模型。

模型采用了有限元法中的位移边界条件，其土体模型的顶面为自由边界，底面为竖向固定约束，四周为法向位移约束。有限元模型如图1所示。施工区间隧道与下穿建筑物群的相对位置如图2所示。

图2 盾构区间隧道与建筑物群相对位置示意图

2.3 施工过程模拟

循环开挖进尺每步在3m左右，本次模拟共计开挖440m，采用左右线同时开挖掘进的施工作业模式。在盾构施工下穿隧道的掌子面处施加了0.14MPa的土压平衡压力。

初始阶段：盾构法开挖隧道前，需进行底层位移清零。模拟施工步骤为：①开挖隧道土体;②施作管片；③完成一次循环进行下一步开挖；④左右线贯通。

3 有限元分析计算结果

3.1 建筑物沉降变化规律

分别提取1#～12#建筑物在盾构掘进过程中各施工步下的沉降值，并绘制沉降变化曲线。限于篇幅，本文只列出具有代表性的2#、11#建筑物的沉降变化曲线，如图3、图4所示。

图3 2#建筑物沉降曲线

图4 11#建筑物沉降曲线

由图3、图4可知，盾构隧道掘进过程中，在盾构距离建筑物较远时，建筑物沉降很小，不足0.5mm。盾构掘进通过建筑物时，建筑物沉降迅速增大，且沉降主要发生在掘进通过建筑物前后共60m的范围内(约20个施工步)，之后掘进远离建筑物时，建筑物沉降变化再次趋于稳定。

由图3、图4可知，2#建筑物沉降最大值和最小值均为负值；11#建筑物最大沉降为负值，最小沉降为正值。盾构隧道由2#建筑物中部下穿，由11#建筑物端部下穿，因此，这表明2#建筑物两端均匀沉降，11#建筑物发生一定的转动，远离隧道一端在转动作用下产生向上的位移。

3.2 建筑物不均匀沉降变化规律

2#、11#建筑物的不均匀沉降变化曲线，如图5、图6所示。

图5 2#建筑物不均匀沉降曲线

图6 11#建筑物不均匀沉降曲线

盾构隧道通常不会恰好由中心下穿建筑物，因此势必产生不均匀沉降。由图5、图6可知，不均匀沉降同样主要发生在掘进通过建筑物前后共60m的范围内(约20个施工步)，在远离建筑物时不均匀沉降变化很小。

由图3～图6可知，2#建筑物沉降值(5.2mm)大于11#建筑物(3.3mm)，2#建筑物不均匀沉降值(1.4mm)却小于11#建筑物的不均匀沉降值(4.2mm)。这正是因为盾构隧道由2#建筑物中部下穿，不均匀沉降较小，由11#建筑物端部下穿，建筑物产生了一定的转动，不均匀沉降较大。

4 施工控制措施

根据数值分析计算结果，1#～12#建筑物最大沉降5.2mm，最大差异沉降4.3mm。

本例盾构隧道下穿房屋建筑群风险源等级为一级，建筑物允许沉降控制值为15mm，差异沉降控制值为5mm，各项数据均满足规范要求。

地下隧道工程下穿建筑物群风险较大，盾构掘进中仍需采取一定的处理措施。①控制盾构施工参数，并做好同步注浆及二次注浆措施。②加强施工过程监控测量， 并对测量结果及时分析反馈，根据分析结果实时调整盾构参数，做到动态监测，信息化施工。③监测到的数据应及时反馈以便指导施工，当发现数据有异常情况应立即采取措施，防止发生工程事故。如实测数据超过允许值范围，应立即采取措施并加密观测次数。 ④穿越建筑物群的施工过程中若出现较大不均匀沉降，经研究分析后可采取相应的加固、隔离措施，保证其安全。 ⑤施工单位应编制盾构隧道专项施工方案，同时编制专门的应急预案，应急预案应当具有可操作性，在施工中一旦出现施工紧急事故苗头，能够及时按照预案采取应急抢险措施，控制事故的进一步扩大。

5 结论

通过对盾构隧道下穿建筑群进行数值模拟，可以得出如下结论。①盾构隧道掘进过程中，在盾构距离建筑物较远时，建筑物沉降很小；通过建筑物时，建筑物沉降迅速增大，且沉降主要发生在掘进通过建筑物前后共60m的范围内；通过并远离建筑物时，建筑物沉降变化再次趋于稳定。 ②不均匀沉降同样主要发生在掘进通过建筑物前后共60m的范围内，远离建筑物时不均匀沉降变化很小。盾构隧道由建筑物中部下穿时，不均匀沉降较小，由建筑物端部下穿，建筑物产生了一定的转动，不均匀沉降较大。 ③对盾构下穿建筑物群，提出若干施工控制措施，可供同类工程参考。