小半径曲线隧道盾构近距下穿既有建筑物影响研究

陈 攀，刘臻煌，谷云秋，匡渝阳，宁英杰

(1.北京城建勘测设计研究院有限责任公司宁波华东分院，浙江 宁波 315000；2.湖南建工集团总承包公司，长沙 410029；3.宁波市公路与运输管理中心，浙江 宁波 315040；4.浙江交工新材料有限公司，杭州 311400；5.浙江大盈建设有限公司，杭州 311203)

随着我国城市轨道交通等基础设施建设的快速发展，地铁与城际交通隧道工程与日俱增。但城市建筑物密集，新建隧道的线形选择和空间布局受限条件诸多，下穿既有建筑物的工程案例[1-3]日益增多。采用盾构隧道下穿建筑物时，会对周围土体和建筑物产生一定影响，严重时会使建筑物出现开裂甚至破坏[4-5]。目前，许多学者对盾构施工时建筑物结构和隧道本身的安全问题进行了大量研究。

吴迪等[6]采用现场实测和有限元分析法对曲线隧道盾构施工进行全过程模拟，分析了隧道曲率半径和千斤顶不平衡推力对隧道周边土体位移的影响；丁慧文[7]针对软岩地层中小半径曲线隧道施工存在的问题进行分析，并提出了相应的解决方案和措施；张琼方等[8]针对软土地区盾构隧道下穿地铁施工过程进行现场监测，分析了下穿施工对已建隧道位移的影响过程和变形特点；王忠昶等[9]以大连地铁隧道盾构工程为背景,采用Adina程序建立了隧道-土体-基础-建筑物的共同作用模型，模拟了隧道开挖造成隧洞周围地层损失和应力的重分布，获得了建筑结构的位移及内力变化规律。从以上研究可以看出，学者在盾构直线隧道对构筑物的影响研究较多[10-12]。然而，受城市规划的制约或既有建筑的影响，部分路段在修建地铁时，隧道盾构掘进路线不得已采用小半径曲线模式。相较直线隧道，小半径曲线盾构隧道受既有建筑、地下水渗流、岩土介质等周边环境因素的影响更大，掘进过程中，周围建筑物损坏风险增高。因此，本文以某小半径曲线隧道盾构转弯下穿既有建筑物为例，分析盾构施工对地层变形及建筑物的影响规律。

1 工程概况

1.1 盾构隧道及既有建筑物

某线路区间为双洞单线隧道，区间起讫里程为CK29+336.343～CK30+727.092，最小圆曲线半径350 m，区间隧道顶部埋深约为18.1 m～29.9 m，采用2台Φ6.34 m土压平衡式盾构机施工。盾构法区间衬砌管片外径为6.2 m，内径为5.5 m，管片厚度为35 cm，环宽1.2 m，衬砌环错缝拼装。在里程CK30+430～CK30 +550段盾构连续下穿和侧穿构筑物。其中酒店和生活小区高层建筑物与双线盾构的平面位置关系如图1所示。酒店(高20 m)和生活小区高层建筑物(高45 m)主体均为钢筋混凝土框架结构，基础采用直径为0.9 m的钻孔灌注桩，桩长15 m。

图1 隧道与建筑物平面位置Fig.1 Plane position of tunnel and building

1.2 地质条件

根据地勘资料，本区段盾构穿越地层主要为：粘质粉土夹粉砂、粘质粉土夹粉质粘土、粉砂、粘土、粉质粘土。另外，工程北部靠近长江，南部靠近湖泊，该区有着非常庞大的地表水系，本区段的地下水为上层滞水和承压水。

1.3 施工难点

在本工程中，盾构下穿酒店和高层建筑物的难度较大，主要表现在：1) 穿越处地层多为粉质粘土，土层含水量大，地层变形沉降值大。盾构隧道距灌注桩距离较近，最小水平间距为5.4 m，竖向净距最小约2.46 m，贸然施工会对既有建筑物基础产生严重扰动，严重威胁既有建筑物安全；2) 由于盾构下穿处地层多为粉质粘土，土层含水量大，盾构过程中存在刀盘堵塞风险；3) 在曲线转弯处，由于管片的特殊受力状态，管片与管片之间存在斜向应力，使前方管片内侧角和后方管片外侧角形成2个薄弱点，可能导致管片之间产生相对位移，形成错台，严重时会引起管片破裂。

2 盾构下穿变形控制措施

2.1 建筑物及地表沉降控制

为减小盾构下穿过程中对建筑物及地面的扰动，在盾构开始之前对隧道周围土体采用二重管无收缩WSS功法进行注浆加固，注浆厚度为2 m。注浆孔采用跳注梅花形布置，如图2所示。

2.2 管片安装与间隙控制

在小半径曲线段，盾构机转弯速度较大时，隧道外侧盾尾间隙就会降低。而如果管片由于楔形量的因素出现提前转弯时，那么隧道内侧盾尾间隙也会缩小。因此，在难以利用盾构推进与管片拼装的手段来实现盾尾间隙调节时，选用楔形管片与直线型管片交换的模式来实现盾尾间隙的调节。

单位：m图2 注浆加固布置Fig.2 Layout of grouting reinforcement

2.3 盾构姿态控制

地铁隧道盾构机在施工过程中，在软弱围岩段掘进中易出现因自重导致“栽头”现象，以及左右转弯时盾构机姿态控制易出现不精确现象，特别是小半径曲线段转弯过程施工极为困难。因此，为了克服现有技术的不足，选用了一种带有姿态调整装置的地铁隧道盾构机，如图3所示。该机通过对各液压缸撑顶距离的协调调整，来增加掘进过程中盾构机某方向的掘进超前量，从而实现盾构机姿态调整。

(a) 姿态调整装置结构示意

2.4 既有建筑物变形控制标准

盾构隧道距灌注桩较近，施工难度较大，参考国内其他地区类似项目，并结合《建筑地基基础设计规范》(GB 50007—2011)[13]相关要求及工程实际特点[14-15]，确定建筑物变形控制标准为：地表沉降速率≤1 mm/d，累计沉降≤20 mm，建筑物局部倾斜≤0.002。

3 数值模拟

为探明小半径曲线隧道盾构下穿既有建筑物过程中对建筑物本身产生的影响，以及采取加固控制措施后盾构下穿既有建筑物是安全的，采用Midas GTS NX软件进行建模分析。

3.1 模型概况

考虑到盾构施工引起的边界效应，根据相关文献并结合实际工程[16]，模型水平方向尺寸取盾构隧道位置深度的3～5倍、竖向取2～4倍，确立计算模型尺寸为长200 m×宽150 m×高60 m。土体采用三维实体单元，楼板、隧道管片采用板单元，钢筋混凝土柱和桩基础采用梁单元，地表注浆后与土层成为一个整体，用实体单元模拟，通过改变参数实现其作用。三维有限元精细化模型如图4所示。模型上表面边界设为自由边界，底面约束其全位移，各侧向约束其法向位移，土体采用修正的摩尔-库仑弹塑性本构模型，建筑物及地铁区间隧道结构构件采用弹性本构模型。

单位：m图4 三维有限元模型Fig.4 3D finite element model

3.2 模型参数选取

根据岩土工程勘察报告和地铁与建筑物的设计资料，材料力学参数取值如表1和表2所示。

表1 土层物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters of soil layers

表2 结构材料力学参数Table 2 Mechanical parameters of structural materials

3.3 盾构隧道施工过程模拟

在隧道盾构施工中，为减少开挖引起的地层变形，需对盾构尾部空隙进行同步注浆，如图5所示。地铁盾构开挖模拟过程可分为3个阶段：1) 先施作盾壳，同时刀盘施加掘进压力，每环推进2 m，随后挖出开挖区的土体。2) 推进4环后，施加顶推力，并将管片安装至相应部位。3) 当管片安装好后，把盾壳移除，同时对盾尾进行注浆并施加注浆压力，由于注浆凝固需要一段时间，因此将注浆压力延后3个阶段施加。在模拟时，对初始阶段进行位移清零。

3.4 数值计算结果分析

3.4.1 地表沉降分析

地表沉降位移是表征隧道施工对地表扰动影响的一个重要指标，且与施工过程、施工方法和支护结构密切相关。盾构过程中，对周围土体产生一定扰动，施工结束后地表位移如图6所示。由图6可知，左线隧道掘进至酒店底部(CK30+490)时，建筑物地表沉降达到最大，为9.2 mm，并在左线盾构起始位置(CK30+370)地表出现一定程度的隆起，地表隆起竖向位移最大值为5.3 mm；施工完成后，隧道洞内上方地表土体均产生了向双线隧道中心靠拢的趋势，建筑物地表水平位移在CK30+500处达到最大，为3.2 mm。由于左线隧道位于酒店下方，盾构施工对地层和建筑物影响均较大，故在盾构施工过程中，应加强对左线隧道上方建筑物的监测。

为探明研究盾构施工过程中对各地层产生的影响，选取典型断面CK30+050各地层的沉降值进行分析。各地层沉降量如图7所示。由图7可知，左线隧道施工对地表沉降横向影响范围大约距隧道中心20 m，拱顶上方3 m、6 m地层位移及地表位移变化规律均沿隧道中线呈V字型分布，沉降最大值出现在隧道中轴线正上方，并向两侧沉降逐渐减小，在约3倍隧道管片外径范围以外，趋于0；在拱顶上方3 m处地层位移最大，为15.2 mm。

(a) 原状土

(a) 地表竖向位移

图7 CK30+050断面各地层的沉降值Fig.7 Settlement values of various layers at CK30+050

3.4.2 建筑物沉降分析

分别选取盾构双线开挖面接近建筑物、在建筑物下方、穿越建筑物及盾构施工完成后的4种典型工况，对建筑物的沉降变形进行分析。各工况下建筑物的位移云图如图8、图9所示。

由图8可知，对比4个工况下建筑物的竖直位移，变化如下：随着盾构掘进至酒店和生活小区高层建筑物，沉降过程中位移降值逐渐增大，当盾构双线开挖面接近建筑物时，酒店和生活小区高层建筑物竖直方向的最大位移值分别为3.5 mm和1.4 mm；当盾构双线开挖面在建筑物下方时，二者竖向位移值分别为5.3 mm和3.2 mm；当盾构施工完成后，二者竖直方向最大位移值分别为8.5 mm和4.6 mm。由图9可知，盾构施工完成后，酒店和生活小区高层建筑物顶部均表现为向靠近隧道方向一侧偏移，酒店和生活小区高层建筑物最大水平位移分别为2.4 mm和4.3 mm，倾斜度分别为0.000 23、0.000 45。这与该区段地表沉降位移规律一致。

(a) 工况1

(a) 工况1

综上分析，盾构施工结束后，建筑物变形以沉降为主。当左线盾构隧道下穿酒店下方时，掘进施工对酒店沉降影响较为严重，由于右线盾构隧道在生活小区高层建筑物桩基础一侧，盾构施工对其影响主要表现为倾斜度，其倾斜度接近酒店的2倍。据此建议，在实际施工过程中应加强对酒店和生活小区高层建筑物的动态监测。

3.4.3 建筑物应力分析

以酒店和生活小区建筑物中楼柱为研究对象，研究其剪力变化规律，计算结果如图10所示。从图10可见，酒店和高层建筑物的剪力最大值均出现在裙楼楼柱，且随楼层的增加，层间剪力逐渐减小，但在靠近顶层时剪力又出现增大，二者最大值分别为200 kN和520 kN。在建筑物的中心，剪力值普遍偏小，建筑物外围楼柱的剪力值普遍偏大。高层建筑物各楼柱的剪力分布较为均匀，而酒店楼柱的剪力值分布不均匀，且普遍大于高层建筑物的剪力值。由图10(b)可见，酒店和高层建筑物的轴力均随楼层的增高依次减小，最大轴力出现在裙楼的楼柱。由于高层建筑上部荷载较大，隧道盾构下穿施工过程中产生了较大轴力，最大值达到4 630 kN，较酒店楼柱所受轴力更大。

(a) 建筑物楼柱剪力

3.4.4 地表加固效果分析

为分析地表注浆加固措施的处治效果，沿建筑物靠近隧道一侧布设监测点，如图11所示，同时建立不采取地表注浆的有限元模型，对比分析2种工况下既有建筑物的沉降状况。

图11 既有建筑物沉降测点布置Fig.11 Layout of settlement measuring points of existing buildings

2种工况下既有建筑物的沉降状况结果如图12所示。由图12可知，地表注浆加固后，可有效减小盾构对既有建筑物的扰动影响。酒店沉降最大值从13.2 mm减小至8.5 mm，减小幅度为35.6%；高层建筑物沉降最大值从9.1 mm减小至4.6 mm，减小幅度为50.5%。酒店测点1～3号、7～9号实测点沉降值为1 mm～7 mm，4号～6号实测点沉降值为7 mm～9 mm。距离隧道越近，测点的沉降值越大，建筑物向盾构区间倾斜。高层建筑物沉降规律与酒店一致。

(a) 酒店沉降

此外，考虑到实际地层的复杂性，实测结果比数值模拟结果偏大，但建筑物最终沉降值表明，盾构下穿既有建筑物是安全的。因此，根据工况分析，小半径曲线隧道盾构下穿既有建筑物的变形是可靠的。

4 结论

1) 盾构下穿过程中，地层变形以沉降为主，且隧道上方土体产生了向双线隧道中心靠拢的趋势。数值计算表明，地表沉降最大值出现在左线隧道推进至酒店附近，为9.2 mm，在左线盾构起始位置(CK30+430)地表出现一定程度的隆起，隆起最大值为5.3 mm，该处地层水平位移最大为3.2 mm。

2) 数值模拟及现场实测表明，盾构施工对土体的扰动表现为建筑物地基土向盾构区间移动及建筑物发生倾斜，且高层建筑物因其本身荷载较大，倾斜程度更为显著。盾构施工完成后，酒店和高层建筑物在竖直方向实测最大位移值分别为8.5 mm和4.6 mm，最大倾斜度分别为0.000 23、0.000 45，以上各项指标均满足规范限值。

3) 既有建筑物数值模拟受力结果表明，盾构过程中高层建筑结构受力较矮层酒店更大，因此，在实际施工过程中须加强对高层建筑物的应力监控。

4) 采用地表注浆加固措施可有效控制既有建筑物的沉降，酒店沉降最大值减小幅度为35.6%；高层建筑物沉降最大值减小幅度为50.5%，且地表注浆加固对减小高层建筑物沉降效果更好。既有建筑物沉降变形值数值模拟与实测结果基本一致，均满足隧道变形控制标准，表明盾构下穿过程中，可确保既有建筑物是安全的。