公路隧道施工对邻近建筑物的影响及控制

2022-10-27王学斌

公路交通科技 2022年8期

王学斌

(厦门路桥工程投资发展有限公司，福建厦门 361000)

0 引言

公路隧道穿越建筑物时存在较大的工程安全问题。尤其当公路隧道埋深较浅时，控制地表的位移和变形就成为一个重要问题。施成华、荆春燕等[1-4]通过监测数据分析与反分析得到地表变形、建筑物基础变形的规律，判断出隧道开挖对地表及建筑的影响。张顶立、张晓荣等[5-7]结合理论分析、数值模拟和现场实测揭示了隧道对地表建筑物的变形规律及破坏模式，预测分析了隧道开挖对房屋的施工影响，并提出了相应措施。姜忻良、郭华伟等[8-12]采用数值计算方法对隧道穿越建筑物进行了模拟，分析了不同施工工法对地表沉降、建筑物基础位移及变形的影响。赵志江[13]介绍了龙大下穿隧道在确保上方公路正常通行条件下的施工方法，通过注浆加固、多导洞施工以及微台阶开挖控制了地表沉降，保证了施工安全。

隧道开挖引起的卸载效应破坏了岩土体的原始应力状态，在岩土体转向新的平衡状态过程中施工扰动区域内就会或多或少地发生沉降和位移。在浅埋隧道中，隧道开挖会影响地表建筑物及岩土体内部的构筑物发生一定的变形和位移[14-16]。当位移和变形过大时，不仅会影响隧道的施工，更会对邻近建筑物的安全使用产生威胁。

因此有必要对隧道开挖施工对周边建筑物的影响进行分析，并采取有效措施控制周边建筑及地表的变形，从而最大限度保护邻近的建筑物。本研究结合金庄花园监测数据以及数值模拟，对隧道周边土体沉降及房屋倾斜等进行分析，探讨暗挖浅埋隧道施工对邻近建筑物的影响，为浅埋暗挖隧道施工过程中对邻近建筑物的安全控制提供合理的参考。

1 工程概况

1.1 隧道与建筑物位置关系

厦门第二西通道(海沧隧道)工程是连接海沧区和本岛湖里的重要跨海通道，起于海沧区马青路与海沧大道交叉口，以海底隧道形式穿越厦门西海域后进入本岛，沿象屿港区、兴湖路下穿，止于石鼓山立交东。

隧道穿过象屿码头及疏港路立交后，沿兴湖路布线。兴湖路宽35.5 m，东西向各有3条车道和1条辅道，两边建筑物均距道路边线18 m左右，道路两侧留有10 m左右的绿化带和8 m左右的人行道。兴湖路北侧的建筑主要有嘉会大厦、厦门储运总公司、中国外运。南侧的建筑主要有三航大厦、鸿图苑以及金庄花园。

金庄花园A座为8(7)层混凝土现浇框架结构，房屋基础形式为柱下独立基、条基，1998年建设，与隧道水平距离12 m。底部为半地下层，内设有夹层，框架结构，平面为“L”型，平面最大长度为37.6 m，最大宽度为35.1 m，建筑物高度为25.5 m，设有1道抗震缝，分为两个结构单元，采用天然地基，基底持力层为残积砂质黏性土层，基础为柱下独立基础，部分柱下联合基础。

图1 暗挖段周边建筑位置示意图(单位:m)Fig.1 Schematic diagram of location of surrounding buildings in undercut section(unit:m)

图2 隧道与金庄花园位置示意图(单位：m)Fig.2 Schematic diagram of location of tunnel and Jinzhuang Garden(unit：m)

1.2 隧道概况

海沧隧道A2标段全长2 190 m，主要由1 890 m的3车道暗挖隧道和160 m超浅埋、超大断面双连拱暗挖隧道和140 m明挖段组成。

隧道埋深15.5 m，左右线隧洞净距4.2 m，采用上CD法和双侧壁工法开挖。双侧壁段采用SLX5衬砌类型，采用双层初支结构，并采用φ76中管棚和φ42超前小导管作为超前支护，C50，P12钢筋混凝土衬砌，厚度60 cm。上CD工法开挖段采用SLX4衬砌类型，同样采用φ76中管棚和φ42超前小导管作超前支护,C50钢筋混凝土衬砌，厚度50 cm。

隧道下穿兴湖路段，金庄花园—榕福苑段属于海陆交界、土岩复合、滩涂回填，隧道开挖穿越全风化花岗岩→砂粒状强风化花岗岩→碎块状强风化花岗岩。围岩等级为Ⅴ级，基岩面走向为东低西高、兴湖路南北侧高，中间低，并且右线隧道靠近山体。水系补给，南侧富水，淡水、北侧与海水连通。

2 隧道病害现状

兴湖路浅埋暗挖段在施工过程中，右线隧道距离金庄花园30 m时，金庄花园建筑物沉降监测数据累计值缓慢增加。

隧道右线开挖进入金庄花园边界时金庄花园累计值超30 mm，因此，现场采取了控制措施：洞内采用短进尺和增加临时仰拱，控制洞内初支变形；同时，在金庄花园与隧道之间施作一排直径1 m，间距1 m的保护桩。

随后，隧道继续开挖施工，当右线隧道开挖到进入金庄花园30 m时，由于地质及洞内施工影响，洞内、地表数据和金庄花园监测数据变化较快发出预警值，在未安排明显措施下出现地表塌方，随后对整个地表及洞内进行注浆加固。

由此可以看出，当建筑物与施工隧道距离较小时，隧道穿越建筑物会对引起建筑物的变形过大，甚至超出变形控制标准，同时洞内施工也会引起地表大变形，产生长约1.5 m、宽2.12 mm的地表裂缝，甚至发生了4 m×3 m的塌陷。

3 成因分析

兴湖路浅埋暗挖段所属区域为CD法、双侧壁法施工，分离式3车道隧道，断面大，浅埋，地质情况复杂，隧道上方为兴湖路主干道，交通繁忙。隧道周边管线、建筑物密集。在施工过程中，需要爆破作业。所以，在隧道施工过程中，施工难度大，风险高。由于岛内暗挖段隧道埋深较小，加之地表覆盖薄、花岗岩风化深度大，导致隧道开挖对沿线建筑影响大。

3.1 有限元分析

采用ABAQUS有限元软件对最不利断面进行数值模拟，分析隧道穿越对金庄花园及其周围土体位移及变形的变化情况，防止隧道施工时建筑物开裂及倾斜，影响其安全使用。

3.1.1 模型及材料参数

由于隧道在纵向上比横向上尺寸大得多，因此可以将该计算分析简化为平面应变问题。考虑到有限元数值分析软件的边界效应，在此次模拟分析中选择的模型左右边界为3～5倍洞径，即左右边界各50 m，上边界至地表，下边界为洞底向下50 m。有限元模型示意图如图3所示。

图3 有限元模型示意图 (单位：m)Fig.3 Schematic diagram of finite element model (unit：m)

在该模型中，土体采用摩尔-库伦准则的弹塑性模型来模拟，混凝土结构按线弹性模型考虑。各材料的物理力学参数如表1所示。

表1 材料物理力学参数表Tab.1 Physical mechanical parameters of materials

3.1.2 结果分析

根据数值模拟计算结果，隧道开挖过程不同阶段隧道竖向沉降如图4所示。

图4 隧道开挖过程竖向位移云图(单位:m)Fig.4 Nephograms of vertical displacement during tunnel excavation(unit:m)

图4表明隧道在开挖的不同阶段，最大沉降值均发生在掌子面顶部，地表同时也反映出微量沉降。根据计算结果，隧道左线开挖引起的地表沉降量约1.29 mm，但右线开挖时(开挖20 m)及开挖后(开挖50 m)引起的地表沉降量值分别为1.68 mm 及2.07 mm。

在隧道不同开挖阶段，伴随隧道掘进对原有土层的扰动，在掌子面顶部及隧洞顶部的土体极易发生下沉，进而使该部分土体转为拉应力状态，从而造成土体的拉剪破坏，形成局部塑性区。而在掘进后伴随及时衬砌支护，隧洞周围的塑性区由掘进时的拉剪破坏向新的平衡态转化，最终在衬砌完成后转化为剪切应变区。当隧道掘进并衬砌完成后当前拉剪区消失，仅保留1层剪切应变区。衬砌提供的支撑反力使隧道周围土体稳定并使地表沉降收敛。

当隧道开挖完成后，地层出现了明显的沉降槽，如图5所示。由于右侧建筑物的荷载作用，右侧的沉降槽宽度大于左侧。由图5竖向位移云图可知，隧道开挖后最大沉降量为-2.49 mm，位于右线隧道靠近建筑一侧的隧道顶部位置，并且由于建筑物影响，右线隧道上方地层沉降大于左线隧道地层沉降。

图5 隧道开挖后地层竖向位移图(单位:m)Fig.5 Nephogram of vertical displacement of stratum after tunnel excavation(unit:m)

输出地表沉降曲线，以模型左侧边界为原点，向右依次为左线隧道、右线隧道以及建筑物。根据沉降曲线可以看出，最大沉降出现在右线隧道处。同时，右侧建筑物位置处沉降值出现较为明显的变化，建筑物外侧沉降曲线趋于平滑，因此可以判断建筑物处于隧道开挖引起的沉降槽范围内。并且随着建筑物距离隧道越来越远，建筑物下方沉降越来越小，建筑物最大沉降出现在与右线隧道最近处，沉降量为1.67 mm。建筑物基底出现的沉降差最大达1.21 mm，倾斜率为3.45 × 10-5。

与现场监测之间存在误差的原因可以归结为材料参数的取值以及选取的本构关系还难以完全还原现场情况，同时现场沉降情况受到多种复杂工况的作用，模拟过程中仅考虑了地铁隧道的掘进，因此，计算结果小于现场监测。

图6 地层沉降曲线Fig.6 Stratum settlement curve

根据图6，由于左线隧道与右线隧道净距很小,使得左右双线隧道开挖后的地层沉降曲线变化趋势与单洞隧道开挖引起的地层沉降曲线相似，类似于“单峰”趋势。同时，由于右侧建筑物荷载的存在，使得沉降槽曲线出现一定变化。

3.2 监测数据分析

隧道在开挖过程中，密切关注隧道支护结构变形状态、相应段地表下沉状态、周边管线、建筑物变形状态、隧道周边水位变化状态，监测数据的关联性强。通过监测数据，对隧道施工工序进行可靠的数据指导，合理规划各工序施工组织及支护参数，制定有效的防范措施；将现场测量的数据、信息及时反馈，用以修改和完善设计，测量结果用于信息化反馈优化设计，使设计达到优质安全、经济合理、施工快捷。

3.2.1 建筑物周边地表沉降分析

金庄花园周边地表沉降监测点共有16个，分别布置在金庄花园建筑物四周。根据监测数据，由图7可以看出，DBC-09监测点(距离隧道最近)发生较为明显的隆起，其他测点均呈现下沉变形。在2019年11月29日前，各测点地表均沉降，其中DBC-03测点沉降值最大，为-16.27 mm，此时，DBC-09监测点的-2.39 mm，同样发生下沉。至此以后，各监测点均出现隆起现象，其中，DBC-09监测点最大隆起值达到14.05 mm。

图7 金庄花园西南角和西北角倾斜变化曲线Fig.7 Curves of inclination change of southwest and northwest corners of Jinzhuang Garden

在2019年11月29日前，各监测点沉降量由大到小分别为：DBC-03，DBC-05，DBC-10，DBC-02，DBC-11，DBC-01，DBC-09，DBC-13，DBC-08，DBC-04，DBC-12，DBC-14，DBC-15，DBC-07，DBC-16。

对应各监测点的分布规律可以看出，距离隧道越近的监测点发生的沉降越大，而距离隧道最远的测点则下沉很小，甚至出现隆起。

3.2.2 建筑物沉降分析

2020年2月23日—3月5日(11 d)，测点QTC-02-01期间沉降值为-0.29 mm，测点QTC-03(隧道侧)期间沉降值为-2.17 mm，测点QTC-03沉降速率比QTC-02-01号测点快，沉降差为-1.88 mm；东侧房屋基础往隧道侧倾斜度变化为0.000 107。自2020年3月20日—2020年8月11日(共144 d)，1#楼北侧测点QTC-03，QTC-04，QTC-05变化量分别为0.47，-1.28和-0.47 mm。在该时间范围内，金庄花园的建筑物沉降变化量均在1 mm以内，未发现明显异常，处于稳定状态。2020年8月25日—2020年11月28日(95 d)，金庄花园1#楼建筑物测点QTC-04下沉6.89 mm、测点QTC-05下沉10.19 mm，测点QTC-06下沉7.38 mm，下沉速率较缓慢，下沉趋势明显。

此后，隧道已完全穿越金庄花园，对比数值模拟结果，建筑物沉降最大值为13.04 mm，而监测数据表明，建筑物的最大沉降量为10.19 mm，由于此时建筑物仍处于沉降时间内，因此沉降量仍然会增加。

2020年12月1日—12月6日，受注浆影响，测点QTC-05上扬4.31 mm；12月7日—1月1日(25 d)，QTC-05点下沉2.9 mm，QTC-04下沉2.57 mm。截至2021年7月3日，金庄花园小区1#楼建筑物累计最大下沉值为-48.91 mm(QTC-04点)，其2021年6月20日—7月3日(13 d)下沉-0.62 mm。

总体而言，金庄花园在未采取加固措施前，建筑物的1#楼，2#楼测点的最大沉降差达22.7 mm，当采取加固措施后，差异沉降可控制在11～12 mm。其他测点相同，加固措施效果明显。

3.2.3 建筑倾斜及裂缝位移分析

以金庄花园西侧北面墙体竖直边为分析对象，在相同竖直线上，楼顶测点距离边界100 mm，底部测点距离墙边界31.5 mm，测得顶点相对于底部测点向兴湖路方向偏移：100-31.5=68.5 mm。以西侧面墙体南侧竖直边为分析对象，在相同竖直线上，楼顶测点距离边界100 mm，底部测点距离墙边界199 mm，测得顶点相对于底部测点向兴湖路方向偏移：100-199=-99 mm。因此，以68.5 mm作为西北角(测点GJC-05)的初始偏移位移量，以99 mm作为西南角(测点GJC-06)的初始偏移位移量，则随着时间的发展，建筑的倾斜偏移位移变化量如图7所示。

对金庄花园1#楼、2#楼间的抗震裂缝东、西侧各布置一支裂缝位移传感器，监测隧道开挖过程中施工是否会对金庄花园小区已存在的裂缝是否会有影响。裂缝计安装在与双侧壁隧道右线右侧开挖面的水平垂直距离为30 m，1#楼主体距离右线右侧开挖边界水平距离为12 m，楼体轴向基本与隧道开挖方向平行，影响范围至少38 m。截至2019年10月16日裂缝状态为：以钉子孔口为参考，裂缝张扩量累计约70 mm，以此作为裂缝位移监测的初始状态。

2020年3月20日上午9点30分—下午4点55分变化：东侧裂缝收缩0.25 mm、西侧裂缝收缩0.16 mm。抗震裂缝在2020年3月7日总位移量均为最小值。其中，东侧裂缝位移量为2.3 mm，西侧裂缝收缩了-9.7 mm。

东西侧裂缝位移变化在注浆后得到控制，基本趋于平稳。同时，东侧抗震裂缝和西侧抗震裂缝变化趋势基本一致。

综上，根据现场监测结果可以看出，建筑物周边地表的沉降随与隧道距离的减小而增大，距离隧道越近的监测点发生的沉降越大，而距离隧道最远的测点则下沉很小，甚至出现隆起。在注浆加固后，周边地表沉降逐渐趋于平稳。

建筑物自身的沉降随着开挖的进行逐渐增大。且不同测点之间存在差异沉降，在注浆加固后，差异沉降得到有效控制。

建筑物东西两侧抗震裂缝变化趋势基本一致，基本安全，并且裂缝位移变化在注浆后得到控制，基本趋于平稳。

3.3 地表沉降理论值

图8 海沧隧道理论沉降曲线Fig.8 Theoretical settlement curve of Haicang Tunnel

根据以上公式进行该隧道的沉降拟合，得到叠加后的拟合曲线为：

(1)

因此可得沉降槽的宽度为28.8～41.6 m。金庄花园与右线隧道的最小净距为12 m，因此位于沉降槽宽度范围内，与数值模拟结果一致。

3.4 对比分析

采用ABAQUS有限元软件分析隧道穿越对金庄花园及其周围土体位移及变形的变化情况，可以得出最大沉降出现在右线隧道处，右侧建筑物处于隧道开挖引起的沉降槽范围内。并且随着建筑物距离隧道越来越远，建筑物下方沉降越来越小，建筑物最大沉降出现在与右线隧道最近处，沉降量为13.04 mm，超过基础建筑物的沉降控制标准(10 mm)。建筑物基底出现的沉降差最大达6.97 mm，倾斜值为1.98×10-4，小于规范规定的0.003。

根据监测数据可以看出，建筑物的最大沉降量为10.19 mm，已超出规范标准要求。且由于此时建筑物仍处于沉降时间内，因此沉降量仍然会增加。

理论计算得出沉降槽的宽度为28.8～41.6 m。金庄花园与右线隧道的最小净距为12 m，因此位于沉降槽宽度范围内。

综上对比可知，由于建筑物处于隧道施工开挖引起的沉降槽范围内，建筑物产生较大变形。隧道施工未采取加固措施时会对建筑物产生较大影响。

4 保护措施

根据以上分析结果，隧道在穿越金庄花园段时隧道洞内变形较大，且建筑物处于隧道开挖的沉降槽范围内，因此需要对建筑物进行隔离加固保护，以防出现变形过大影响结构的安全使用。对此，主要提出以下保护措施。

4.1 注浆加固

4.1.1 加固参数

对地表下3 m到基岩面之间的空洞、水囊、淤泥层进行充填注浆，防止开挖过程中的失水沉降或塌陷。同时，对隧道拱顶范围内的岩板厚度进行网格式探测，对薄弱处进行加强注浆。

根据注浆试验，采取以下注浆参数：

(1)注浆孔布置：间距@4 m×4 m；

(2)注浆深度：硬岩段：地面以下3 m至基岩面以下1 m；软岩段：地面以下3 m至基岩面以下 1 m或隧道仰拱底以下2 m；

(3)注浆宽度：北侧至隧道边线外5 m，南侧至中夹岩宽度的一半；

(4)注浆方式：采用RPD-150C，RPD75SL钻机，钻注一体化，钻杆后退式注浆，采用单双液结合；

(5)浆液：单双液结合；

(6)注浆结束标准为注浆量和注浆压力(1.4～2.0 MPa)。

4.1.2 加固效果检验

注浆完成后，对注浆效果进行检验，首先在地表随机钻取3个取芯孔，观察浆液充填情况可以看出，所取芯样浆液填充均较好，浆脉清晰。

同时，采用地质雷达探测的方法对注浆效果进行检验：注浆完成后，地表雷达探测，地表以下2～8 m地层存在局部不密实，无明显空洞，因此注浆效果良好。

表2 地表各测点隆起值Tab.2 Uplift values of each measuring point on ground surface

由上表可以看出，经注浆加固期间，地表略发生抬升，较好地控制了地表沉降变形过大，对地表位移累计变化量表明地表竖向上总体呈现隆起趋势，且小于控制标准30 mm，因此注浆加固效果良好。

4.2 减振隔离

根据隧道开挖对建筑物的影响，采用φ168，φ108钢管桩主要起减振隔离作用。

金庄花园—榕福苑段采用1排φ1 200@1 400 mm钻孔灌注桩-硬隔离、2排φ1 000@750 mm高压旋喷止水桩、2排φ168 mm钢管桩减振；对建筑物房屋地基土体稳定性进行注浆加固，隔离桩与隧道之间进行地表深层注浆加固等保护措施；防止开挖过程中地表失水，引起周边建筑物开裂。洞内采用强(刚)度较大的超前支护及初期支护，开挖采用双侧壁导坑法开挖，以尽量减少隧道周边塑性区范围。同时地表采用φ76 mm钢花管加固管线基础。

通过对建筑物周围进行隔离桩减震隔离，同时对地表进行注浆加固，周边地表沉降得到有效控制，同时，金庄花园建筑物沉降也逐渐趋于稳定，东侧和西侧的抗震裂缝位移逐渐进入平台期，达到稳定状态。各监测指标均达到控制标准，由此可见，所采取的保护措施合理有效。