地铁施工横通道转区间正线处下穿既有建筑沉降控制研究

闫国栋

(中铁隧道勘测设计院有限公司，天津 300133)

0 引言

随着城市地铁迅速发展，在城市中修建地铁工程越来越多，关于地铁施工引起的地层变形规律以及对周边环境的影响研究也越来越多［1-3］，对既有建筑物沉降控制标准研究也较多［4-5］，在地铁修建过程中马头门开洞一直是施工的重点，施工横通道进入左、右线正洞，需破除4 个马头门，其复杂、频繁的受力转换对周边环境影响较大，尤其是马头门处下穿既有建筑物的情况。如何有效地控制隧道开挖引起的上方地表建筑物沉降、开裂、倾斜甚至倒塌情况发生，是一项重要的课题。解决这个问题的关键首先是要正确的分析建筑物与区间隧道的位置关系，综合考虑建筑物的建设年代、基础形式、结构型式及建筑材料等因素，根据建筑物允许沉降、变形值。采用合理的施工方法及施工顺序，有效控制施工沉降，在施工中做出比较合理的技术决策和应变措施。

图1 下穿段平面布置图

1 工程概况

某地铁区间隧道施工横通道向区间隧道开挖处马头门上方处存在既有房屋，区间隧道为单洞单线隧道，隧道内轮廓净宽5．1 m、净高5．59 m，开挖断面29．7 ～35．5 m2。横通道开挖宽度为7 m，开挖高度为8．68 m，开挖面积为57．7 m2，隧道埋深14 m。竖井横通道马头门与房屋关系见图1。

根据建筑物调查资料，该建筑物基础型式为独立柱基，柱基型式为人工挖孔内填毛石混凝土，基础坐落在强风化花岗岩及粘土层上，地质横剖面见图2。

因此模拟分析横通道及区间隧道开挖对建筑物的影响，以及建筑物桩基荷载对隧道支护结构的影响，并对隧道及楼房稳定性及安全性进行评价。

根据地质详堪报告，隧道上方地层主要为第四系填土层(①)、粉质粘土层(○1)、强风化花岗岩层(○16)，隧道拱部穿越地层为强风化下压带，隧道底部为中风化～微风化花岗岩。

图2 下穿段地质剖面图(单位:mm)

2 区间隧道及施工横通道支护参数和施工方法

2．1 支护参数

区间隧道:超前支护采用拱部双排Φ32 超前小导管，L = 3．5 m，环向间距0．4 m，纵向间距1．0 m;初期支护采用锚喷支护，边墙Φ22 砂浆锚杆，L =2．5 m，环纵间距1 m×1．0 m，拱墙Φ6．5@150 ×150 钢筋网，格栅钢架间距0．5 m，厚250 mm C25 湿喷混凝土;二次衬砌采用厚300 mm P10，C45 钢筋混凝土。

横通道:超前支护采用拱部Φ32 超前小导管，L =3．5 m，环向间距0．4 m，纵向间距1．0 m;初期支护采用锚喷支护，边墙Φ22 砂浆锚杆，L =3 m，环纵间距1 m×1 m，拱墙Φ8@200 ×200 钢筋网，格栅钢架间距0．5 m，厚250 mm C25 湿喷混凝土;二次衬砌采用厚500 mm P10，C45 钢筋混凝土。

2．2 施工方法

横通道主要采用台阶法施工，在横通道开挖和初期支护施工完后，才能进行区间隧道开洞，在开洞时，严禁同时开洞，并保证每个开洞区间隧道通过建筑物外15 m 以上才能开挖下一个区间，且采用台阶法施工。

3 房屋基础沉降控制基准

由于建筑地基不均匀、荷载差异大、体型复杂等因素引起的地基变形，对于砌体承重结构应局部倾斜值控制，根据《建筑地基基础设计规范》(GB50007—2011)［6］中对各种建筑物允许沉降控制基准见表1，提出本次研究区间隧道下穿既有建筑物地表沉降控制相关标准。

表1 建筑物的地基变形控制规定

本横通道与区间交叉处下穿的房屋属于砖混结构，根据《建筑地基基础设计规范》(GB50007—2002)中对砖混结构基础允许沉降规定，主要控制指标选择砌体承重结构基础的局部倾斜，其允许最大斜率［f］=0．002。

考虑到房屋基础存在既有差异沉降，应对其进行折减处理，采用增加其安全系数方法来控制，则允许沉降差异斜率附加值［f］=0．002/1．5 =0．001 3 作为隧道开挖引起基础沉降控制斜率。

4 施工横通道及区间开洞数值模拟计算

4．1 计算模型

隧道计算模型的左右边界为总跨度的3．5 倍左右，上边界取至地表，下边界为隧道高度的2 倍左右，隧道与楼房桩基位置关系见图3，建筑物桩基为直径2．2 m 人工挖孔、孔内填充150#毛石混凝土，按照等面积原则，计算中将圆形桩简化为方形桩，不考虑桩与周边土体的摩擦与粘结，将其房屋荷载等效加载单个桩顶。计算采用FLAC3D 数值计算软件进行模拟计算分析，模拟施工工序按照全断面施工模拟。

4．2 地层及支护参数

计算中围岩材料采用摩尔-库仑理想弹塑性模型，围岩及支护的物理力学参数指标如表2 所示。

表2 地层及支护物理力学参数

注:初期支护(C30 喷混+钢拱架);二衬(C45 钢架混凝土)。

4．3 计算工况

由于该施工横通道转入区间隧道，存在4 个开洞面，使得该段出现群洞效应，所以，对其开洞顺序和时机研究十分必要，以免对其地表建筑物产生不利影响，导致其开裂或破坏。

工况一:根据设计要求，考虑单个开洞施工，待其通过房屋15 m 后，才进行下一个掌子面开洞，依次类推施工，见图4。

工况二:同时对4 个掌子面一起开洞施工，分析其对上面建筑物的影响。

图3 隧道与房屋基础位置关系图

图4 工况一施工顺序图

4．4 计算结果及分析

下穿段隧道施工围岩变形和房屋基础在不同工况下计算结果如图5 ～图8 和表3 所示。

图5 工况一各施工步围岩竖向位移云图(单位:mm)

图6 工况二各施工步围岩竖向位移云图(单位:mm)

图7 工况一施工完基础竖向沉降图(单位:mm )

图8 工况二施工完基础竖向沉降图(单位:mm)

根据计算分析:①单个马头门逐一开洞通过既有房屋施工时，隧道拱顶最大沉降18 mm，横通道与区间隧道交叉口处应力集中，设计采用3 榀格栅钢架并立加强，并对马头门拱部采用超前小导管注浆加固，能够保证隧道支护结构的安全;最大楼房桩基沉降12．1 mm，发生在横通道与区间交叉口上方桩基，桩基最大不均匀沉降约4 mm，基础倾斜0．7‰，在差异沉降允许范围之内;②4 个掌子面一起开洞施工时，拱顶最大沉降约25 mm，发生在横通道与区间交叉口处。沉降变形较掌子面错开逐一施工增加40%，最大楼房桩基沉降14．6 mm，发生在横通道与区间交叉口上方桩基，桩基最大不均匀沉降约5．5 mm，最大桩间斜率约为1‰。

表3 横通道马头门开挖步计算结果

综上计算结果分析可知，对于施工横通道在区间开洞施工时，必须严格按照单个掌子面施工通过房屋基础15 m 外以后，再进行下一掌子面开洞，这对保护地表房屋安全十分重要，避免出现群洞开挖应力集中，沉降过大，导致地表房屋开裂破坏。

5 结论

通过对施工横通道下穿既有房屋时，在横通道不同开洞工况进行三维数值施工模拟计算结果及分析可以得出如下结论:

(1)对于区间隧道施工下穿既有房屋时，其房屋允许沉降应该考虑房屋既有不均匀沉降，拟定房屋在隧道施工时允许的附加沉降，应对其控制基准值进行折减。

(2)在下穿房屋的横通道上采用逐一开洞通过既有房屋，基础沉降差异较小，当同时开洞时，洞顶沉降比一个开挖增大40%左右，同时基础差异沉降斜率较大，影响既有房屋安全，在施工时应严格按照逐个开洞通过房屋基础15 m 以上工序进行开洞。

(3)在开洞处出现应力集中，在此处进行支护加强处理，可采用并列三榀钢架加固该段，防止应力集中出现围岩破坏。

对于施工横通道向区间开洞处马头门下穿既有房屋的情况，采用双排小导管超前支护，采用格栅钢架间距0．5 m+锚喷支护结构，在开洞处并列三榀钢架加固措施，保证横通道上逐一开洞施工至房屋基础范围外15 m 以上，避免同时开洞，可以有效控制开挖围岩沉降，保证既有房屋安全。

［1］阳军生，刘宝深．城市隧道施工引起的地表移动及变形［M］．北京:中国铁道出版社，2002．

［2］王梦恕． 地下工程浅埋暗挖技术通论［M］．合肥:安徽教育出版社，2004．

［3］吴波．复杂条件下城市地铁隧道施工地表沉降研究［D］． 成都:西南交通大学土木工程学院，2003．

［4］姚宣德，王梦恕．地铁浅埋暗挖法施工引起的地表沉降控制标准的统计分析［J］． 岩石力学与工程学报，2006(10):2030-2035．

［5］陶连金，唐四海，金亮．隧道上穿既有车站结构的变形预测及安全评估［J］．地下空间与工程学报，2008，4(3):442-447．

［6］中华人民共和国住房和城乡建设部．GB50007—2011 建筑地基基础设计规范［S］．北京:中国建筑工业出版社，2012．