大跨隧道下穿建筑物施工方案对比分析及施工技术

陈智慧

（中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉 430063）

1 工程概况

周山隧道位于洛阳市高新区后五龙沟村与周山森林公园之间，是为保护周山森林公园环境，改善既有孙辛路的纵坡通行条件，结合环城路的修建而建，隧道下穿周山。隧道最大埋深72 m，平均埋深40～45 m。隧道设计为3车道，最大开挖跨度16．12 m，最大开挖高度11．49 m。山顶坡度较缓，分布有工厂及村庄。隧道上方地表多处存在工业厂房、两层居民住房和高压线电塔。如在隧道右线YK3＋065～YK3＋155的隧道上方及中线左侧存在多栋砖混结构的民用住宅楼房。

隧道下穿民房段地层主要为粉质黏土地层与钙质风化胶结层及其互层，隧道下方存在风化泥质粉砂岩层。隧道顶板围岩以第四系粉质黏土为主，塑性指数19．5。由于隧道上方各种建筑物数量较多，拆迁困难，必须进行下车前施工。周山隧道开挖跨度大，埋深仅有38 m，且地层较为松软，稳定差，在隧道下穿建筑物的过程中，不仅要保证隧道本身施工安全，还要使隧道施工引起的建筑物沉降控制在允许范围之内，保证建筑物的正常使用，为此需要寻求合理的施工方案。

2 建筑物沉降控制指标

由于隧道上方建筑物较多，且拆迁困难，因而需要进行隧道下穿建筑物施工，且在隧道施工过程中必须保证建筑物安全。随着地下工程技术的进步，隧道下穿建筑物是常见的工程现象［1－3］。在建筑下面进行隧道下穿施工必然引起建筑物沉降及不均匀沉降等影响。出现了针对下穿的目标建筑物的特点而建立的变形控制标准［4－5］。但目前我国尚没有完整的建筑物保护等级的划分标准，现有一些城市地下施工引起的地面沉降允许值往往由专家们根据经验规定。文献［6］参考国外一些国家有关规定制定为我国煤炭行业的地下采矿地表建筑物及其他保护对象等级的划分规范。将地下开采施工队地表建筑物的影响及保护分为4级。本文根据周山隧道工程特点将施工对该砖混结构的民用住房的影响级别定为Ⅰ级，即墙壁出现或仅出现少量宽度小于4 mm 的细微裂缝，且裂缝数量不多于3条，不需要修补可继续使用。因而需要控制隧道下穿施工引起的建筑物的沉降，重点是差异沉降。为此，根据民房建筑物的结构及建筑材料的力学特征建立地表建筑物变形控制指标如表1。

表1 地表房屋变形控制指标

3 隧道下穿建筑物方案确定

在隧道施工过程中，为了将隧道施工引起的地层变位对地表建筑物的影响程度控制在表1中的I级以内，需要对不同的隧道施工方案进行数值模拟分析，以确定合理的施工方案。这里对三台阶法和CD 法进行施工过程的力学分析，对比两种施工方案引起的建筑物的沉降和不均匀沉降等。

3．1 计算模型及参数

3．1．1 计算模型

右线隧道在里程为YK3＋70，上方地表为砖混结构的两层民房，民房平面为矩形，长30 m，宽14．4 m，短边方向近似平行于隧道轴线，且建立计算模型时将民房短边中点连线与模型中截面重合，图中红色箭头表示模拟施工过程中沉降位移监测点。民房与隧道平面的相对位置如图1。

图1 地表民房建筑物与隧道相对位置

采用FLAC3D 建立三维数值模型。超前支护采用管棚支护，将其等效为加固区近似考虑管棚的预支护效应。管棚直径89 mm，间距30 cm，相邻两循环间搭接3 m。隧道开挖进尺为0．6 m，支护采用C25喷混凝土厚28 cm，间距为60 cm 的工字钢22b拱架。中隔壁临时支护钢架为I18，间距0．6 m。模型中采用实体单元模拟地层和管棚加固区，采用壳单元模拟支护结构，采用锚杆单元模拟锁脚锚管（或锚杆）。

单元划分后的模型及断面局部图如图2所示。鉴于现场施工人员的习惯做法（把中隔壁做成竖直的），模型中将CD 的临时支护做成竖直隔壁是情况。

图2 计算模型及断面局部图

3．1．2 计算参数

模型主要考虑了粉质黏土层、钙质胶结层和风化泥质砂岩3种地层，且粉质黏土层的含水量较低。将钢架和喷混凝土层作为均匀的初期支护来考虑，通过提高支护单元的力学指标的方法间接考虑钢架的作用。由于地表建筑物为砖混式民用住房，产生的荷载可按每层5 kPa考虑，即对地表的两层民房产生的地表超载按10 kPa，作用在地表。根据现场开挖揭示出的地层情况及勘察资料确定模型计算参数如表2。

表2 地层和支护的物理力学性能指标

3．2 计算结果分析

3．2．1 台阶法施工效应分析

（1）建筑物底部沉降量。为了保证建筑物个构件安全，在隧道施工过程中，研究图3中琰隧道开挖放线先后设置了3条线：F线、M 线和B线，研究3条线在几种特殊工况下的沉降特点和差异沉降，M 线为前后两条线的中线。F 线、M 线和B 线3条线上各点在开挖面到达F 线（房屋前墙）、开挖面到达M 线（房屋中线）、开挖面到达B 线（房屋后墙）、开挖面离开M 线15 m 和隧道施工完成几个特殊工况下的沉降变形情况分别如图3。各条线上的点号从左到右分别记作Fi、Mi和Bi（i＝1－8）。

从图3可以看出，房屋地面上各点的沉降量随着隧道的施工不断进行而逐步增大的，各阶段的不同线上沉降量最大值均是发生在隧道中线上的点位，而且最终沉降量为：SF3＝39．6 mm、SM3＝38．5 mm 和SB3＝37．5 mm。由表2中建筑物沉降量控制指标，建筑物右侧墙沉降值已超过警戒值，逼近极限值。

在隧道施工完成后，建筑物呈向前倾斜状态，但斜率很小。

（2）建筑物倾斜。3条线相邻两点的沉降差与两点间距离比值为单位长度的差异沉降，即倾斜度，作为此两点之间连线中点的倾斜值。差异沉降的符号以向左倾斜为正。3条线上的倾斜度如图4。

从图4可以看出，同一条线上点的倾斜值随距离隧道中线的距离增大而增大；同一点的倾斜度随着施工步的增加而增大。3条线上均是右侧端点处（即建筑物右侧墙体前、中、后3点）的倾斜值最大，分别为iF8＝0．73，iM8＝0．71和iB8＝0．69，对比表1中的倾斜控制指标，隧道施工引起的房屋倾斜可以满足控制指标的要求。

图3 几种特殊施工阶段下建筑物线沉降特征

图4 台阶法施工过程中几种特殊施工阶段下建筑物的倾斜情况

在隧道施工完成后，建筑物F 线、M 线和B 线距隧道中线距离相等的点的沉降依次减小，建筑物呈向前倾斜状态。

图5 台阶法隧道周边围岩塑性区

（3）支护最大应力。采用三台阶法施工，支护的拉应力主要出现在隧道拱部，最大拉应力出现在隧道拱顶，最大拉应力为4．73 MPa。最大压应力在隧道两侧拱脚及墙中，其中两侧墙中的压应力最大，两处压应力分别为12．22 MPa和13．37 MPa。

（4）隧道周边围岩塑性区。隧道开挖完成后隧道周边地层的围岩塑性区分布如图5。

从图5可以看出，由于拱部采用了大刚度的超前支护，有效抑制了隧道拱顶上方围岩中塑性区的扩展，使得隧道施工完成后围岩塑性区主要分布在隧道拱腰以下两侧及仰拱底部。

3．2．2 CD 法施工效应分析

（1）建筑物底部沉降量。F 线、M 线和B 线3条线上各点在开挖面到达F 线（房屋前墙）、开挖面到达M 线（房屋中线）、开挖面到达B 线（房屋后墙）、开挖面离开M 线15 m 和隧道施工完成几个特殊工况下的沉降变形情如图6。

从图6可知，在相同的施工阶段下各条线的沉降特征基本相同，随着施工的进行，各条线的弯曲程度增加，即倾斜程度增大。各条线上的最大沉降点均是出现在隧道中线上；在相同的施工阶段，3条线上距离隧道中线距离相同的点的沉降量的大小依次为：F 线、M 线和B 线。3条线上最大沉降的点均是在隧道中线上位置，分别为SF3＝26．4 mm、SM3＝24．8 mm 和SB3＝23．3 mm。对比表1中建筑物沉降量控制指标，建筑物最大沉降量小于警戒值。

在隧道施工完成后，建筑物F 线、M 线和B 线距隧道中线距离相等的点的沉降依次减小，建筑物呈向前倾斜状态。

（2）建筑物倾斜。建筑物底部前、中、后3条线上的倾斜如图7。

图6 CD法施工几种特殊工况下建筑物底部沉降特征

图7 CD法施工过程中几种特殊施工阶段下建筑物的倾斜情况

从图7可以看出，各条线的倾斜规律与台阶法引起的是相同的。3条线上均是右侧端点处（即建筑物右侧墙体前、中、后3点）的倾斜度最大，分别为iF8＝0．51，iM8＝0．48和iB8＝0．45，对比表1中的倾斜控制指标，隧道施工引起的房屋倾斜可以满足控制指标的要求。

建筑物沿隧道轴线方向的倾斜小于横向倾斜。

（3）支护最大应力。采用CD 法施工，支护的拉应力仍然主要出现在隧道拱部，最大拉应力出现在隧道拱顶，但中隔壁左侧的拉应力小于右侧的拉应力，其随着隧道施工步骤的演变规律见前述相关内容，中隔壁左、右侧拱顶拉应力分别为4．37 MPa和5．46 MPa。最大压应力主要出现在两侧拱脚和墙中位置，左侧应力大于右侧应力。左、右拱腰最大压应力分别为10．02 MPa和9．27 MPa，左、右两侧墙中最大压应力分别为9．72 MPa和9．29 MPa。

中隔壁临时支护主要承受压应力，拉应力较小。中隔壁上、中、下3点最大压应力分别为12．17 MPa、11．14 MPa和11．82 MPa，仅上部出现拉应力，仅为1．53 MPa。

（4）隧道周边围岩塑性区。隧道开挖完成后隧道周边地层的围岩塑性区分布如图8。

图8 CD法隧道周边围岩塑性区

从图8可以看出，由于拱部采用了大刚度的超前支护，开挖后又采用了临时支护的支撑，有效抑制了隧道拱顶上方围岩中塑性区的扩展，使得隧道施工完成后围岩塑性区主要分布在隧道拱腰。CD 法施工引起的围岩塑性区面积比台阶法的有显著减小。

3．2．3 三台阶法和CD 法结果对比及方案确定

（1）建筑物沉降及倾斜对比。三台阶法和CD 法两种工法施工引起的建筑沉降及倾斜列于表3。

表3 两种工法引起建筑物沉降及倾斜对比

从表3可知，CD 工法施工引起的民房建筑物的最大沉降和建筑物倾斜都比三台阶法的显著减小，最大沉降量显著减小27%以上，建筑物倾斜减少30%以上。

（2）支护应力对比。三台阶法和CD 法两种工法施工引起的最大拉应力均出现在隧道拱顶部位，CD法的拉应力为5．46 MPa，比三台阶法（4．73 MPa）的大13．4%；CD 法施工引起的支护墙中的压应力（10．02 MPa）比三台阶法的（13．37 MPa）小25．1%。

（3）围岩塑性区对比。CD 法施工完成后在隧道周边形成的塑性区比三台阶法的有显著减小。经过以上分析，决定采用CD 法施工。

4 建筑物变形监测结果

采用CD 法施工下穿建筑物，以大管棚为超前支护，在距建筑物前后设置30 m 长的超前支护段。先以台阶法开挖断面左侧部分，再开挖右侧部分。每部开挖后应立刻架立支护及中隔壁钢架，喷混凝土，在钢架两侧打设两根与竖直方向尽量大夹角的锁脚锚杆，必要时采用Φ42锁脚锚管，尽快闭合支护。由于钢架的刚度较大，且喷混凝土的强度增长有一个过程，因而在隧道开挖后支护的受力中，钢拱架先于喷混凝土层受力，而后二者进入协调变形及整体受力阶段。

在施工过程中，在房屋4个墙角布置测点进行沉降观测。4个测点分别记作FL、FR、BL 和BR。下穿施工过程中房屋基础沉降如图9。

从图9可知，在隧道施工过程中建筑物的4个角点沉降持续增加并最终趋于稳定。建筑物的前面两侧测点的沉降大于对应后面的测点，左侧靠近隧道中线的左侧测点沉降大于右侧沉降，这与前面数值计算结果一致。实测左侧两点最终沉降量分别为32．4 mm 和29．0 mm，比数值计算结果分别大结果大16．4%和17．2%，二者基本吻合。采用此方案已经使周山隧道顺利下穿多民房。建筑物沉降实测沉降位移比目标控制警戒值略大，但没有发现建筑物出现明显裂缝，建筑物是安全的。

5 结论

下穿建筑物是城区修建隧道常见的施工难题，需要对不同工法进行比较以确定合理施工方案。以洛阳开发区周山隧道下穿村庄民房为例，对三台阶法和CD法两种工法施工引起的建筑区的沉降量、建筑物倾斜、隧道断面变形、支护受力和地层塑性区等方面进行了对比，确定采用CD 法下穿建筑物。隧道下穿施工过程中对建筑物沉降位移监测表明，实测位移与数值分析结果规律吻合较好。数值分析方法可以有效指导现场隧道施工，保证建筑物安全。

图9 建筑物4个角点沉降曲线

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