城市中心区大直径盾构施工扰动分析及控制方法研究

李新月

(黔张常铁路有限责任公司，湖南 长沙 410000)

随着我国城市化进程的加快以及高速铁路时代的到来，越来越多的高铁车站将设置在城市核心区[1]。铁路往往以隧道形式进入市区，下穿既有建(构)筑物、地铁等工程越来越多[2]，下穿施工不可避免地对周围建筑物产生扰动[3]，新建隧道周围环境安全成为重要研究内容之一。

数值模拟是分析隧道施工对周围建筑物影响的重要方法[4]。国内外学者对此进行了大量研究工作。POTTS.D.M[5]、夏军武[6]、丁智[7]、PECK.R.B[8]、FRANZIUS.J.N[9]、韩煊[10]等通过建立土体和建筑共同作用的力学模型，分析了盾构掘进对周围建筑的沉降规律；姜晓婷，路平[11]等结合天津地铁2号线，建立了软土地区盾构施工与既有建造耦合作用计算模型，分析了隧道下穿施工对多层砌体建筑物变形的影响规律，并与现场实测资料相比较，验证了模型的适用性。文献[12-16]采用三维数值模拟，研究了不同工况下引起的地面建筑沉降规律。

本文基于广深港高铁益田路隧道、深港隧道的建设管理过程，采用FLAC 3D对隧道周围建筑物进行建模分析，并结合现场监测，研究了建筑物的变形和沉降规律，对加固效果进行了分析，以供类似工程参考。

1　工程概况和研究方法

1.1　工程概况

广深港高铁福田站由益田路隧道和深港隧道组成。根据工程条件的不同分别采用矿山法、明挖法及盾构法施工，其中下穿深圳市城区段为单孔双线隧道，设计衬砌外径12.8 m，长度2 757 m(其中益田路隧道盾构段长1 359 m，深港隧道盾构段长1 398 m)，主要采用盾构法施工是我国第一条穿越花岗岩地层的大直径复合泥水平衡盾构隧道。

本工程主要沿着城市繁华道路下穿，隧道周边建筑物密集，两侧一倍洞径范围内共分布有40栋建筑物，而且隧道上方的道路两侧分布大量市政管线。盾构于2010年9月开始掘进，至2015年6月贯通。盾构在掘进过程中遇到了地层软硬差异大、风化槽突入、岩石强度高等难题，通过一系列的设计与专项研究，确保了城市中心大直径盾构隧道的施工安全。

1.2　工程地质

拟建隧道区域内为第四系松散沉积物所覆盖，下覆基岩以燕山期花岗岩为主，局部为震旦系变质砂岩。沿线主要地层包括：人工填土层、冲洪积积层(淤泥质粘土层、中砂层等)、粉质粘土层、基岩(全～弱风化花岗岩，全～弱风化变质砂岩)，岩土基本参数如表1所示。

根据地下水的形成、赋存条件、水力特征及水理性质，主要分为第四系松散岩类孔隙水以及燕山期、震旦系基岩裂隙水两种类型。地下水位埋深在2～3 m左右。

表1　岩土设计参数表

1.3　研究方法

采用FLAC3D数值计算软件进行数值模拟分析。模拟原则及方法如下：

1)考虑地面建筑，建立地上地下3维整体网格。考虑地面建筑的刚度及等效换算密度。建筑的高度按照荷载等效原则根据层数换算。建筑及土体均以实体单元模拟。

2)计算模型左右两侧各取4D，D为盾构隧道开挖直径，隧道底部取2.5 D。模型长度取建筑或者加固范围前后2.5～3 D。当建筑宽度较大时，边界适当放大。侧面边界(包括建筑)法向约束位移，底部边界约束固定，地表面及建筑顶面为自由表面。

3)建筑基础，桩基考虑桩及承台、承台梁，以桩结构单元pile和实体单元模拟。桩顶与承台刚接。条形基础以弹性实体单元模拟。

4)盾构隧道管片以shell壳结构单元模拟，盾尾注浆层以实体单元模拟，通过分阶段改变注浆层参数来模拟凝固效果。

5)模拟工况：包括隧道开挖、掌子面支护、盾尾注浆、盾尾脱离。隧道开挖通过挖空单元实现，掌子面支护压力根据水体静止侧向压力取值。管片支护通过施加紧贴围岩的shell结构单元实现。

6)土体本构关系采用摩尔库伦模型。建筑及基础(不含桩基)采用弹性模型。基于FLAC3D的局限性以及勘察报告的提供程度，不考虑全风化、强风化及弱风化岩的裂隙分布，仅考虑其强度情况。

7)袖阀注浆通过改变注浆范围内土体参数模拟，钻孔灌注桩采用桩单元模拟，桩底冠梁采用弹性实体单元模拟，桩顶与冠梁刚接。

2　大直径盾构施工扰动分析

2.1　隧道开挖对监管医院的影响

监管医院位于隧道上方，医院为6层砖混结构，基础为桩基，桩端距离隧道顶部约1 D，间隔土层为全风化花岗岩。加固方式为室外斜向袖阀管注浆预加固。平面、纵剖面及地质剖面图如图1所示。监管医院及线路整体模型及细节如图2所示。

2.1.1建筑物沉降规律

隧道盾构施工对建筑的影响分为3个阶段：抵达建筑前、通过建筑时和离开建筑后。对应三个影响阶段选取7个不同开挖断面进行分析，监管医院(位于距起点37.8 m至67.1 m)位移变化如图3所示(图中单位为mm,棕色箭头为盾构推进方向)。

图1　平面位置关系及纵、平断面图

图2　监管医院及线路整体模型

图3　建筑沉降变化图

如图3所示，盾构隧道开挖引起监管医院沉降规律如下：

1)随着盾构施工的推近，监管医院沉降值及沉降变形范围逐渐扩大；

2)在盾构抵达建筑物下方前，沉降增加幅度不大，由33 m推进至房屋前沿37.8 m最大沉降增幅在0.5 mm；在隧道通过建筑物时，沉降增幅逐渐增大，从进入至脱离，增幅达2.5 mm以上；在盾构离开后，建筑物局部范围沉降仍有增加，但增幅不大；

3)横向上，隧道轮廓地面投影范围内建筑沉降较大，随着远离隧道轴线沉降逐渐减小并趋于为0；

由计算结果可以看出：

1)建筑物基础底注浆部预加固能够有效减小施工对地表及建筑物的影响；建筑物结构能够改变沉降槽形状，使沉降槽宽度变大，深度变小。

2)隧道盾构施工靠近及穿越既有建筑物时，引起地表沉降及建筑物变形较大，是沉降变形控制的关键环节；盾构施工通过及远离建筑物时，周围岩体变形受管片支撑以及土体应力调整至新的平衡，此时引起的沉降较小，故而建筑位移较小。

3)隧道盾构施工下穿既有建筑物的桩基础会引起桩端土的松动，进而引起桩间土及桩体变形，由于材料的不同特性，桩间土的变形大于桩体变形，因此桩体可能产生负摩擦力。由于建筑物与桩基础的协同作用，桩体受力将发生一定的变化，在沉降变形较大时桩体可能产生拉应力区，如图4所示。由此可见，桩基础底部采取注浆预加固非常必要。

图4　隧道开挖初始监管医院桩基受力及位移对比图

2.1.2建筑物角点位移

监管医院整体呈L型，窄处宽17.3 m，宽处宽45.1 m，总长30 m。设置5个监测角点，如图5所示，盾构穿越方向及位置如箭头所示。盾构施工穿越数值模拟结果如图6所示，由计算结果可以看出：

1)在隧道盾构穿越建筑物前，角点位移与掘进面位置紧密相关，距离越近变形越大。随着掘进面的推近，各角点沉降变形逐渐增大且增大幅度开始不同，靠近掘进区的角点增大幅度更大。

图5　房屋角点位移

图6　房屋沉降规律

2)在隧道盾构穿越既有建筑物时，靠近隧道轴线的角点48 664、49 894沉降增幅较大，远离轴线角点沉降增幅开始变小并趋缓，最大变形发生在靠近轴线的角点，其中角点48 664达到最大沉降5.33 mm。

3)远离开挖区域的角点49 666和49 401受隧道盾构施工影响较小，在隧道穿越建筑物时表现为轻微的隆起。

4)建筑物最大沉降差发生在角点48 664和49 401之间，达5.98 mm，倾斜度达0.000 13，远小于控制标准0.004，因此隧道下穿施工能够保证监管医院的安全。

2.1.3现场监测结果

48 664号节点、49 894号节点、49 666号节点、49 401号节点现场监测的最终沉降值分别为4.06 mm、3.61 mm、-0.68 mm、0.7 mm。

48 664和49 401点的差异沉降实测值为3.36 mm；房屋角点的沉降实测值略小于理论值，验证了袖阀管注浆加固具有明显的控制沉降作用。

2.2　隧道开挖对洞子张老火锅店的影响

洞子张老火锅店为14层框架结构，宽17.78 m，长15.2 m，与隧道净距在2.7～3.7 m。桩基础形式，桩径1.4 m，桩长20.2 m。隧道穿越地层为弱风化花岗岩，隧道与建筑之间采用Φ1 200×1 400 mm钻孔灌注桩进行隔离保护，隔离桩桩长32 m，深入隧道中心以下。具体情况如图7所示。

图7　洞子张老火锅店与隧道关系图

2.2.1建筑物沉降规律

盾构隧道侧穿洞子张老火锅店，断面面积较小。沉降规律如图8、图9、图10所示。

图8　隧道开挖至33 m沉降图

图9　隧道开挖至41.69 m沉降图

图10　隧道开挖至72.2 m沉降图

由数值分析结果可以看出：

1)建筑沉降主要发生在盾构抵达前和盾构通过时，降幅分别为1.1 mm及1.3 mm，盾构通过远离后，沉降变形不再发展，建筑最大沉降仅为2.6 mm。

2)最大沉降位置随着盾构的推进往前移动，从右下角点转至右上角点，充分说明盾尾离开，管片起作用后，围岩后续沉降较小。

3)由于房屋宽度小，均处在沉降范围内，故大部分地方沉降。

分析原因如下：

1)隧道穿越地层为弱风化变质砂岩地层，洞周围岩稳定性较好。后期变形小。

2)采用钻孔灌注桩进行了隔离，进一步缩小了沉降。

2.2.2房屋角点位移

如图11所示，各角点在盾构抵达前及通过时位移均表现为沉降，但沉降发展规律有所不同，角点29 578处产生的沉降变形值最大，达2.24 mm，发生在掌子面位于60 m处，此时角点29 515发生沉降变形最小，沉降差为2.1 mm，仍远小于规范限值。

图11　洞子张老火锅店房屋角点位移

2.2.3现场监测结果

本建筑物最大累积沉降值为11 mm，远大于数值模拟结果。主要原因是由于在实际施工过程中，施工场地难以协调，无法施作钻孔灌注桩隔离桩，进而采用了Φ108钢花管隔离桩替代。由于钢花管桩直径限制及其刚度的局限性，引起实际施工过程中沉降变形过大，从中可以看出，钢花管隔离桩效果不如钻孔灌注桩隔离桩。

3　结论

由数值模拟和现场实测资料分析可以得出如下结论：

1)城市中心大直径隧道盾构施工不可避免地对周围环境产生扰动，采取可靠的预加固措施能够有效降低施工对周围建筑物的影响；

2)当隧道下穿既有建筑物，且穿越软硬不均地层或软土地层时，袖阀管注浆加固可以明显控制沉降变形和不均匀沉降的发生，经过数值计算，监管医院的倾斜达0.000 13，远小于控制标准0.004，处于安全状态；

3)当隧道侧穿既有建筑物时，采用隔离桩法将既有建筑物区与隧道盾构施工区进行隔离，可以有效降低隧道下穿施工对既有建筑物的扰动；

4)将既有建筑物与隧道施工区隔离时，钻孔灌注桩隔离比钢管桩隔离效果更好，隧道穿越洞子张老火锅店时，采用灌注桩理论沉降值最大为2.6 mm，施作钢管桩实际沉降达11 mm，远大于预期。

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