降水导洞及正线隧道下穿砌体建筑物的施工影响

张志学

(中铁十六局集团地铁工程有限公司，北京 101116)

在城市中修建地铁隧道时，时常面临着地下水位高、地表建筑物多、周边环境复杂、交通导改困难等难题，尤其是在富水地层采用矿山法隧道下穿建筑物时，施工中既要降低地下水位满足暗挖要求，又要减少暗挖施工对建筑物的扰动，工程难度极大。因此，在采用暗挖法隧道下穿建筑物时，如何确保上方建筑物的安全显得尤为重要。

目前的研究成果大多数针对实际工程，根据经验确定隧道下穿建筑物的变形控制标准，通过数值模拟和现场实测，分析隧道施工和加固措施对地表建筑物的影响[1-5]。而针对建筑物的现状实际情况，通过估算，拟定建筑物变形控制的建议标准，在区间隧道下穿建筑物之前施工下穿建筑物的降水导洞等工程案例较为少见。本文以北京地铁8号线三期工程王府井北站—王府井站区间隧道下穿懋隆黄金为背景，对此展开针对性研究。

1 工程概况

北京地铁8号线三期工程王府井北站—王府井站区间起讫里程K28+805.126—K29+393.160，全长588.034 m。区间纵断面呈单向坡，北高南低，区间隧道顶板覆土厚度约21.40～24.17 m，隧道底板标高在13.16～18.20 m。

区间隧道采用单线单洞的断面形式，宽约6.2 m，高约6.5 m。隧道结构采用由钢格栅+喷射混凝土的初期支护和模注钢筋混凝土的二次衬砌构成，两层衬砌之间设柔性防水层，断面施工方法为台阶法。

懋隆黄金建筑物位于北京市东城区王府井大街229号，现作为商铺使用，其建筑外观如图1所示。懋隆黄金建筑始建于20世纪二三十年代，为砖砌体结构，地上三层，局部地下一层(南侧)，建筑总高度为12.05 m。其平面布置呈较规则的矩形，平面总长为14.08 m，总宽为8.58 m。该建筑无圈梁及构造柱，外墙厚370 mm，内墙厚240 mm，墙体均采用烧结砖及混合砂浆砌筑，除屋面板采用夹心板轻钢屋盖外，其余楼层楼面板均采用现浇钢筋混凝土板，板厚为100 mm。基础为墙下石砌条形基础，有地下室部分基础埋深约为3.0 m，无地下室部分约为0.5 m左右。

图1 懋隆黄金建筑现状外观

暗挖区间施工采用导洞降水，导洞采用矿山法施工。在区间隧道上方单独施工降水导洞，洞内打降水井，对潜水层进行抽排或将其渗透至下层地下水。区间范围内降水导洞初期支护净空定为4.85 m×6.768 m的拱形断面，衬砌厚度拟定为350 mm，支护形式为C25喷射混凝土+钢格栅，钢格栅间距0.5 m。为加强支护结构的刚度，下穿懋隆黄金的西线降水导洞采用超前大管棚+全断面深孔注浆的超前加固，加固范围50 m，如图2所示。注浆材料采用水泥砂浆，地层注浆加固后单轴抗压强度应达到0.6～0.8 MPa，渗透系数不大于1×10-6cm/s。

图2 西线下穿懋隆黄金的降水导洞加固(单位：mm)

区间降水导洞西线在里程KX+393—KX+426附近下穿懋隆黄金，该建筑紧临新建区间隧道，两者边线间距为5 m。区间隧道、降水导洞与建筑物关系如图3所示。

图3 懋隆黄金建筑与隧道及导洞剖面位置关系

工程所在场区地层分布如下：杂填土①层，粉质黏土③1层，卵石、圆砾④层，细砂、中砂④1层，粉质黏土⑤层，卵石、圆砾⑥层，细砂、中砂⑥1层，中砂、细砂⑦1层，粉质黏土⑦3层，粉质黏土⑨层。场区内量测到4层地下水，分别是：上层滞水(水位埋深4.00～6.00 m、水位标高40.33～41.98 m)、层间水(水位埋深19.10～21.10 m、水位标高25.13～27.32 m)、潜水～承压水(水位埋深26.30～27.10 m、水位标高19.16～20.03 m)和承压水(水位埋深27.60～30.70 m、水位标高15.53～18.59 m)。

根据《北京市轨道交通工程建设安全风险技术管理体系》的相关规定，区间降水导洞及正线隧道下穿懋隆黄金建筑物为一级风险源。施工前应对既有建筑进行安全评估，并依据评估分析结果评价区间导洞及隧道对既有建筑物正常使用状态的影响，为环境风险工程设计、优化以及既有建筑物保护提供设计依据，保证区间导洞及隧道施工过程中建筑物的结构安全。

2 建筑物现状调查与检测

2.1 建筑物外观损伤情况检查

现场在可测外露区域，对主体结构外观损伤进行检查，主要发现：地下一层墙体局部出现竖向开裂、渗水及抹灰脱落现象；一层墙体及抹灰局部出现竖向开裂现象，二层个别梁和顶板出现局部露筋、钢筋锈蚀现象；屋面板局部下挠，部分装饰层局部破坏等。

2.2 建筑物现状倾斜情况测量

根据《民用建筑可靠性鉴定标准》(GB 50292—2015)，砖墙承重的多层砌体结构，不会明显影响结构正常使用的结构顶点位移允许值为H/550，其中H为结构顶点高度。懋隆黄金对应的高度H为12 050 mm，故结构顶点位移允许值为21.9 mm。

根据倾斜测量结果，该建筑各测点顶点位移值最大不超过14.0 mm。对照上述标准，小于结构顶点位移允许值为21.9 mm，结构倾斜变形尚不会明显影响现有结构的安全使用。

2.3 结构材料强度检测

对于砌筑砖、砂浆及混凝土构件的强度检测均采用回弹法，并利用酚酞试剂对砌筑砂浆及混凝土构件的碳化深度进行抽测。

各建筑材料的强度评定结果为：承重墙体的砖强度可达MU7.5级的要求，砌筑砂浆强度可达M2.5级的要求，混凝土构件的强度可达到C20级的要求。由于该楼房建成年代较早，参照《民用建筑可靠性鉴定标准》(GB 50292—2015)附录K老龄混凝土回弹值龄期修正的规定，取龄期修正系数为0.82。

砂浆及混凝土碳化深度检测结果为：砌筑砂浆的碳化深度介于5.5～6.0 mm，混凝土构件的碳化深度介于15.5～17.5 mm。混凝土碳化已接近混凝土板最外层钢筋，钢筋锈蚀的可能性较大。

2.4 钢筋保护层厚度及其配置情况检测

采用钢筋定位仪对构件钢筋保护层厚度进行抽测，结果表明：主体结构中混凝土梁最外层钢筋的保护层厚度基本介于26～33 mm。

采用钢筋定位仪对构件钢筋数量和间距进行检测，结果表明：混凝土梁箍筋间距基本介于180～200 mm，梁底主筋根数为4根。

3 建筑物变形控制标准确定

《建筑地基基础设计规范》(GB 50007-2011)和《北京地区建筑地基基础勘察设计规范》(DBJ 11-501-2009)均对建筑物的允许变形、差异变形进行了规定。对于既有建筑物，为了合理确定所评估建筑物目前的允许变形，首先需要对其建成后已发生的变形进行调查，然后根据规范的要求，确定其“剩余安全度”。

懋隆黄金建筑物资料缺失严重，很难依靠常规测量方法推测建筑物基础的累计总变形量。因此，采用Z_Soil数值模拟技术，同时对比分析周围已有类似结构在自重作用下的变形监测资料，分析建筑物在自重作用下已经发生的变形，作为后续评估工作的参考。

3.1 计算模型建立

考虑到隧道开挖空间效应的影响，模型长度在隧道左右两边各取6倍的隧道直径，且满足建筑物边缘与模型边缘距离不小于30 m；模型宽度取至建筑物模型外边缘30 m；在模型高度方面，隧道以上取至地表，隧道以下取3倍的隧道直径。建立的三维计算模型尺寸为110 m×100 m×51 m，共计40 000个单元，三维计算模型如图4所示。在模型的底面处施加竖向位移约束，模型的侧面处施加水平位移约束。

图4 三维计算模型

3.2 计算参数确定

土体本构关系采用小应变硬化模型。根据现场地质勘查，降水导洞所处地层为③1、④1层，区间隧道处于④、⑤、⑥1层，地层参数详见表1。

表1 地层土体的计算参数

3.3 计算结果分析

懋隆黄金建筑物自重引起的变形分析结果如图5所示。该建筑最大沉降量为34.7 mm，位于建筑物的东北角；最大局部倾斜为1.1‰，位于建筑物北侧。

图5 懋隆黄金建筑物自重沉降等值线(单位：mm)

3.4 建筑物变形控制标准建议

根据《北京地区建筑地基基础勘察设计规范》(DBJ 11-501-2009)的规定，地基土为一般第四纪黏性土及黏质粉土的砌体承重结构(独立基础或条形基础)，长期最大允许沉降量为50 mm。

参照《民用建筑可靠性鉴定标准》(GB 50292-2015)，砖墙承重的多层砌体结构，不会明显影响结构正常使用的结构顶点位移允许值为H/550，换算整体倾斜度为1.82‰。

根据《建筑地基基础设计规范》(GB 50007-2011)的有关规定：对于高度在24 m以下的多层建筑，其整体倾斜控制标准为4.0‰，砌体承重结构基础的局部倾斜不超过2.00‰。

根据该建筑物由自重引起的变形分析结果，懋隆黄金建筑物最大沉降量为34.7 mm，最大局部倾斜为1.1‰；根据现状建筑物倾斜测量结果，懋隆黄金墙体整体最大倾斜度为1.2‰。考虑到导洞及隧道施工可能引起建筑物地基沉降特点及沉降范围复杂性，后期施工造成建筑物的最大沉降不能超过10 mm，局部倾斜不能大于0.5‰。

4 导洞及隧道施工对建筑物变形影响

4.1 建模方案

区间隧道、降水导洞与懋隆黄金建筑物的位置关系如图6所示。

(5) 单边磁拉力(以稳态运行15 g的加速度下产生的径向位移所对应的磁拉力与“扫膛”零界位移对应的磁拉力的加权平均值计12 289.5 N)。

图6 区间隧道、降水导洞与懋隆黄金建筑物的位置关系

降水导洞(包括排风井)、隧道结构均采用shell单元模拟，建筑物采用等效均布荷载+考虑一定刚度的实体单元来模拟。降水导洞的超前大管棚+全断面深孔注浆超前加固采用实体单元进行模拟，管棚作用及注浆体参数综合考虑并参考经验来确定。区间隧道和降水导洞等结构计算参数如表2所示。

表2 区间结构计算参数

4.2 施工过程模拟

根据现场施工方案，施工顺序模拟简化为：①施工降水导洞西线至预加固起始位置；②施工导洞西线至建筑物位置；③施工导洞西线至建筑物中间位置；④施工导洞西线至开始离开建筑物；⑤施工导洞西线至预加固段结束；⑥继续施工导洞西线至模型边界；⑦施工导洞东线；⑧施工隧道左线；⑨施工隧道右线；⑩施工2#排风井。

4.3 计算结果分析

降水导洞西线施工完成后，地表及建筑物沉降如图7所示。从图7可知，当降水导洞西线施工完成后，地表最大沉降为27.1 mm，懋隆黄金建筑物最大沉降为6.0 mm，位于建筑物的东南角，最大局部倾斜0.1‰，位于建筑物北侧(无地下室)部分。

图7 降水导洞西线完成后地表及建筑物沉降云图

地表及建筑物变形计算结果汇总如表3所示。根据表3的计算结果可知，采取加固措施后，导洞及隧道施工对懋隆黄金的影响基本在变形控制指标范围内，建筑物最终的最大变形略超过变形控制指标，需要在隧道施工中进一步提高施工质量，将建筑物变形控制在10 mm以内，以保证建筑物的安全。

表3 地表及建筑物变形计算结果

此处需要说明的是，本文的分析主要针对降水导洞和正线隧道施工引起的建筑物变形，没有考虑降水施工产生的影响。由于降水导洞位于建筑物的下方，降水施工引起的建筑物不均匀沉降较小，对建筑物的结构安全影响较小。考虑到施工结束以后，地下水位逐渐恢复，降水施工引起的地表沉降也会有所恢复，故施工过程中，降水施工对建筑物的结构安全产生的影响较小。

5 实施效果评价

5.1 现场实施情况

5.2 监测点布置

为了定量评价实施效果，施工过程中对建筑物的变形情况进行了监控量测。根据《城市轨道交通工程监测技术规范》(GB 50911-2013)的要求，在懋隆黄金建筑物的四角布置沉降点，且外墙每隔6～10 m设置1个沉降监测点，监测点的分布如图8所示。

图8 懋隆黄金建筑沉降监测点布置

5.3 监测数据分析

选取建筑物监测沉降点JCJ21为对象，分析降水导洞和区间隧道施工对建筑物的扰动影响。西线降水导洞施工期间，监测点JCJ21的实测数据如图9所示；左线区间隧道施工期间，其实测数据如图10所示。

图9 西线导洞施工期间监测点JCJ21的实测数据

图10 左线隧道施工期间监测点JCJ21实测数据

由图9可知，随着西线降水导洞的施工，监测点JCJ21沉降值逐渐增加，在降水导洞开挖面距建筑物前15 m时，JCJ21点最大沉降为-4.85 mm。

在开挖面到达建筑物之前，监测点呈现先隆起后沉降的现象。这是因为开挖面离监测点较远时，超前注浆能弥补前方扰动较小地层的应力损失，当注浆压力比地层损失应力大，则地层就会出现隆起现象；但随着开挖面不断接近监测点，开挖所造成的应力损失远大于超前注浆的压力，则地层出现沉降。该阶段内，监测点JCJ21数据变化较大，最大变化量为8.62 mm；当降水导洞施工至建筑物前，JCJ21的最大隆起值为0.5 mm。

当开挖面到达建筑物后，监测点又出现隆起现象，且隆起现象较前一阶段要大，主要是由于开挖面接近懋隆黄金建筑物，超前注浆压力对建筑物的影响较大的缘故。该阶段内，监测点JCJ21最大变化量为5.15 mm，最大隆起值为5.65 mm。当注浆加固完成开挖后，监测点出现持续下降，主要由于开挖施工产生的应力损失所导致的，西线降水导洞施工结束后，监测点的沉降值为-3.35 mm。

由于超前预支护注浆压力的影响，东线导洞施工结束后，监测点JCJ21的沉降值为-3.96 mm，认为东线导洞施工未对建筑物产生较大影响，故此处不再进行具体分析。

由图10可知，左线区间隧道下穿施工之前，由于降水施工的影响，导致地层固结沉降，造成监测点JCJ21的初始值为-6.0 mm，相比降水导洞施工结束后的沉降值增加了2.04 mm。左线隧道施工过程中，建筑物沉降逐渐增大。左线区间施工完成时，监测点沉降值为-8.99 mm。由于右线隧道距离建筑物较远、埋深较大，右线区间施工结束后，实测监测点沉降值为-9.06 mm；由于2#排风井与懋隆黄金之间有一定距离，且跨度较小，2#排风井施工结束后，建筑物的沉降值为-9.15 mm，未发生明显变化，故未对右线隧道和2#排风井施工监测进行分析。

对比现场实测数据与数值模拟结果可知：在数值模拟阶段，整个模拟过程未出现建筑物隆起现象，这是由于在有限元模拟软件中未能模拟出注浆压力对地层顶升的作用。施工过程中，现场实测数据的最大隆起和沉降值均未超过10 mm，最大局部倾斜也未超过0.2‰，表明降水导洞和区间隧道的施工过程未对地面建筑物产生过大的影响，建筑物满足安全使用要求。

6 结束语

(1)对于既有建筑物，如果建筑物资料缺失严重，采用数值模拟方法，分析其在自重作用下发生的变形情况，作为建筑物建成后的累计变形，可以为建筑物变形控制指标的确定提供参考依据。

(2)在地铁隧道下穿建筑物过程中，提高现场施工质量，也可以在一定程度上控制建筑物的变形。