地铁盾构隧道下穿水闸的地表变形控制标准研究

陈 映，李 威，戴跃华

(1.广东省水利水电技术中心，广州 510635;2.广东粤源工程咨询有限公司，广州 510635)

1 概述

随着我国城市化进程的高速发展，城市人口急剧增加，城市规模不断扩大，城市交通拥挤问题逐渐凸显。城市地铁作为现代化的公共交通工具，能充分利用城市地下空间来缓解城市交通压力，具有安全、迅捷、容量大、能耗低等优点，受到了人们的普遍青睐。当前，我国城市地铁建设呈加速趋势。盾构法是利用盾构机在地面以下暗挖隧道的施工方法，具有地面作业少、适宜建造深埋隧道、对周围环境影响小、自动化程度高、劳动强度低、施工速度快等优点，是城市地铁隧道建设的首选施工方法。

随着地铁盾构隧道的大规模建设，难免出现地铁盾构隧道下穿地面基础设施的情况。由于地铁盾构隧道施工是在岩土体内部进行的，盾构掘进过程中不可避免会扰动岩土体，破坏了原有的平衡状态，进而引起地表沉降和变形，危及地面基础设施的安全。减少地铁盾构施工对周围土层的扰动，将其对地面基础设施安全的影响控制在允许范围内，是地铁盾构隧道建设者们一直所关注的问题[1-5]。

目前盾构隧道施工对地表变形及建筑物影响的研究方法主要有经验法、模型试验法、现场实测法、数值计算法等[6-8],为保证盾构隧道施工引起的地表沉降在合理范围内，许多研究人员对地铁盾构隧道下穿引起地面沉降的控制标准进行了研究，被下穿的基础设施包括机场跑道[9-10]、历史建筑[11-12]、地下管线[13-14]、道路桥梁[15-16]、风景区[17]等，但针对地铁盾构隧道下穿水闸的研究较为缺乏。

对于地铁盾构隧道下穿水闸而言，一旦水闸失事会危及公众的防洪、排涝安全，造成极大的社会影响。为此，本文结合某地铁隧道下穿某水闸的实际工程，对地铁盾构隧道下穿水闸的地表变形控制标准进行探讨研究。

2 盾构下穿引起水闸破坏的形式

盾构下穿施工时，地面水闸产生破坏的主要原因是地表变形带动水闸产生了附加的变形，当水工结构应力超过其强度时发生破坏。根据地表变形的不同，地面水闸破坏的主要形式包括整体沉降、倾斜破坏、曲率破坏、水平变形引起的破坏等。

1) 整体沉降

若盾构下穿施工引起的地表变形为整体沉降，则水闸结构应力状态不会改变，只是相对没沉降前的水闸产生了一定的竖向位移量，因此整体均匀沉降对水闸的影响较小。但是，实际工程中仍需对水闸的最大沉降量进行严格控制，因为过大的沉降量会影响水闸的正常使用功能。此外，过大的沉降量表明水闸地基土层扰动严重，影响了地基承载力。

2) 倾斜破坏

一般而言，盾构下穿施工引起的地表变形是非均匀的，此时水闸地基的差异沉降会使结构内部产生差异变形和附加应力，严重时会导致水闸产生破坏。其中，倾斜破坏是最常见的破坏形式。

3) 曲率破坏

盾构下穿施工引起的地表变形还可能使水闸产生曲率破坏。当地表非均匀沉降时会产生负曲率破坏，水闸基础上部受压下部受拉，可能会产生正“八”字裂缝；当地表非均匀隆起时会产生正曲率破坏，水闸基础上部受拉下部受压，可能会产生倒“八”字裂缝；

4) 水平变形引起的破坏

盾构下穿施工引起的水平变形会对使水闸内产生较大的附加应力。由于水闸混凝土抗拉强度比抗压强度小得多，因此拉伸变形产生的破坏性要比压缩变形更大。

3 盾构下穿水闸地表变形控制标准研究

3.1 规范有关盾构隧道下穿引起地表沉降的控制标准

在全国各地大量实际工程案例开展专题研究的基础上，根据不同工程监测等级的安全控制要求，《城市轨道交通工程监测技术规范(GB 50911—2013)》[18]确定了不同地面变形监测项目的控制值(见表1)。

表1 盾构法隧道地面变形监测项目控制值

3.2 规范有关建筑物的地基变形允许值的标准

《建筑地基基础设计规范(GB 50007—2011)》[19]对建筑物的地基变形允许值进行了规定。该规范将地基土分为中、低压缩性土和高压缩性土，分别从沉降量和建筑物的整体倾斜两方面规定了地基变形允许值。其中，对于沉降量，该规范针对不同结构做出了不同的规定，地基允许变形值分布在120～400 mm；对于建筑物倾斜，规范针对不同结构，给出了因结构高度而异的倾斜允许值，当建筑物高度小于60 m时，倾斜度(两端点的沉降差与其距离的比值)应小于0.003。

《水闸设计规范(SL 265—2016)》[20]对地基允许沉降量和沉降差作出了具体规定，由于水闸基础尺寸较大，对地基沉降的适应性较强，因此在不危及水闸结构安全和不影响水闸正常使用的条件下，一般水闸基础的最大沉降量达到100～150 mm和最大沉降差达到30～50 mm是允许的。

3.3 工程案例类比分析

规范一般多从适应宏观分类和满足基本要求的角度出发，给出了地表沉降量所应当符合的限制值或允许值标准。实际工程的安全评价，可在数值分析成果的基础上，依据规范规定作出基本结论。还可以通过搜集隧道下穿既有结构物工程案例，整理已建工程的岩土体特性、隧道施工方法、隧道断面尺寸、埋深、地表沉降等数据，从工程案例类比的角度进行分析。表2整理了7个国内已建隧道工程下穿建筑物等设施的工程案例。

3.4 盾构下穿水闸地表变形控制标准

梳理国内相关规范，并类比工程案例，可见：① 规范对隧道下穿施工引起的地表力学响应，主要以“沉降值(含地表隆起)”和“倾斜度(或称沉降差)”两个指标进行控制，以确保既有建筑物的安全。② “沉降值”的控制值，与地层岩土类型和保护对象的属性有关，在较严格的条件下，地表沉降值应小于10 mm，对应的地表隆起值也应小于10 mm。“倾斜度”的控制值，对于高度低于60 m的建筑物，应小于0.003。③ 根据已建工程实例，隧道下穿建筑物时，基于隧道上覆岩土体的不同力学性能，最大地表沉降值一般应小于30～70 mm，并且应满足倾斜度的要求，避免建筑物因不均匀沉降带来的破坏。

综上分析，可知隧道下穿施工对建筑物的影响因素多，所涉及的控制标准也存在多种方案。如前所述，根据地表变形的不同，地面水闸破坏的主要形式包括整体沉降、倾斜破坏、曲率破坏、水平变形引起的破坏等。可见，目前的地表变形控制标准还不够精细化。本文建议以《城市轨道交通工程监测技术规范(GB 50911—2013)》为主要依据，根据水闸的建筑物级别确定表1中的工程监测等级(1级建筑物对应1级监测，2、3级建筑物对应2级监测，4、5级建筑物对应3级监测)，进而确定地表沉降和隆起控制标准；对于竖向差异变形，采用两端点的沉降差与其距离的比值小于0.003的控制标准，以避免出现倾斜破坏和曲率破坏；对于水平差异变形，可参考“倾斜度”控制标准并考虑到混凝土抗拉强度低于抗剪强度，采用两端点的变形差与其距离的比值小于0.002的控制标准。

表2 隧道下穿既有建筑物的工程案例主要指标统计

4 工程实例分析

4.1 工程概况

某地铁盾构隧道从某水闸内河侧穿过(见图1)，盾构隧道与水闸轴线夹角约为62°。水闸为小型单孔水闸，建筑物级别为5级，总净宽为4.0 m，高为 7.8 m(地铁隧道下穿水闸的剖面位置关系见图2)。隧道顶高程为-26.72 m，与水闸下部钻孔灌注桩底部高程-13.35 m之间的垂直距离为13.37 m，水平最小距离为35.67 m。场地岩土层分为素填土、淤泥质中粗砂、中粗砂、粉质黏土、强风化粉砂岩、中风化粉砂岩6层。

4.2 地表变形控制标准制定

本工程水闸为5级建筑物，采用《城市轨道交通工程监测技术规范(GB 50911—2013)》中的3级监测对应的地表沉降和隆起控制标准，即最大地表沉降按30 mm控制，最大地表隆起按10 mm控制。对于竖向差异变形，采用两端点的变形差与其距离的比值小于0.003的控制标准。对于水平差异变形，采用两端点的变形差与其距离的比值小于0.002的控制标准。

图1 地铁隧道下穿新合益水闸的平面位置关系示意

图2 地铁隧道下穿新合益水闸的剖面位置关系示意

4.3 地表变形计算与分析

采用岩土通用软件FLAC3D开展数值计算分析，岩土体采用莫尔-库仑(Mohr-Coulomb)理想弹塑性模型；衬砌和混凝土板等结构采用线弹性模型。建立的计算模型见图3，共剖分了130 622个单元和139 565个节点。

图3 地铁盾构隧道下穿水闸三维计算网格示意

为计算最不利情形下地表的沉降和隆起，拟定如下两种计算分析工况：① 隧道贯通工况，分析开挖引起的地表沉降变形；② 隧道下穿施工工况，分析隧道开挖至水闸正下方时盾构机土舱压力引起的地表隆起变形。隧道贯通工况计算出的竖向变形分布见图4(对应图1中A-A断面)，隧道的拱顶下沉变形为13.15 mm，对应的地表最大沉降为6.16 mm，小于35 mm的沉降控制值。隧道下穿施工工况计算出的竖向变形分布见图5(对应图1中B-B断面)，当掌子面土舱压力为1.0 MPa时，地表最大隆起为0.15 mm，小于10 mm的隆起控制值。可见，盾构下穿引起的地表整体变形在允许范围内。

隧洞贯通工况的沿垂直隧道方向的竖向及水平向变形分布见图6。两端点的竖向变形差与其距离的比值为-1.59×10-4～1.60×10-4，小于0.003的控制标准；两端点的变形差与其距离的比值为-1.92×10-4～1.82×10-4，小于0.002的控制标准。可见，盾构下穿引起的地表差异变形较小，在水闸结构中产生的附加应力相应较小，不会引起水闸破坏。

图4 隧洞贯通工况竖向变形分布示意(单位：mm)

图5 隧道下穿施工工况竖向变形分布示意(单位：mm)

图6 沿垂直隧道方向的竖向及水平向变形分布示意(单位：mm)

5 结语

盾构隧道下穿水闸可能会对水闸的安全运行产生影响，危及公众的防洪、排涝安全，造成极大的社会影响。为将盾构隧道下穿水闸的影响控制在合理范围，对盾构下穿引起水闸破坏的形式进行了分析，采用对规范的梳理、工程案例类比分析相结合的方法，提出了盾构隧道下穿水闸的地表变形控制标准：① 根据水闸的建筑物级别确定《城市轨道交通工程监测技术规范(GB 50911—2013)》中的工程监测等级，进而确定地表沉降和隆起控制标准；② 对于竖向差异变形，采用两端点的变形差与其距离的比值小于0.003的控制标准，以避免出现倾斜破坏和曲率破坏；③ 对于水平差异变形，采用两端点的变形差与其距离的比值小于0.002的控制标准。将提出的盾构隧道下穿水闸的地表变形控制标准应用于某地铁下穿某水闸的实际工程，盾构隧道下穿过程中水闸的安全运行。