杭州香积寺路盾构隧道施工对邻近建筑物影响分析

钱文彪，蒋云刚

（杭州运河辰祥工业遗址综合保护开发有限公司，浙江 杭州 311122）

1 概述

随着城市交通建设的飞速发展，许多城市交通线路大部分要穿越建筑密集地段，城市交通向着深广方向发展，盾构隧道施工近距离穿越既有建筑物施工案例不可避免。盾构隧道施工时引起地层变形，引起邻近建筑物发生倾斜、不均匀沉降、开裂乃至破坏等，造成重大安全隐患[1-3]，因此，合理评估盾构隧道施工对邻近建筑物变形和结构的影响至关重要。周健等[4]对武汉地铁开挖断面进行研究，利用有限差分软件FLAC预测隧道开挖对地层及周围建筑物变形影响，提出地层损失率控制结论；彭学军等[5]通过优化盾构掘进参数、控制盾构掘进速率和预埋袖阀管等保护措施对长沙地铁5号线区间内建筑物进行了针对性的保护措施；贾宝宏等[6]利用有限元软件ANSYS 和现场监测相结合对太原地铁一、二号线联络段盾构施工引起的地表及建筑物沉降进行了分析；刘祥勇等[7]选取基于角变形和水平应变的主应变作为建筑物受盾构施工影响程度的评价指标，通过数值模拟分析了盾构施工对邻近密集建筑群结构的影响规律。由于隧道—地层—建筑物之间复杂的相互作用关系，数值模拟法可反映工程实际情况，模拟盾构隧道施工过程中对周围土体以及建筑物所造成的影响，目前研究盾构隧道施工对周边建筑物影响评价主要通过数值模拟分析来进行[8-9]。

本文以杭州市香积寺路西段盾构隧道段为工程背景，利用三维有限差分软件FLAC3D 进行数值计算分析，对盾构隧道开挖过程进行了动态模拟，分析了盾构隧道施工对邻近建筑物的影响，为同类地下工程设计施工提供借鉴和参考。

2 工程概况

2.1 香积寺路隧道总体布置与工程地质条件

根据《杭州市城市总体规划(2001-2020年）》（2016年修订），本工程西起教工路，东至德苑路，从余杭塘路（莫干山路—湖墅北路）向东延伸与现状香积寺路相接，道路性质为城市次干路，全长2.65km。隧道主线始于莫干山路以西，终于大关苑路以东，全长2293m，隧道在莫干山路以西布置一对进出口（双向四车道规模）；在上塘路以西设置一对平行匝道（进、出口匝道均为单向单车道规模）、上塘路以东设置一对出入口（双向两车道规模）。隧道含3段明挖、2段盾构，盾构段总长1170m（图1）。

图1 隧道总体布置示意图

本工程穿越不同时代的地层，根据勘探孔揭露的地层结构、岩性特征、埋藏条件及物理力学性质，结合周边建筑物详勘地质资料，盾构隧道土层自上而下分别是①0-1杂填土、①0-2素填土、②1-1粘质粉土、②1-2淤泥质粉质粘土、④1-1粉质粘土、④1-2粉质粘土夹粉土和⑩1-1全风化凝灰岩，具体见图2。

图2 工程地质剖面图

2.2 盾构隧道与临近建筑物相互位置关系

拟建香积寺路西延工程主要沿余杭塘路、香积寺路敷设，沿线两侧建筑物密集，盾构邻近施工将对周边建筑物有一定的影响。根据资料调查、现场踏勘等方法对隧道周边受影响建筑物进行梳理，盾构隧道南线K0+750处邻近某小区住宅楼最为典型，该建筑物主要以5～7 层砖混结构为主，沿开挖方向长64m，竖向高21m，根据邻近同期建筑物推测基础主要采用沉管灌注桩，其与南线隧道结构间最小净间距为1.5m，图3为邻近某小区住宅楼与盾构隧道之间的平面和横断面内的相对关系。

3 数值计算

3.1 计算模型与参数

根据上述最不利工况建立三维分析模型，共67366个单元，70707 个节点，X轴为宽度方向，Y方向为隧道轴线方向，Z轴为深度方向。模型X方向长100m，Y方向长120m，Z方向深40m。模型3个方向尺寸选取的原则是把隧道开挖影响范围都包含在模型范围之内。建筑物共7层，层高3m，尺寸详见图4。

图4 三维有限元计算模型

为了提高计算速度，沿横向距离隧道轴线方向越远网格越稀疏，同样沿竖向距离隧道底部越远网格越稀疏。土体各侧面分别设垂直于该侧面的水平约束，底面设竖向约束，上表面自由，采用Mohr-Coulomb理想弹塑性模型进行模拟，详细物理力学参数见表1。基础为桩基础，桩类型为沉管灌注桩，采用Pile 单元进行模拟，桩顶与建筑物底面固结在一起。建筑物与桩基参数见表2。

表1 隧道通过土层土力学性质表

表2 建筑物与沉管灌注桩参数表

3.2 加固措施

为了综合分析不同加固措施下盾构施工对临近建筑物的影响，本报告对三种不同工况进行了数值模拟分析，分别是：

（1）不加固：盾构正常施工，不采取加固措施；

（2）洞内加固：施工前采取洞内加固措施，通过预注浆在隧道周边形成一圈3m的加固圈；

（3）洞内加固+洞外加固：施工前通过预注浆在隧道周边形成一圈3m 的加固圈和在建筑物进行袖阀管预加固，如图5所示。

图5 不同加固措施示意图

4 数值计算分析

4.1 隧道施工引起的变形场分析

根据以上材料参数，分别建立土体自重下的初始应力场，以及加入砖混建筑物后的初始应力场，之后依次开挖盾构隧道南线和北线，计算盾构施工对临近邻近某小区的影响。图6～图7为上述三种不同工况下的Z向位移和X向位移。

图6 三种工况下Z向位移

图7 三种工况下X向位移

结果表明，Z向位移均随着盾构施工逐步增加，地表最大变形点从开始的盾构轴线的正上方转移至建筑物下方。这是因为盾构直径较大，且建筑物与盾构距离仅为1.5m，建筑物处于盾构施工的主要影响范围内，在建筑自重与开挖卸荷的共同作用下，建筑物的沉降很可能超过隧道中轴线上方的地表沉降。此外，建筑物本身出现了一定程度的不均匀沉降。

X向位移主要发生在隧道两侧，由于建筑物下方桩基大于隧道埋深，在隧道施工过程中起到了较强的抗倾斜作用，故盾构施工对建筑物的侧向位移的影响较小。因此，在隧道穿越邻近某小区时，应以沉降控制为主，侧向倾斜控制为辅，并在施工过程中应及时进行监测，防止事故的发生。

从三种工况下盾构隧道施工引起的地层竖向沉降和侧向位移来看，洞内注浆加固和洞外袖阀管加固能有效地降低地层变形，且加固措施越多，效果越明显。因此，对于盾构隧道施工通过邻近建筑的加固措施，推荐采用洞内预注浆加固和洞外袖阀管加固相结合的方式。

4.2 建筑物变形分析

计算过程中，分别对三种不同工况下建筑物的变形进行了监测，这里取建筑物变形云图中X或Z位移最大处的四个测点（P1～P4）来分析，测点位置如图8 所示，计算结果见表3。

表3 各工况下建筑物变形统计表

图8 建筑物监测点布置

由以上结果可以看出，由于隧道开挖卸荷引起周边土体损失，建筑物的沉降量及侧向倾斜逐渐增大，两线盾构掘进完成之后，不采取任何加固措施时，建筑物的最大沉降量将达到36.08mm，沿开挖方向最大差异沉降为18.08mm，沿竖向最大侧向位移为2.698mm，考虑到建筑物沿开挖方向长64m，竖向高21m，房屋的最大倾斜率为0.28‰，小于4‰的控制标注，但最大沉降量超出了《建（构）筑物托换技术规程》（CEC 295-2011）相关控制标准要求的30mm阈值；采用洞内预注浆加固时，建筑物的最大沉降量将达到23.86mm，沿开挖方向最大差异沉降为10.34mm，沿竖向最大侧向位移为0.791mm，房屋的最大倾斜率为0.16‰，房屋倾斜率和沉降值未超过房屋沉降控制值；采用洞内加固与洞外加固相结合的措施时，建筑物的最大沉降量将达到14.72mm，沿开挖方向最大差异沉降为6.01mm，沿竖向最大侧向位移为0.296mm，房屋的最大倾斜率为0.09‰，房屋倾斜率和沉降值未超过房屋沉降控制值。实际施工过程中，采用地层预加固+洞内长管注浆+洞外袖阀管跟踪加固+严格施工控制，盾构掘进完成后建筑物最大沉降为14.12mm，小于建筑物的沉降控制值，建筑物最大倾斜率为0.09‰，小于建筑物的倾斜控制值，与数值计算结果基本一致。

5 结论

针对香积寺路西延工程盾构隧道通过邻近某小区住宅的情况，通过连续介质有限元整体模型数值分析得出如下结论：①随着盾构隧道南线和北线依次开挖，地层Z向位移均随着盾构施工逐步增加，地表最大变形点从开始的盾构轴线的正上方转移至建筑物下方，可造成建筑物本身出现一定程度的不均匀沉降；②随着盾构隧道南线和北线依次开挖，地层X向位移主要发生在隧道两侧，由于建筑物下方桩基大于隧道埋深，在隧道施工过程中起到了较强的抗倾斜作用，故盾构施工对建筑物的侧向位移的影响较小；③隧道开挖卸荷引起周边土体损失，建筑物的沉降量及侧向倾斜逐渐增大，两线盾构掘进完成之后，不采取任何加固措施时，建筑物的最大沉降量将达到36.08mm，超出了规范要求的30mm的控制值；④三种工况下盾构隧道施工引起的地层竖向沉降和侧向位移来看，洞内注浆加固和洞外袖阀管加固能有效地降低地层变形；⑤对于盾构隧道施工通过邻近建筑的加固措施，从经济的角度推荐使用洞内加固措施通过该建筑物，并在施工过程中应及时对房屋进行监测、检测，防止事故的发生，从安全的角度，推荐采用洞内预注浆加固和洞外袖阀管加固相结合的方式通过建筑物。

整体而言，根据《建筑地基基础设计规范》GB5007-2011 中表5.3.4 和《建（构）筑物托换技术规程》（CEC 295-2011）的相关要求，采用地层预加固+洞内长管注浆+袖阀管跟踪加固+严格施工控制，盾构掘进完成后建筑物最大沉降为14.12mm，小于建筑物的沉降控制值，建筑物最大倾斜率为0.09‰，小于建筑物的倾斜控制值。因此，采用此加固措施进行盾构隧道施工可确保工程沿线建筑物的安全。