浅埋暗挖法隧道下穿既有建筑物施工技术研究

刘岸昆 孙杰

(1 四川沿江宜金高速公路有限公司；2 川雅蓉辰建设工程有限公司)

浅埋暗挖法是王梦恕提出并在北京地铁上成功运用的一种施工技术，此项技术是指在接近地面的条件下，对各类地下空间进行不同形式隧道的开挖。通过近年来的实践和应用，浅埋暗挖法在隧道建设中取得了较为显著的进展。伴随着我国大、中型城市地铁建设的迅猛发展，在使用浅埋暗挖法进行施工的过程中，经常会遇到下穿建筑物的情况，因此也会产生越来越多的施工难题。例如在施工过程中，要对地表沉降进行控制、要对既有建筑物沉降进行控制，还要对其进行保护，这也给地铁的设计和施工带来了巨大挑战。在隧道下穿既有建筑的工程中，如何确保既有建筑的安全使用，是工程建设的起点，也是问题的终极目的。特别是隧道下穿了各种建筑物，包括：高层建筑、城墙等，要想保证其正常运营，关键还在于对沉降的控制和支护方法的选择。

土体与既有结构的沉降与变形，与许多因素有关，如：埋设深度、预先支护方法、既有结构基础型式、加固措施等。当前，科研人员已对新建隧道与既有结构间的间隔进行了大量的研究，但对于新建隧道上下间隔对既有结构的影响尚不明确。为实现此项技术在工程项目中的推广使用，本文将在此次研究中，以浅埋暗挖法为例展开研究。

1 工程概况

本次研究的标段隧道为平面线形隧道，隧道的左洞与右洞平面布置型式如表1所示。

表1 隧道平面线形参数

隧道穿越段岩体为灰岩，中～微风化带岩体完整性较好，据调查，节理裂隙发育，宽度大小不一，连通性较好，岩体渗水性较强。使用渗透法，进行隧道涌水量的分析，预测该隧道一般涌水量为4151m3/d，场地内降水主要集中在6 月～10 月，占全年降雨量的80%以上，建议隧道最大涌水量为6227m3/d。

在进行隧道纵面线形设计时，考虑到车辆在其中行驶的安全性，确保隧道在投入使用后的安全性，需要进行各个隧道纵面参数的分析，具体内容见表2。

表2 各个隧道纵面参数

2 隧道实体几何模型构建

结合上述概况，在构建隧道实体几何模型时，进行以下假设：第一，假设所有土层为各向同性、均质。第二，在模型计算的过程中，初始地应力仅代入土体自身的应力和既有建筑物的自重。第三，假设在进行隧道施工前，其下穿的既有建筑物处于良好稳定状态[1]。针对岩土地层的模拟，采用实体单元用以模拟隧道实体结构。在建模时，设计位移边界条件、应力边界条件和自重条件。为简化模型计算，既有建筑物的荷载看作均布荷载，计算简图如图1所示。

图1 计算简图

在应力场中，自重应力在竖直方向上和横直方向上均有分布，但横直方向始终小于竖直方向上的最大值，且其值随埋设深度呈线性增大[2]。在地下任一深度H的表面上，垂向压力与覆盖层的自重相等，其计算公式为：

式中：σy代表垂直方向上的应力，γ代表上覆岩体的容重，H代表岩土体的埋深，σx代表水平方向上的应力，ν代表泊松比。综合考虑各方面因素，模型实体的宽度取隧道最大洞径的5 倍，实体高度取最大洞径的4倍，开挖长度取100m[3]。图2为隧道实体几何模型。

图2 隧道实体几何模型

3 浅埋暗挖法隧道下穿既有建筑物施工

3.1隧道开挖与爆破

结合上述构建的隧道实体几何模型，引入浅埋暗挖法，对隧道下穿既有建筑物施工方案进行设计。在隧道开挖时，要根据隧道的埋深、围岩的稳定性和洞室的尺寸等因素来选择合适的开挖方式。左、右两条线路同时开挖时，两个工作面的纵向间距要合理，不能小于30m[4]。在隧道未完全贯通之前，在工作面间距不超过40m 的情况下，要加强联络，统一指挥；如果间距不超过15m，则必须从一头开始挖通。隧道开挖截面的尺寸要与设计相一致，并要留出足够的变形空间，开挖截面应该以包含预留变形量在内的设计轮廓为基准，并根据贯通测量误差、施工误差等因素进行适当的扩大。

在钻爆过程中，炮眼布置、炮眼个数、炮眼深度、炮眼倾角、药量及药眼结构、起爆方式及起爆次序等是钻爆设计中必须考虑的问题[5]。因此，在进行爆破时，必须严格按照设计图进行爆破，并根据爆破结果对相关参数进行及时调整。爆破应该使用光面爆破，其参数应该按照工程相似方法或现场试验来决定，在软岩中爆破，周眼孔的距离应该控制在40cm 之内，在中硬岩层中，周眼孔的距离不应该超过50cm。

在软弱围岩条件下，巷道爆破后，周围岩石基本稳定，没有出现大范围的片帮和垮塌现象；爆破后，围岩受影响深度不超过1m；洞中拱顶离掌子面1倍直径的垂向振动速度，不能超过50mm/s。在中、硬岩层的巷道中，巷道内的围岩是比较稳固的，基本上没有出现片帮；爆破后，围岩受扰动深度均在0.8m 以下；洞室拱顶在离开挖面1 倍直径的水平方向上，其竖向振动速度不超过80mm/s[6]。硬岩巷道经爆破处理后，周围岩层稳固，不出现崩塌；爆破后，围岩受扰动深度不超过0.5m；在距离开挖面1 倍的隧道直径下，隧道拱顶的垂向振动速度不能超过120mm/s。图3为隧道开挖、爆破实景图。

图3 隧道开挖、爆破实景图

3.2二次衬砌与仰拱填充

仰拱开挖完成后建议使用三维激光扫描仪对开挖断面进行扫描并与设计断面进行对比，并做好详细记录备查。以确保仰拱开挖深度满足设计要求。在二次衬砌施工中，首先要浇注仰拱，再竖起模板，在拱部浇注混凝土。仰拱在施工过程中，必须采用模架整体浇筑，不得分段浇筑，并在施工过程中应用自行式栈桥。基坑开挖应做到圆滑平整，不得出现欠挖现象，超挖部位应采用同等级的混凝土进行回填。在仰拱和底板浇筑混凝土之前，必须清除基础上的虚碴，杂物，积水等[7]。仰拱回填材料为C20 混凝土，并在仰拱回填完成后进行。在仰拱（含填充）和底板混凝土的强度达到5MPa 后，行人才能通过，在达到设计强度的100%后，车辆才能直接通过。二次衬里的钢筋必须按照设计进行绑扎和定位，保护层的净厚不得低于5cm，但不得超过8cm，以确保钢筋有足够的受力。环向主筋在焊接时，必须使用双面搭接焊接，搭接长度至少5d（d为钢筋的直径），如图4所示。

图4 二次衬砌钢筋绑扎现场实景图

建议采用带液位继电器防脱空报警装置的智能化二衬台车。根据液位继电器、触压导电原理，将感应线头提前与拱顶中线最高点位间隔固定（12m 台车一般安装4～5 组），二衬封顶砼灌满接触感应线头导电后可实现声光报警，与拱顶RPC 管带模注浆工艺共同防止拱顶脱空。

3.3既有建筑物保护

为了实现对隧道开挖时隧道周围地层沉降量的控制，确保既有建筑物在隧道推进中不会由于不均匀沉降而出现结构破坏，根据既有建筑物的结构特点和地质构造条件，采用既有建筑物主动注浆加固的方式[8]。图5为预注浆平面示意图。

图5 预注浆平面示意图

采用主动注浆的方式对浅埋暗挖隧道下穿的既有建筑物进行加固，对建筑物基础下的持力地层进行注浆，增加承受建筑物荷载的持力地层面积和强度，实现对不均匀沉降的控制。

4 施工动态分析

在一条穿越既有建筑物的浅埋暗挖隧道工程中，一般情况下，要以隧道开挖方案、沿线环境等为依据，采用不同的测量仪器，对易发生沉降、变形的关键部位进行动态测量。通过对这些测量数据的整理，得到围岩变形收敛值和拱顶的沉降值，研究其变化过程和规律，并与有关规范进行比较，判断是否超过容许值。若超出范围，则应通过现场调查，并依据隧道的施工计划加以调整，直至满足要求为止；若未超出，则表示设计的施工方法是可行的，对施工计划不作任何处理。通过这种比较，保证隧道的高效施工，对施工进度、质量和安全进行合理地控制，将施工事故的发生概率降低到最小。监测项目见表3。

表3 施工动态监测项目

对应的地表沉降监测、建筑物沉降监测点埋设方式见图6、图7。

图6 地表沉降监测点埋设方式（将钢筋头低于路面5mm，标记为监测点）

图7 建筑物沉降监测点埋设方式（用基本水准点作为单点引测）

按照上述方式，采集监测数据，当沉降数据变化稳定后，进行数据的统计与整理，发现地表沉降在监测第7 天趋近于稳定，总下沉量为2.4mm；未发生隆起现象，因此，施工地表监测中的隆起值为0。对建筑物沉降进行统计分析，未发现有墙体开裂现象，建筑物监测数值为0。

5 结束语

目前，相关浅埋暗挖法的研究已经相对成熟，但由于此项施工技术在投入使用后所引起的地层移动、对周围建筑影响，仍无法完全消除，因此，在地下穿越既有建筑物时，如何保证周边建筑物和管线的安全运行，是目前亟待解决的问题。针对此方面问题，本文开展了此次的研究，并在施工中，从地表沉降与建筑物沉降两个方面，进行了施工行为的动态监测，根据监测结果可以看出，由于施工行为的扰动，隧道地表出现了一定程度的下沉，但并未隆起，建筑物也未发现沉降。但在将沉降数据与控制标准进行对比后发现，地表最大下沉量小于30mm，建筑物最大沉降小于15mm，即此项施工技术满足要求，不会对建筑物与地表造成较大的影响，可以按照预设方案进行施工。