田世文

(北京建大京精大房工程管理有限公司，北京 100044)

1 工程概况

北京某地铁工程，线路长24.55km，设车站22座，全线共设6个盾构区间，用5台土压平衡盾构机施工完成7.3km区间隧道。盾构区间周边环境复杂，沿线盾构穿越的桥梁(包括天桥、跨河桥)有8座、高速公路(含快速路)有5条、河流有3条、铁路(含既有地铁)有2条、下穿重要市政管线若干、下穿或邻近建筑物众多。

本文涉及工程辖2个盾构区间：始发井—亮马桥站区间(K14+741.3—K16+730.8 )长1 989.5m，为双线。始发井—亮马桥站区间是本条线路难度最大的盾构区间，线路平面呈正反S状(见图1)，平面曲线由2个400m半径和1个350m半径组成。线路在竖向为“人”字形坡，线路最大坡度为0.8%。线路埋深在18～25m。沿线下穿中国空间技术研究所的多层楼房、京顺路、机场高速公路、多个过街通道及各种地下市政管线。线路有近1km在东三环主、辅路间穿行，两侧高楼林立，施工对沉降控制要求极高。

图1 盾构区间线路与南、北小街8号楼邻近关系平面示意

本区间线路距建筑物较近的区段是在三源里建筑群区域，2条隧道位于三环内侧辅路下，左线隧道紧贴三环主路高架桥布置，右线隧道与左线隧道净距5m，右线隧道另一侧是沿街由北向南的北小街8号楼、南小街2号楼、6号楼、8号楼、泛旅大厦等，隧道由北向南掘进，如图2所示。

图2 盾构区间线路及南北小街8号楼邻近关系

2 控制标准

1)现场勘测表明，该住宅楼上部结构墙面裂缝较多，墙壁与屋面板有错动痕迹，板间连接件也存在部分腐蚀，可知结构整体性较差。并且壁板式结构本身存在缺陷，所以，该住宅楼结构整体刚度与强度均较差，对建筑物基础的不均匀沉降敏感。

2)右线地铁隧道施工会使该建筑发生靠近隧道侧的不均匀沉降。

3)工程测量表明，此住宅楼存在1/1 000左右的倾斜；建筑物西北端向前倾斜1/1 000，其东南段向左、向后各倾斜1/1 000。

4)地基基础控制标准：建筑物整体倾斜控制在1/1 000内，基础(临街外墙)的最大沉降量应控制在10mm以内。

5)盾构隧道穿越南小街8号楼地基邻域时，应对建筑物邻域管线变形加强控制，以防地下水的水力作用引起地基土(特别是⑥2粉土层、⑦1中粗砂、⑦2粉细砂层)局部坍塌，诱发管道漏水，从而导致建筑物地基剧烈变形。

在南小街群楼中，南小街8号楼的结构质量最差，且与盾构隧道距离最近。在此，对南小街8号楼受隧道施工的影响程度进行了分析计算。

南小街8号楼于1981年设计建成，该建筑物高37.40m、长80.70m、宽13.12m，地上12层、地下2层；主体为壁板式结构，地下2层承重墙为现浇钢筋混凝土结构，为片筏式钢筋混凝土基础，结构整体强度与刚度均较差，如图3所示。

图3 南小街8号楼与右线盾构隧道的位置关系

3 沉降预测分析方法

3.1 Peck公式法

Peck认为在不排水情况下，地表沉降槽体积与地层损失体积相等。假定地层损失沿隧道长度分布均匀，且沉降槽横向近似为正态分布。

如图4所示，因此提出如下地表沉降分布的预计公式：

图4 地表横向沉降槽

(1)

(2)

(3)

式中：Vi为隧道单位长度的地层损失；S(x)为距隧道轴线x位置地表沉降值；Smax为隧道轴线位置地表最大沉降值；φ为内摩擦角；Z为隧道轴线埋深；i为地表沉降槽宽度系数。

O’Reilly等发现i的取值与隧道轴线埋深近似呈线性关系，即提出另外一种更简捷的计算i值的方程式：

i=K·Z

(4)

式中：K为沉降槽的宽度系数；Z为隧道的轴线埋深。

Z的取值建议黏性土为0.4～0.6、砂土为0.25～0.45，所以i=0.35×13.2=4.62。至此，最大沉降量Smax只和单位长度的地层损失Vi有关。最大轴线沉降量按20mm考虑，所以根据式(4)与式(1)得出盾构所侧穿的建筑物外的最大沉降为：

但Peck公式无法考虑地表已有荷载情况下的沉降槽分布，在掘进扰动和地表荷载情况下，土体会进一步向隧道方向移动，会加剧不良沉降发生。为了进一步演算土体在地表构筑物的作用下向盾构隧道移动的趋势和程度，需采用数值模拟方法。

3.2 数值分析研究

通过理论计算得出盾构施工对8号楼影响较大，本工程原设计方案地面设置隔离桩，由于工程实施过程中遇到当地居民干涉，未能实施隔离桩措施。为确保盾构安全穿越，经多次专家会论证，并会同工程各方进行了地铁线路局部改线。改线后两隧道净距仅2m。

为了更好地分析盾构施工对建筑物的影响，在此对距隧道最近的南小街8号楼在隧道施工过程中的影响进行数值模拟分析计算，首先建立静态模型(见图5)，用来确定在允许变形范围内最合适的注浆压力；其次，对盾构施工所造成的建筑物沉降进行动态数值模拟。

图5 计算模型

采用的软件是基于有限差分的数值计算软件Flac系统，它是目前世界上最优秀的岩土工程数值分析软件之一。

首先通过Flac系统进行建模，模型尺寸边界为3倍隧道直径。盾构外径为6.25m，衬砌外径为6m，隧道埋深17.5m。模型考虑左、右线最小净距所在Ⅳ—Ⅳ断面(Ⅳ—Ⅳ断面前后各取3.6m)，模型范围为70m×7.2m×39m，x轴方向为水平向右，y轴方向为垂直向上，z轴方向为沿隧道方向向前。

3.2.1Flac模型物理条件确定

3.2.1.1地应力

地层水平向侧压力为垂直压力乘以侧压力系数：

(5)

3.2.1.2边界条件

该模型侧面和底面为位移边界，侧面边界视为连杆支座，底部边界视为铰支座。模型上表面为地表，取为自由边界。

3.2.1.3变形模式、强度准则

该模型变形模式为大应变变形模式，强度准则采用莫尔-库仑准则。

3.2.1.4南小街8号楼静荷载等价

因缺乏相关设计资料，南小街8号楼建筑物作用于其筏基的应力参考GB 50009—2019《建筑结构荷载规范》估算，每层按15kN/m2考虑，简化为矩形均布荷载。计算时此均布荷载由筏基传递作用于地基上。

3.2.2计算模拟步骤

研究地表沉降与围岩变形受到盾构隧道壁后注浆压力的影响，研究步骤如下。

1)地层在自重作用下达到固结沉降平衡，之后对位移场赋0。

2)首先进行左线隧道的开挖求解，待求解平衡后再进行右线隧道开挖，由于在注浆之间存在应力释放，因此还要继续计算一定的时步。

3)随着添加注浆压力、管片等边界条件，达到计算平衡。

4)对计算结果进行分析。

本文主要研究不同注浆压力下地表的沉降与围岩变形，对监控点布置如图6，7所示，其中19号监测点监测的是南小街8号楼地基。

图6 地表监测点布置

图7 隧道管片及围岩监测点布置

3.2.3计算参数选取

根据三元桥—亮马河区间试验段地质勘察报告、各层岩土计算参数选取，如表1所示(从地表至计算深度)。

表1 模型物理力学参数

3.2.4基本假定

1)注浆压力直接作用于围岩上，且沿径向分布。

2)注浆效果较好，盾构开挖间隙完全填充。

3)注浆填充及时，注浆前地层未出现明显坍塌。

4)管片强度与刚度均较大，足够承受注浆压力，在注浆过程中不会产生管片混凝土破坏或连接螺栓破坏。

3.2.5计算与分析

由于同步注浆压力对计算衬砌管片内力等结果影响较大，在数值模拟过程中对注浆压力设定了6种状态，用以揭示注浆对地层的作用机理。同步注浆的压力形式如图8所示。

图8 盾构壁后注浆压力示意

具体的监测点数值模拟结果如表2所示。

由表2可得出以下结论。

表2 不同注浆压力下引起监测点的位移变化情况 mm

1)当注浆压力<0.2MPa，且逐渐接近0.1MPa时，地表沉降值很大。随着注浆压力变小，地层沉降越严重。

2)当注浆压力>0.2MPa，且逐渐接近0.4MPa时，地表沉降量很小，能有效控制建筑物沉降在10mm内。

3)当注浆压力>0.4MPa，且逐渐趋近0.6MPa时，地表沉降量可得到很好控制，但过大的注浆压力会对区间衬砌结构造成破坏。

总之，从以上结果得知，随着注浆压力增大，地层的沉降可得到很好控制。

3.2.6初步结论

由图9可得出以下结论。

图9 1点与2点的y向位移

右线隧道的壁后注浆会对本线路管片有一定影响，但影响较小。总体趋势为随着注浆压力增大，两侧边墙向外侧鼓出，底板与顶板向隧道中间鼓出。右线隧道的壁后注浆也对左线隧道管片有一定影响，随着注浆压力增大，左线隧道出现轻微上浮趋势。

1)当注浆压力过大时，易造成盾构管片破损及盾尾密封系统损坏，且还可能剪断管片间连接螺栓，造成隧道严重变形破坏。

2)当注浆压力过小时，浆液不能及时填充管片外部空隙，围岩向管片方向塌陷，可能导致地表沉降，以致影响地表建筑物或地下管线安全。

3)右线隧道对应地面住宅楼按评估要求，地面沉降应控制在10mm内，通过数值模拟分析结果，建议采用的注浆压力为0.25～0.4MPa。

3.2.7动态开挖模拟

通过FLAC3D内嵌的fish语言进行编程，实现了本工程中复杂岩层的定义，较准确地模拟实际地层倾斜交错尖灭状况。整个模型范围大小调整为70m×120m×39m，其他包括物理准则、变形模式、静荷载等价均与上述模型一致，改变后的三维模型如图10所示。盾构隧道与既有建筑关系如图11所示。

图10 三维模型

图11 盾构隧道与既有建筑关系(单位：m)

为了更好地监测盾构推进时地表沉降情况，在建筑物和隧道沿线布置5道监测断面和11个实际监测点，如图12所示。

图12 改线后隧道布局(单位：m)

由于左线隧道要提前通过该区域，且离建筑较远，所以左线隧道先行掘进，稳定后再进行右线隧道掘进。

1)地层位移变化分析(见图13，14)

图13 改线后Ⅰ—Ⅰ～Ⅴ—Ⅴ断面处地层位移变化

图14 改线后Ⅵ—Ⅵ断面地表沉降曲线

通过数值模拟研究得出以下结论：①左线隧道开挖完毕、右线隧道未开挖时，左线隧道开挖引起南小区8号楼最大地基沉降为3.11mm；②右线开挖完毕后，南小街8号楼地基最大沉降为8mm，可满足施工要求。

2)围岩状态对比分析

本小节将主要用颜色块图来表示围岩的弹塑性状态，涉及一些术语说明如下：shear-n表示围岩正处于剪切破坏过程中，shear-p表示在过去的施工过程中围岩已产生剪切破坏,tension-n表示围岩正处于拉伸破坏过程中,tension-p表示在过去的施工过程中围岩已产生拉伸破坏,none表示围岩未受扰动。

分析计算结果如图15所示。

图15 改线后Ⅰ—Ⅰ，Ⅱ—Ⅱ，Ⅴ—Ⅴ断面处塑性状态

考察隧道开挖对围岩产生扰动影响程度的方法之一就是，研究隧道开挖施工后引起围岩弹塑性状态的变化。通过上述方案对比分析，得出以下结论：南小街8号楼周围地层虽受扰动，但进入塑性区的区域不大，对楼体的安全不会造成很大影响。

3.3 现盾构掘进采取的措施

1)盾构掘进前，必须详细调查周边管线和建筑的参数，如管线类型、距离隧道关系及建筑物的基础尺寸、基础埋深、建设年代层高等。

2)在靠近建筑物掘进前，先进行不小于建筑物范围长度的试验，获取试验段的掘进参数、注浆压力、掘进姿态等。本工程现场选取30m试验段，对盾构掘进参数、注浆压力进行了分析优化。

3)在穿越既有建筑物前，要保持良好的盾构姿态，穿越过程中要尽量避免过大纠偏。

4)注浆压力按现场试验参数进行调整，为了防止浆液损失，可适当加大密封油脂注入量。

3.4 现场实测数据与数值模拟数据对比分析(见表3与图16)

表3 现场实测数据与数值模拟数据对比分析 mm

图16 改线后现场实测与计算模拟数据对比平面(单位：m)

地表监控量测采用地表和深层观测相结合的方法。一般情况下，盾构掘进过程中隧道中心线的地面沉降和隆起量应控制在10～30mm。有特殊保护要求的南小街8号楼区段应予以严格控制。

通过现场实测数据与数值模拟数据对比分析，得出以下结论：右线隧道掘进结束后，地表最大沉降为-19.03mm，南小街8号楼地基沉降最大值为-8.17mm，楼房倾斜值为0.001 7，都控制在极限沉降值和极限倾斜值允许范围内。

4 结语

1)对即将穿越的地表建筑物做深入调查非常必要，对其使用年限、结构形式、基础类型、现有损坏程度等情况要有一个全面的掌握。

2)注重盾构试验段数据积累与分析，控制盾构掘进过程中各项参数与建筑物沉降之间相互影响的内部规律。

3)进行合理同步注浆、二次注浆，通过实验室试验、现场监测等手段获得最佳浆液配合比、注浆压力和注浆量等参数。

4)制订必要的安全预案，防患于未然。

5)未来隧道开挖面临更复杂的问题，大数据必然是发展趋势，在详细调查现场地质情况的基础上，采用数值模拟分析并结合开挖过程隧道及周边建筑物的信息化监测，及时调整施工措施，确保周边环境和建筑物安全，是下一步盾构工程施工亟待解决的问题。