淺埋暗挖法隧道下穿既有建筑物施工技術研究

劉岸昆 孫杰

(1 四川沿江宜金高速公路有限公司；2 川雅蓉辰建設工程有限公司)

淺埋暗挖法是王夢恕提出并在北京地鐵上成功運用的一種施工技術，此項技術是指在接近地面的條件下，對各類地下空間進行不同形式隧道的開挖。通過近年來的實踐和應用，淺埋暗挖法在隧道建設中取得了較為顯著的進展。伴隨著我國大、中型城市地鐵建設的迅猛發展，在使用淺埋暗挖法進行施工的過程中，經常會遇到下穿建筑物的情況，因此也會產生越來越多的施工難題。例如在施工過程中，要對地表沉降進行控制、要對既有建筑物沉降進行控制，還要對其進行保護，這也給地鐵的設計和施工帶來了巨大挑戰。在隧道下穿既有建筑的工程中，如何確保既有建筑的安全使用，是工程建設的起點，也是問題的終極目的。特別是隧道下穿了各種建筑物，包括：高層建筑、城墻等，要想保證其正常運營，關鍵還在于對沉降的控制和支護方法的選擇。

土體與既有結構的沉降與變形，與許多因素有關，如：埋設深度、預先支護方法、既有結構基礎型式、加固措施等。當前，科研人員已對新建隧道與既有結構間的間隔進行了大量的研究，但對于新建隧道上下間隔對既有結構的影響尚不明確。為實現此項技術在工程項目中的推廣使用，本文將在此次研究中，以淺埋暗挖法為例展開研究。

1 工程概況

本次研究的標段隧道為平面線形隧道，隧道的左洞與右洞平面布置型式如表1所示。

表1 隧道平面線形參數

隧道穿越段巖體為灰巖，中～微風化帶巖體完整性較好，據調查，節理裂隙發育，寬度大小不一，連通性較好，巖體滲水性較強。使用滲透法，進行隧道涌水量的分析，預測該隧道一般涌水量為4151m3/d，場地內降水主要集中在6 月～10 月，占全年降雨量的80%以上，建議隧道最大涌水量為6227m3/d。

在進行隧道縱面線形設計時，考慮到車輛在其中行駛的安全性，確保隧道在投入使用后的安全性，需要進行各個隧道縱面參數的分析，具體內容見表2。

表2 各個隧道縱面參數

2 隧道實體幾何模型構建

結合上述概況，在構建隧道實體幾何模型時，進行以下假設：第一，假設所有土層為各向同性、均質。第二，在模型計算的過程中，初始地應力僅代入土體自身的應力和既有建筑物的自重。第三，假設在進行隧道施工前，其下穿的既有建筑物處于良好穩定狀態[1]。針對巖土地層的模擬，采用實體單元用以模擬隧道實體結構。在建模時，設計位移邊界條件、應力邊界條件和自重條件。為簡化模型計算，既有建筑物的荷載看作均布荷載，計算簡圖如圖1所示。

圖1 計算簡圖

在應力場中，自重應力在豎直方向上和橫直方向上均有分布，但橫直方向始終小于豎直方向上的最大值，且其值隨埋設深度呈線性增大[2]。在地下任一深度H的表面上，垂向壓力與覆蓋層的自重相等，其計算公式為：

式中：σy代表垂直方向上的應力，γ代表上覆巖體的容重，H代表巖土體的埋深，σx代表水平方向上的應力，ν代表泊松比。綜合考慮各方面因素，模型實體的寬度取隧道最大洞徑的5 倍，實體高度取最大洞徑的4倍，開挖長度取100m[3]。圖2為隧道實體幾何模型。

圖2 隧道實體幾何模型

3 淺埋暗挖法隧道下穿既有建筑物施工

3.1隧道開挖與爆破

結合上述構建的隧道實體幾何模型，引入淺埋暗挖法，對隧道下穿既有建筑物施工方案進行設計。在隧道開挖時，要根據隧道的埋深、圍巖的穩定性和洞室的尺寸等因素來選擇合適的開挖方式。左、右兩條線路同時開挖時，兩個工作面的縱向間距要合理，不能小于30m[4]。在隧道未完全貫通之前，在工作面間距不超過40m 的情況下，要加強聯絡，統一指揮；如果間距不超過15m，則必須從一頭開始挖通。隧道開挖截面的尺寸要與設計相一致，并要留出足夠的變形空間，開挖截面應該以包含預留變形量在內的設計輪廓為基準，并根據貫通測量誤差、施工誤差等因素進行適當的擴大。

在鉆爆過程中，炮眼布置、炮眼個數、炮眼深度、炮眼傾角、藥量及藥眼結構、起爆方式及起爆次序等是鉆爆設計中必須考慮的問題[5]。因此，在進行爆破時，必須嚴格按照設計圖進行爆破，并根據爆破結果對相關參數進行及時調整。爆破應該使用光面爆破，其參數應該按照工程相似方法或現場試驗來決定，在軟巖中爆破，周眼孔的距離應該控制在40cm 之內，在中硬巖層中，周眼孔的距離不應該超過50cm。

在軟弱圍巖條件下，巷道爆破后，周圍巖石基本穩定，沒有出現大范圍的片幫和垮塌現象；爆破后，圍巖受影響深度不超過1m；洞中拱頂離掌子面1倍直徑的垂向振動速度，不能超過50mm/s。在中、硬巖層的巷道中，巷道內的圍巖是比較穩固的，基本上沒有出現片幫；爆破后，圍巖受擾動深度均在0.8m 以下；洞室拱頂在離開挖面1 倍直徑的水平方向上，其豎向振動速度不超過80mm/s[6]。硬巖巷道經爆破處理后，周圍巖層穩固，不出現崩塌；爆破后，圍巖受擾動深度不超過0.5m；在距離開挖面1 倍的隧道直徑下，隧道拱頂的垂向振動速度不能超過120mm/s。圖3為隧道開挖、爆破實景圖。

圖3 隧道開挖、爆破實景圖

3.2二次襯砌與仰拱填充

仰拱開挖完成后建議使用三維激光掃描儀對開挖斷面進行掃描并與設計斷面進行對比，并做好詳細記錄備查。以確保仰拱開挖深度滿足設計要求。在二次襯砌施工中，首先要澆注仰拱，再豎起模板，在拱部澆注混凝土。仰拱在施工過程中，必須采用模架整體澆筑，不得分段澆筑，并在施工過程中應用自行式棧橋?；娱_挖應做到圓滑平整，不得出現欠挖現象，超挖部位應采用同等級的混凝土進行回填。在仰拱和底板澆筑混凝土之前，必須清除基礎上的虛碴，雜物，積水等[7]。仰拱回填材料為C20 混凝土，并在仰拱回填完成后進行。在仰拱（含填充）和底板混凝土的強度達到5MPa 后，行人才能通過，在達到設計強度的100%后，車輛才能直接通過。二次襯里的鋼筋必須按照設計進行綁扎和定位，保護層的凈厚不得低于5cm，但不得超過8cm，以確保鋼筋有足夠的受力。環向主筋在焊接時，必須使用雙面搭接焊接，搭接長度至少5d（d為鋼筋的直徑），如圖4所示。

圖4 二次襯砌鋼筋綁扎現場實景圖

建議采用帶液位繼電器防脫空報警裝置的智能化二襯臺車。根據液位繼電器、觸壓導電原理，將感應線頭提前與拱頂中線最高點位間隔固定（12m 臺車一般安裝4～5 組），二襯封頂砼灌滿接觸感應線頭導電后可實現聲光報警，與拱頂RPC 管帶模注漿工藝共同防止拱頂脫空。

3.3既有建筑物保護

為了實現對隧道開挖時隧道周圍地層沉降量的控制，確保既有建筑物在隧道推進中不會由于不均勻沉降而出現結構破壞，根據既有建筑物的結構特點和地質構造條件，采用既有建筑物主動注漿加固的方式[8]。圖5為預注漿平面示意圖。

圖5 預注漿平面示意圖

采用主動注漿的方式對淺埋暗挖隧道下穿的既有建筑物進行加固，對建筑物基礎下的持力地層進行注漿，增加承受建筑物荷載的持力地層面積和強度，實現對不均勻沉降的控制。

4 施工動態分析

在一條穿越既有建筑物的淺埋暗挖隧道工程中，一般情況下，要以隧道開挖方案、沿線環境等為依據，采用不同的測量儀器，對易發生沉降、變形的關鍵部位進行動態測量。通過對這些測量數據的整理，得到圍巖變形收斂值和拱頂的沉降值，研究其變化過程和規律，并與有關規范進行比較，判斷是否超過容許值。若超出范圍，則應通過現場調查，并依據隧道的施工計劃加以調整，直至滿足要求為止；若未超出，則表示設計的施工方法是可行的，對施工計劃不作任何處理。通過這種比較，保證隧道的高效施工，對施工進度、質量和安全進行合理地控制，將施工事故的發生概率降低到最小。監測項目見表3。

表3 施工動態監測項目

對應的地表沉降監測、建筑物沉降監測點埋設方式見圖6、圖7。

圖6 地表沉降監測點埋設方式（將鋼筋頭低于路面5mm，標記為監測點）

圖7 建筑物沉降監測點埋設方式（用基本水準點作為單點引測）

按照上述方式，采集監測數據，當沉降數據變化穩定后，進行數據的統計與整理，發現地表沉降在監測第7 天趨近于穩定，總下沉量為2.4mm；未發生隆起現象，因此，施工地表監測中的隆起值為0。對建筑物沉降進行統計分析，未發現有墻體開裂現象，建筑物監測數值為0。

5 結束語

目前，相關淺埋暗挖法的研究已經相對成熟，但由于此項施工技術在投入使用后所引起的地層移動、對周圍建筑影響，仍無法完全消除，因此，在地下穿越既有建筑物時，如何保證周邊建筑物和管線的安全運行，是目前亟待解決的問題。針對此方面問題，本文開展了此次的研究，并在施工中，從地表沉降與建筑物沉降兩個方面，進行了施工行為的動態監測，根據監測結果可以看出，由于施工行為的擾動，隧道地表出現了一定程度的下沉，但并未隆起，建筑物也未發現沉降。但在將沉降數據與控制標準進行對比后發現，地表最大下沉量小于30mm，建筑物最大沉降小于15mm，即此項施工技術滿足要求，不會對建筑物與地表造成較大的影響，可以按照預設方案進行施工。