软土地区盾构隧道下穿建构筑物的相互影响分析
时间：2023-02-27 11:15:06 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
彭红霞，赵华新，崔王洪
(1. 南京地铁集团有限公司，南京 210008；
2. 北京城建设计发展集团股份有限公司，北京 100037)
随着城市轨道交通的快速发展和城市地下空间开发程度的不断加深，轨道交通工程在建设过程中越来越频繁地出现盾构隧道下穿既有建构筑物的情况，如苏州轨道交通2号线下穿各类建筑物多达570栋[1]，上海轨道交通11号线下穿徐汇中学崇思楼工程[2]，北京轨道交通10号线穿越多处房屋[3,4]，北京轨道交通16号线下穿左岸工社大厦[5]，南京轨道交通3号线盾构下穿明城墙[6]等。此外，还有因规划建设时序需先在既有盾构隧道上方进行工程建设的情况[7]，以及因地面工程建设需要与地铁建设同期进行的情况[8]。
盾构法是一种通过盾构机械在地层中推进的施工工法，也是目前城市轨道交通隧道工程建设中最常用的施工工法。盾构机械在掘进的过程中会产生较大的顶推力，使隧道周边土体收缩，并对原状土体造成较大的扰动，从而引起地层变形及上部结构位移，导致既有建筑破坏[9]。因盾构隧道是由管片及螺栓拼接成的柔性结构且管片由洞内机械拼装而成，如果在既有隧道影响范围内进行工程建设，当隧道上方出现卸载或加载时，会导致既有盾构隧道的结构受力及变形状态发生变化，进而引起隧道结构变形甚至出现螺栓断裂、局部产生裂缝等结构病害[10]。因此，研究工程建设中盾构隧道与上方建构筑物之间的施工影响，应结合施工时序针对性地进行，再提出合理的保护措施。
结合南京地铁5号线下关站～建宁路站软土盾构区间多处下穿既有建构筑物和拟新建建筑物，包括市政桥梁(远期需改为市政隧道)、新建综合管廊、既有房屋、规划拟新建房屋等，本文将根据不同穿越情况分别进行计算及分析，并提出针对性的保护措施，以期为类似工程提供经验。
南京地铁5号线是一条南北向的城区主干线,全线共设30个车站，其中下关站～建宁路站区间为线路北端的倒数第三个区间，位于鼓楼滨江开发区(该片区正在进行老城新建)，区间长约为560 m，距离长江堤岸约为380 m。该区间由南向北穿越的地面建构筑物依次为：惠民路新建综合管廊、惠民路高架桥(预留远期桥改隧条件)、既有鼓楼滨江商务区办公楼、08-30拟开发地块、08-23拟开发地块、08-29拟开发地块、08-02～07已开发地块。盾构穿越地块与隧道平面关系如图1所示。
图1 盾构穿越地块与隧道平面关系
该区间隧道主要穿越② -2b4淤泥质粉质黏土(混夹粉土、粉砂)，流塑状，高压缩性。土层参数如表1所示，盾构区间地质断面如图2所示。区间采用盾构法施工，联络通道兼泵站在地层加固后采用矿山法施工。
表1 土层参数
图2 盾构区间地质断面
因地铁建设时序与盾构穿越段建构筑物的建设时序不一致，为保证建构筑物工程建设的正常实施，并尽量降低其与地铁隧道的相互影响，故建议惠民路高架桥改隧通道、08-23地块、08-29地块和08-30地块在地铁盾构隧道掘进前完成地下和地上结构，然后地铁盾构隧道再从既有结构下方穿过。但实际施工进度显示，08-30 地块仅能在地铁盾构隧道掘进前完成地下结构，无法完成地上结构。因此，为保障地铁盾构隧道、市政隧道和地块开发的施工安全性，本文将根据各建构筑物的实际施工时序进行分析，并对不同的保护措施进行验证。
根据《城市轨道交通结构安全保护技术规范》(CJJ/T 202—2013)与《江苏省城市轨道交通工程安全监测技术规程》，结合南京软土地区工程建设及运营经验，并考虑后期盾构隧道可能产生的工后沉降问题和周边开发密集度情况等，建议近阶段工程建设引起的隧道变形宜按隧道水平变形和竖向变形小于10 mm、收敛变形小于6 mm控制。
2.1 08-23地块、08-29地块开发与地铁盾构隧道相互影响分析
08-23地块与08-29地块位于地铁盾构隧道的正上方，各拟建两栋房屋，其中08-23地块的1#楼和2#楼均为地上28层，建筑高度约为86.8 m；
08-29地块的10#楼为地上2层，建筑高度约为9.7m，11#楼为地上8层，建筑高度约为38.5 m。两个地块均通过设置2层地下室连通，地块底板底深约为10 m，与盾构区间隧道顶竖向净距约为6 m。
经综合比选研究，若地铁区间和地块基坑采用坑中坑方案，因基坑深度较大，施工风险较大、工期较长、费用较高，故采用地块先施工、地铁后穿越的设计方案，且地块先施工时预留地铁后期穿越条件(如桩基入岩、设置隔离桩、地基加固)。为此，两块基坑均采用钻孔灌注桩+搅拌桩止水帷幕，其中盾构下穿范围采用SMW(Soil Mixing Wall)工法桩，基坑竖向设置二道混凝土桁架支撑。考虑地块场地范围为老城拆迁区域，要求施工前对地基进行清障处理，盾构穿越段需清障至盾构隧道底以下3 m；
同时地块基坑完成后需对盾构穿越范围的SMW工法桩进行拔除并回填密实。
从以下3个方面对地铁与地块结构之间的相互影响进行分析：
(1) 因下卧土层物理性质较差，为满足基础承载能力并控制上部结构沉降，减小后期对下卧地铁隧道的影响，建筑下方均设置桩基入岩。同时，考虑后期盾构掘进过程中顶推力扩散引起隧道周边土体扰动和邻近桩基侧向变形，故在地块地下室底板下方、盾构两侧各预设一排隔离桩，将盾构隧道施工影响范围控制在隔离桩之间。
(2) 由于地块房屋在长期作用下会产生后续沉降，且在隧道施工过程中可能会引起周边土体扰动导致地下室底板变形，为降低盾构施工对地下室的不利影响，在地下室底板与隔离桩之间的盾构穿越区域设置搅拌桩、地基加固。通过有限元软件MIDAS计算底板地基加固的效果，计算结果表明：采取地基加固措施时，盾构掘进引起的地下室竖向最大位移约为1.25 mm；
不采取地基加固措施时，地下室竖向最大位移约为4.29 mm，可见地基加固可有效控制盾构施工对既有结构的不利影响。08-23地块、08-29地块计算模型如图3所示，盾构施工引起地下室底板竖向位移如图4所示。
图3 08-23地块、08-29地块计算模型
(a) 设置地基加固
(b) 不设置地基加固图4 盾构施工引起地下室底板竖向位移
(3) 因地块建筑先于地铁盾构隧道施工，大部分因恒荷载作用引起的地下室沉降已经在地铁盾构施工前完成，但在地块后期运营过程中，活荷载作用引起的附加沉降仍会对下穿的盾构隧道产生影响。考虑长期刚度，对地上结构进行模拟分析，结果表明：恒荷载作用下的底板竖向位移最大值约为13.2 mm，总荷载作用下的底板竖向位移最大值约为20.2 mm，后期地块活荷载作用下的地下室最大位移约为7.0 mm。08-29地块地上结构分析模型如图5所示，08-29地块考虑长期刚度地下室底板总竖向位移如图6所示。
图5 08-29地块地上结构分析模型
(a) 总荷载作用
(b) 恒荷载作用图6 08-29地块考虑长期刚度地下室底板总竖向位移
考虑该位移荷载，计算地块后期运营对地铁隧道的影响，结果表明：若不采取地基加固措施，建筑物后期沉降作用引起的隧道竖向最大位移约为8.27 mm，径向收敛值约为11.22 mm；
若采取地基加固措施，隧道竖向最大位移约为5.24 mm，径向收敛值约为6.58 mm。地下室后期沉降引起下方盾构隧道竖向位移如图7所示。
(a) 设置地基加固
(b) 不设置地基加固图7 地下室后期沉降引起下方盾构隧道竖向位移
同时对盾构掘进推力引起的隔离桩侧向变形结果进行对比，考虑地基加固作用时，隔离桩最大水平位移约为1.3 mm，不考虑地基加固作用时，隔离桩最大水平位移约为2.5 mm，可见地基加固能有效减少盾构掘进施工对侧边桩基的影响。盾构掘进引起隔离桩水平位移如图8所示。
(a) 考虑地基加固
(b) 不考虑地基加固图8 盾构掘进引起隔离桩水平位移
综合以上分析，对在地铁盾构实施之前完成的08-23地块、08-29地块采取桩基入岩、盾构两侧设置隔离桩和盾构穿越影响范围内设置地基加固措施，经验证这些措施可有效减少盾构掘进对建筑物的影响及后期地块沉降引起的盾构隧道变形。
2.2 08-30地块与盾构隧道相互影响分析
08-30地块位于地铁盾构隧道的正上方，地上仅1栋9层建筑，建筑高度约为38.5 m，地下设置1层地下室，底板埋深约为6.5 m，与盾构区间隧道顶竖向净距约为9.0 m。08-30地块与地铁隧道平面关系如图9所示，08-30地块与地铁隧道剖面关系如图10所示。
图9 08-30地块与地铁隧道平面关系
图10 08-30地块与地铁隧道剖面关系
08-30地块同样采用地块先施工，地铁后穿越，且地块先施工时预留地铁后期穿越条件的设计方案。但因该地块无法在盾构施工之前完成地上结构，考虑地层因素，要求地上结构需在地铁盾构施工完成后方可实施。
地块基坑采用SMW工法桩，竖向设置一道混凝土桁架支撑，考虑该地块场地范围原有地上5～8层房屋，并设有地下35 m长桩基，要求地块实施前需先进行拔桩处理，另外地块地下室结构完成后需及时拔除型钢。
结合08-23地块、08-29地块的分析，采用桩基入岩、盾构两侧设置隔离桩和盾构下穿范围设置地基加固的措施，可有效减少盾构施工引起的地下室沉降及后期地上结构荷载引起的隧道变形。但由于08-30地块地上结构在盾构实施之后建设，存在较大加载作用，故上部结构引起的地下室沉降对盾构隧道的影响会大于08-23地块、08-29地块。
通过有限元模拟计算，在考虑采取上述各项措施后，地上结构实施时产生的加载作用引起隧道竖向最大位移约为11.38 mm，径向收敛值约为13.22 mm。为尽量减小地上结构施工引起的隧道位移，拟通过在地下室底板以下设置0.5 m厚的褥垫层，以降低筏板以下土体的荷载承担比，减小隧道周边土体位移。经模拟分析，考虑褥垫层作用后，上部结构施工引起的隧道竖向最大位移约为5.06 mm，径向收敛值约为6.12 mm，可见在地下室底板以下设置褥垫层可有效减少上部加载引起的隧道变形。08-30地块计算模型如图11所示，地上结构加载引起隧道竖向位移如图12所示。
(a) 三维空间模型
(b) 地块结构与隧道空间关系图11 08-30地块计算模型
(a) 不设置褥垫层
(b) 设置褥垫层图12 地上结构加载引起隧道竖向位移
2.3 惠民路高架桥改隧与盾构隧道相互影响分析
为改善城市交通，惠民路高架桥远期将改为隧道，为保证其实施的可行性，需先期完成市政隧道与地铁5号线交叉段范围的施工，再实施地铁盾构穿越。
市政隧道与地铁区间以70°夹角平面相交，交叉范围长约为49.0 m，宽约为44.4 m，深约为11.0 m，市政隧道实施范围内的地铁隧道埋深约为13.0 m，两者竖向净距约为2.0 m。市政隧道基坑采用钻孔灌注桩+高压旋喷桩止水帷幕；
地铁盾构隧道下穿区域采用咬合桩，并在市政隧道结构底以下1 m至桩底范围采用玻璃纤维筋，基坑竖向设置1道混凝土支撑+2道钢管支撑。考虑盾构隧道与市政隧道竖向净距较小，为减少两者之间的相互作用，在隧道影响范围内的市政隧道下方设置搅拌桩加固。高架桥改造隧道与地铁隧道平面关系如图13所示，高架桥改造隧道与地铁隧道剖面关系如图14所示。
图13 高架桥改造隧道与地铁隧道平面关系
图14 高架桥改造隧道与地铁隧道剖面关系
高架桥改造隧道完成后，针对地铁盾构隧道在加固体中穿过对既有市政隧道的影响，以及后期市政隧道通车时竖向行车荷载引起的地层沉降对地铁隧道的影响进行模拟分析，分析结果表明：考虑地基加固作用，盾构下穿引起的市政隧道竖向最大位移约为1.3 mm，后期市政隧道运营时行车荷载引起的隧道竖向最大位移仅为1.4 mm，相互影响均在结构允许范围内。惠民高架计算模型如图15所示，盾构下穿引起市政隧道竖向位移如图16所示，市政隧道行车荷载引起隧道竖向位移如图17所示。
图15 惠民高架计算模型
图16 盾构下穿引起市政隧道竖向位移
图17 市政隧道行车荷载引起隧道竖向位移
根据《南京市轨道交通条例》的规定，长江沿岸、秦淮河沿岸等地质条件复杂、存在安全隐患的漫滩地区，轨道交通结构外边线外侧15 m内为轨道交通特别保护区。在特别保护区内，除必需的市政、园林、环卫、人防工程以及经规划批准或依法办理许可手续对现有建筑进行改建、扩建的建设工程外，不得进行其他建设活动。本文对南京地铁5号线下关站～建宁路站区间下穿项目进行分析并提出了相关措施，经验证，这些措施能在保证地铁施工安全的前提下保障地块及市政项目的实施，同时也避免了因地铁盾构隧道实施之后需退让 15 m 导致的城市开发空间损失，有效节约空间约3.4万m2。
本文结合南京地铁5号线下关站～建宁路站区间下穿3个项目的实际案例，针对因施工时序导致建构筑物与盾构隧道产生的作用关系，分别采取不同措施并对其进行计算、模拟分析和对比验证，得出以下结论：
(1) 在软土地区，对后续有规划地铁盾构隧道下穿的建构筑物，若隧道上方结构荷载较小，可通过设置地基加固来改善土体性质，控制盾构下穿对既有建构筑物的影响。
(2) 若隧道上部结构荷载较大，可通过设置桩基承载竖向荷载，同时设置隔离桩和地基加固减小盾构掘进引起的结构竖向位移，经验证，地基加固可有效减少盾构顶推力对侧边工程桩的影响。
(3) 在地下室筏板以下设置褥垫层，可降低筏板以下土体的荷载承担比，减少因上部结构加载引起的地层沉降，从而有效控制上部结构施工引起的隧道变形。
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