城市隧道下穿既有建筑的安全控制模拟试验研究

中铁十八局集团有限公司 天津 300350

0 引言

最近几年，伴随着经济的与日发展，城市化进程也在不断推进，在整个推进过程中，城市交通量也在迅猛地增加，为了让土地能得到高效利用，地下轨道交通工程应运而生。

与以往工程相比，近年来，工程不仅有着较大的规模，还需下穿更多的已有建（构）筑物，且需要更为严格的修建技术。所以，在进行城市的地下工程时，不仅要对其附近的结构物进行合理的影响分析，还要探讨相应的安全措施，这不仅是当前的一项热点问题，也具有非凡的现实价值，值得进一步探讨。

1 工程概况

某城际线路区间长11.7 km，在其左线GDZK45+200～GDZK45+405段，伴随着较为复杂的区间结构形式。其下穿2～5 层的民居住房，大部分的结构都为框架。在进行模拟计算的时候，选取GDZK45+300作为断面的里程，最下面的一层为弱风化泥质粉砂岩，其上为强风化泥质粉砂岩，再上为残积粉质黏土，接着是游泥质粉质黏土，最上面的一层是素填土，隧道埋深17.5 m。针对隧道下穿居民区的状况，本文对上部建筑物结构在隧道挖掘中的安全控制进行探讨。

2 城市隧道下穿既有建筑的安全控制模拟试验[1-4]

2.1 模拟试验相似关系

结合研究目的，对该城际线路隧道的相关设备及其操作性进行充分的考虑，然后进行相关计算与推导和合理的类比与分析，从而对试验中需要确定的地基相似比及时确定，这些相似比有几何相似比，也有堆积密度相似比，进而使得在规定范围中，一些控制性物理力学的参数相似性得以全部实现。结合相似原则，将参数原型值与模型值的相似比进行相关推理，几何、强度、压力、凝聚力、弹性模量相似比为20，堆积密度、应变、摩擦角相似比为1。

2.2 模拟试验材料

2.2.1 相似材料之围岩

对于该城际线路来说，其GZH-7标隧道的位置是城市中较为繁华的道路。当该隧道下穿繁密的居住区时，其围岩的级别是六级，在试验中就将其作为了土体配比的原型。为了使得试验既结合实际，又能够在相关工程中进行合理推广，围岩参数应该在结合实际的基础之上，与相关标准中规定的岩体选值充分结合起来。

2.2.2 相似材料之加固区

结合施工计划，应该在于隧道拱部的180°范围中，做好小导管超前支护的工作，将φ22 mm超前错杆打设好，做好半断面相关的注浆止水工作。由于条件受限，要想于台架上做出拱形的超前支护十分不易，所以一般都是在拱顶上加设相应的加固土体，由此来充当加固区的围岩角色，此土体的围岩强度与原土体相比，要高一个层次。围岩加固区详见图1、图2。

图1 现场围岩加固区示意

图2 试验围岩加固区示意

2.2.3 相似材料之支护

因试验条件受限，一些初支措施诸如钢架等较难进行模拟，所以就参考之前的模拟试验，将水和石膏的比值为1∶1.12的特种石膏相似材料作为初支的模拟对象，在试验的过程中，以绕灌注的方式做好支护工作。对于石膏的模拟材料来说，其试验指标为0.5 h的力学指标，试验结果发现，在0～10 ℃下，这种相似材料的强度在0.5～8 h之间基本不发生变化。

2.3 模拟试验装置及量测系统

2.3.1 模拟试验装置

对于试验模型来说，其槽的尺寸如下：4.3 m×3.7 m×0.8 m；对于隧道试体来说，其尺寸如下：0.85 m×0.9 m×0.8 m。为了使得围岩和隧道试体处于易于控制状态，应用了相应的约束器材对模型槽前后进行控制。为了将模型槽的边界效应控制到最低，在其整个内表面都进行了厚1 mm的聚四氟乙烯板粘贴。

2.3.2 量测系统

1）量测项目及措施：主要对各种工况下进行开挖的时候隧道结构等位移的变化进行测量，采用精度为0.000 1 m的差动变压器式位移计做好相关测量工作。

2）测点的相关布置：在地表布置7 个测点，从隧道的正上方开始，从左向右间距为4 m依次排列；对于土中的测点来说，加上拱顶共有4 个；对于每个房屋来说，各自有2 个在对角线上的监测点。监测点的布置详见图3（图中矩形代表房屋建筑物，圆形代表监测点）。

图3 模拟试验监测点平面布置

2.4 模拟试验步骤

1）为确保试验平面的应变态势，将槽和模拟围岩间的摩擦控制在最低，要在槽的全内表面进行厚1 mm的聚四氟乙烯板粘贴。

2）做好仪器的调试和场地布置工作，制作在测量位移时需要的相关材料。

3）结合试验工况实际，在槽内做好填土工作，当填到隧道的拱顶位置时，依据标准增添加固区土体。并在其中合适位置埋置合理的铜管，待找平结束，做好一次性的压实工作从而避免分层现象的发生。

4）结合设计计划，将槽内的测点位置及时确定，将位移计安置好并保证其处于合理的读数标准下，将其调至垂直态势，将其初始读数记录下来。

5）一切准备结束，开始隧道的模拟开挖，开挖时，要依据实际采取合理的工序，对于各个工序在挖前、挖中、挖后以及支护之后的测点位移对应值要做好认真记录。

6）整理和分析相关数据，从而总结监测点的位移存在的相关规律。

对于模型隧道来说，其长为80 cm，在试验的过程中有8 次开挖，每次都控制在10 cm，将40 cm所在的平面作为目的面。

2.5 模拟试验成果分析

试验中，中隔壁的模拟材料为招材板，支护的模拟材料为石膏，每次开挖的尺度为10 cm。模拟开挖示意如图4所示。

图4 模拟开挖示意

拿测点212和274来看，前者是4 层框架房屋的监测点，后者是4 层砖混房屋的监测点，2 个监测点的沉降变化曲线通过图5可以看出，其位移有着类似的规律，都存在着一定的空间效应，但后者的位移值要大于前者，沉降值也大了约1 mm。

图5 4 层框架和砖混房屋监测点地表沉降变化曲线

拿测点215和218来看，前者是4 层框架房屋的监测点，后者是2 层框架房屋的监测点，2 个监测点的沉降变化曲线通过图6可以看出，其位移有着类似的规律，都存在着高度效应，但前者的沉降值明显大于后者，大约0.2 mm。

图6 4 层和2 层框架房屋监测点地表沉降变化曲线

3 城市隧道下穿既有建筑的安全控制措施[5-9]

由于本标段路线需要下穿不少建筑物，且大都为框架以及砖混的结构，结合上述分析，为了在隧道开挖时保障建筑物的相关安全，对其采用的安全控制措施如下：

1）结合建筑物实际及其周围环境和隧道的埋深度，进行相关模拟推算，就隧道的不同位置采用主动注浆加固法（图7），从而对建筑物下面的天然松散土体及其周围地层进行合理的加固。同时，加强管柱和土体间存在的摩擦力，改良建筑物的相关基础地层，从而为隧道的安全下穿提供保障。

图7 主动注浆加固平面示意

2）结合建筑物实际及其周围环境和隧道的埋深度，进行相关模拟推算，就隧道的不同位置采用跟踪注浆加固法（图8），从而对隧道开挖时伴随的失水等引发的空隙进行相应跟踪监测并及时注浆控制，进而保障其安全的下穿。采用此法加固的建筑物，要做好动态的监控与量测，如果沉降超过标准时，要结合实际进行相应的跟踪注浆加固。

图8 跟踪注浆加固平面示意

3）要结合工程的实际，建立健全的动态监测系统，布置合理位置的监测点，进行全面的动态测定，进而依据信息进行相应施工，同时结合监测实际动态调整施工参数，使得掌子面处于稳定状态，防止建筑物伴随变形现象。

4）结合房屋的结构以及其和隧道存在的位置联系，制定房屋的沉降量界限值与沉降差标准值以及安全的保障限度。

5）对于隧道来说，在不超过其开挖的标准内，那些基础不牢固的房屋，应该从地面出发，向下布置竖向的袖阀注浆管，也可以向下布置斜向的袖阀注浆管，做好地表注浆工作，一般来说，都是采用水泥浆充当注射浆液。

6）结合监测结果，如果房屋的沉降度较大基本到达警戒界限时，应该先停止隧道的开挖工作，结合实际，通过地面向着基础的下方进行跟踪注浆加固工作，一般采用水泥浆充当注射浆液。

4 结语

结合模拟试验，我们能够推断出，两种结构砖混与框架基本存在类似的位移变化规律，同时都存在着一定的空间效应。基于量值的角度来看，前者的位移值要大于后者的位移值，这个结果基本雷同于数值的模拟分析。

综上所述，在隧道施工的时候，要注重对其正上方的房屋地基的注浆处理工作，并通过此项措施来控制房屋的沉降。如果房屋在其开挖纵向影响范围的20 m内，则要进行相应的地基加固工作。

对于那些地基条件不好、容易倒塌的房屋，要注意对其上部结构刚度的强化，从而提高墙体的抗倒塌度。与此同时，在整个过程中，也不要放松对地基的相关处理工作，对每个房屋的沉降控制，应该结合国家规定的相关标准认真执行。