小净距矿山法隧道下穿既有建筑物施工关键技术

张常委， 朱小秀， 彭 帅

(1. 中铁二院工程集团有限责任公司， 四川成都 610031； 2.深圳市地铁集团有限公司，广东深圳 518026)

随着我国社会经济的发展，城市居住人口总量和密度不也断增长，各类高层建筑和基础设施越来越多，地面可利用土地资源有限、交通拥堵等问题日渐突出，影响着城市的可持续发展[1]。为节省土地资源，充分利用地下空间，近年来城市地铁工程逐渐增多，而城市地铁在施工过程中将会不可避免的出现工程近接既有建筑物施工的情况，对既有建筑物结构的稳定性造成一定的影响[2-3]。目前，矿山法修建隧道具有实施条件限制小、适用范围广等优点，在复杂受限城市隧道修建过程中得到了广泛的应用[4]，但矿山法隧道在近距离下穿既有建筑物施工期间建筑物结构的沉降情况难以控制，在施工过程中极易导致既有建筑物结构的变形破坏，故对隧道下穿既有建筑物期间的施工关键技术进行研究极其必要。

1 工程概况

深圳地铁6号线一期工程连接龙华、石岩、光明、公明、松岗等地区，建成后将极大方便沿线市民出行，对带动沿线经济发展，促进城市空间结构完善具有重要意义。

受既有别墅建筑群的影响，深圳地铁大浪站—石岩站区间隧道在入洞口穿越3栋2层和2栋4层别墅。为更准确地了解隧道开挖对地表建筑物的扰动及近接施工的安全性，在隧道上方地表布置了四处测点，监测地表的沉降情况(依据相关的工程经验及专家意见，判定该项目施工时地表沉降的安全限值为30 mm)。隧道与别墅区的平面位置关系及测点布置如图1所示。

图1 大石区间入洞口下穿素王食品厂平面

受地质条件及其他施工因素的影响，隧道在此区域内采用矿山法进行隧道下穿既有建筑物的施工，既有建筑物与隧道之间的间距为11.20～25.87 m。矿山法隧道下穿既有建筑群期间隧道围岩情况如图2所示，地层由上及下依次为：<5-2>砂质黏性土(Qel，岩土施工工程分级为Ⅱ级普通土)、<6-1>全风化花岗岩(γ53，岩土施工工程分级为Ⅲ级硬土)、<6-2-1>强风化花岗岩(γ53，岩土施工工程分级为Ⅲ级硬土)、<6-3>中等风化花岗岩(γ53，岩体基本质量等级为Ⅳ-Ⅴ级)、<6-4>微风化花岗岩(γ53，岩体基本质量等级为Ⅱ-Ⅳ级)。

图2 大石区间隧道下穿既有建筑物结构纵断面

隧道洞身位于<6-1>、<6-2-1>、<6-3>地层，属于上软下硬地层，围岩分级为Ⅴ级，圆形隧道直径为8 m，采用环形台阶法进行开挖，如图3所示，各地层的物理力学参数如表1所示。由于隧道所在地层围岩情况较为软弱，因此隧道采用矿山法开挖期间其上方建筑物极易受施工扰动而产生较大的沉降位移，故提出小净距矿山法隧道下穿建筑群施工关键技术，并采用数值模拟和现场工程实践相互结合的方式验证该技术的可行性。

图3 环形台阶法分部开挖示意

2 隧道下穿既有建筑物期间地表沉降特性数值模拟分析

2.1 摩尔-库伦力学模型

考虑到隧道开挖及围岩扰动的特点，本文采用摩尔库伦弹塑性模型模拟土体的力学特征[5]，其屈服准则为：

表1 地层物理力学参数

(1)

FLAC3D对剪塑性流动和拉塑性流动分别进行定义，并且对应不同的流动法则[6]。剪塑性流动对应非关联流动法则，势函数为：

Qs=σ1-σ3NΨ

(2)

拉塑性流动对应相关流动法则，势函数为：

Qt=σ3

(3)

2.2 模型建立及数值分析

根据地质详勘揭示的地层沿隧道纵向分布特征，对数值模型中各地层进行划分，各地层的物理力学参数见表1。数值模拟时假定地层各向同性、均匀等效连续介质，边界条件：隧道小里程自由面，沿纵向取90 m，左右侧取21 m，隧道上方取至地面，隧道下方取18 m，模型前后左右及底部限制垂直于面的位移，模型上部为自由边，别墅荷载按照每层15 kPa作为超载施加。数值模拟模型如图4所示。

图4 数值模型

隧道施工的顺序为:施作大管棚、小导管→隧道按0.75 m进尺开挖→施做锚杆→施做初支→隧道开挖撑→依次按照0.75 m进尺开挖、施做二衬→隧道下穿别墅区贯通。其中模拟单元的选取如下：大管棚、小导管采用FLAC3D中Beam[4]单元进行模拟，初支、二衬按照实体单元模拟，而由于锚杆的作用主要通过注浆加固地层进行体现，因此在数值模拟中未建立相应的锚杆结构单元，而是通过将提升锚杆注浆圈地层的力学参数来予以实现。根据现场的实际情况及施工经验，在数值模拟中设置大管棚、小导管、锚杆共同形成的注浆圈范围为2 m，各支护结构单元的参数如表2～表4所示。

2.3 数值模拟结果分析

根据数值模拟结果，对各个施工步骤下，监测点竖向位移进行整理，监测点JLF19、JLF20、JLF21、JLF22竖向沉降值分别为8.6 mm、9.1 mm、14.7 mm、8.2 mm，各施工阶段监测点竖向沉降的变向曲线，见图5。施工期间位移云图，见图6。

图5 地表沉降

图6 竖向位移云图

由图5、图6所给数据可知，由于进尺较小及采取了较强的支护和控制扰动措施，隧道开挖期间及结束后，地表总的位移较小，均在安全范围内，数值模拟结果表明小净距矿山法隧道下穿建筑群施工是可行和安全的。

3 矿山法隧道下穿既有建筑物关键技术

3.1 地层变形控制关键技术

3.1.1 隧道施工方法

深圳地铁大浪站—石岩站区间隧道因铁路部门对下穿广深港客运专线隧道有特殊要求，故采取TBM施工工法。为解决TBM掘进要求，下穿别墅区采用矿山法施工，矿山法隧道初支、二衬施工完毕后，TBM空推。隧道采用“环形台阶法”开挖工法，以小型机械配合人工开挖为主，局部爆破为辅，单次进尺0.75 m，采取“管超前、严注浆、短进尺、强支护、早封闭、勤量测”十八字方针动态施工管理。

3.1.2 隧道辅助施工支护

(1)注浆大管棚。大管棚采用φ108无缝钢管(壁厚8.0 mm)，拱顶120 °设置，环向间距0.4 m，外插角约为1 °，大管棚内灌注水泥浆。

(2)超前注浆小导管。小导管采用φ42热轧钢管(壁厚3.5 mm)，拱顶120 °设置，长度3.0 m，环向间距0.4 m，纵向间距1.5 m，外插角为7～10 °，小导管内灌注水泥浆。大管棚和小导管的力学参数如表2所示。

表2 大管棚和小导管支护力学参数

(3)系统锚杆。沿隧道侧墙(拱腰)部位设置中空注浆锚管，长度3.0 m，环向间距1.0 m，纵向间距0.5 m.大管棚、小导管、锚杆共同形成的注浆圈地层力学参数如表3所示。

表3 注浆圈地层力学参数

(4)初支及二衬。初支和二衬由C20和C35混凝土进行支护，其支护参数如表4所示。

表4 初支和二衬参数

3.2 地下水渗流控制措施

隧道洞顶距别墅最小距离仅11.2 m，隧道洞身位于中风化花岗岩地层，地层渗透系数较大，隧道开挖时将出现毛洞和掌子面渗水，引起地下水流失导致地表沉降加大。为有效控制地下水流失，采取深孔预注浆和地表注浆预加固措施，加固范围为隧道轮廓外3 m，加固体无侧限抗压强度不小于0.8 MPa，渗透系数小于1×10-6cm/s。经研究，隧道外围加固3 m，渗透系数小于1×10-6cm/s时，隧道失水对地下渗流场的影响范围为3 m，3 m外范围的孔隙水压力保持不变。

3.3 现场监测方案及结果分析

为动态施工管理、信息化施工，结合现场实际条件和规范要求，在既有别墅外轮廓设置沉降监测点，详见图1，沉降控制标准为30 mm。

隧道开挖期间对对别墅区监测点按照1次/d频率进行监测，监测点JLF19、JLF20、JLF21、JLF22的最终竖向沉降分别为：8.8 mm、9.6 mm、15.4 mm、7.0 mm，监测期间监测点各月最大竖向沉降的变化规律，见图7。

图7 监测点竖向位移

监测数据显示隧道开挖对地面建筑物的影响处于安全状态，地表沉降未超过安全限制(30 mm)，监测点实际沉降趋势与数值模拟数据及趋势基本一致，两者之间最大差值为10.4 %，实际沉降值大于数值模拟沉降值。

4 结论

根据数值模拟结果与现场监测数据相比较可得出以下结论：

(1)数值模拟及现场实测数据均显示地表沉降数据小于安全限值，说明小净距矿山法隧道下穿既有建筑物施工是安全可行的。

(2)数值模拟得出的沉降与实际沉降数据趋势一致，最大沉降误差为10.4 %，说明数值模拟是准确可信的。

(3)提出的矿山法隧道下穿既有建筑物关键技术能够有效的控制地表沉降，确保小净距隧道下穿既有建筑群施工期间的安全性，该项目的研究可为其他工程提供参考。