彭紅霞，趙華新，崔王洪

(1. 南京地鐵集團(tuán)有限公司，南京 210008； 2. 北京城建設(shè)計(jì)發(fā)展集團(tuán)股份有限公司，北京 100037)

隨著城市軌道交通的快速發(fā)展和城市地下空間開(kāi)發(fā)程度的不斷加深，軌道交通工程在建設(shè)過(guò)程中越來(lái)越頻繁地出現(xiàn)盾構(gòu)隧道下穿既有建構(gòu)筑物的情況，如蘇州軌道交通2號(hào)線(xiàn)下穿各類(lèi)建筑物多達(dá)570棟[1]，上海軌道交通11號(hào)線(xiàn)下穿徐匯中學(xué)崇思樓工程[2]，北京軌道交通10號(hào)線(xiàn)穿越多處房屋[3,4]，北京軌道交通16號(hào)線(xiàn)下穿左岸工社大廈[5]，南京軌道交通3號(hào)線(xiàn)盾構(gòu)下穿明城墻[6]等。此外，還有因規(guī)劃建設(shè)時(shí)序需先在既有盾構(gòu)隧道上方進(jìn)行工程建設(shè)的情況[7]，以及因地面工程建設(shè)需要與地鐵建設(shè)同期進(jìn)行的情況[8]。

盾構(gòu)法是一種通過(guò)盾構(gòu)機(jī)械在地層中推進(jìn)的施工工法，也是目前城市軌道交通隧道工程建設(shè)中最常用的施工工法。盾構(gòu)機(jī)械在掘進(jìn)的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較大的頂推力，使隧道周邊土體收縮，并對(duì)原狀土體造成較大的擾動(dòng)，從而引起地層變形及上部結(jié)構(gòu)位移，導(dǎo)致既有建筑破壞[9]。因盾構(gòu)隧道是由管片及螺栓拼接成的柔性結(jié)構(gòu)且管片由洞內(nèi)機(jī)械拼裝而成，如果在既有隧道影響范圍內(nèi)進(jìn)行工程建設(shè)，當(dāng)隧道上方出現(xiàn)卸載或加載時(shí)，會(huì)導(dǎo)致既有盾構(gòu)隧道的結(jié)構(gòu)受力及變形狀態(tài)發(fā)生變化，進(jìn)而引起隧道結(jié)構(gòu)變形甚至出現(xiàn)螺栓斷裂、局部產(chǎn)生裂縫等結(jié)構(gòu)病害[10]。因此，研究工程建設(shè)中盾構(gòu)隧道與上方建構(gòu)筑物之間的施工影響，應(yīng)結(jié)合施工時(shí)序針對(duì)性地進(jìn)行，再提出合理的保護(hù)措施。

結(jié)合南京地鐵5號(hào)線(xiàn)下關(guān)站～建寧路站軟土盾構(gòu)區(qū)間多處下穿既有建構(gòu)筑物和擬新建建筑物，包括市政橋梁(遠(yuǎn)期需改為市政隧道)、新建綜合管廊、既有房屋、規(guī)劃擬新建房屋等，本文將根據(jù)不同穿越情況分別進(jìn)行計(jì)算及分析，并提出針對(duì)性的保護(hù)措施，以期為類(lèi)似工程提供經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況

南京地鐵5號(hào)線(xiàn)是一條南北向的城區(qū)主干線(xiàn),全線(xiàn)共設(shè)30個(gè)車(chē)站，其中下關(guān)站～建寧路站區(qū)間為線(xiàn)路北端的倒數(shù)第三個(gè)區(qū)間，位于鼓樓濱江開(kāi)發(fā)區(qū)(該片區(qū)正在進(jìn)行老城新建)，區(qū)間長(zhǎng)約為560 m，距離長(zhǎng)江堤岸約為380 m。該區(qū)間由南向北穿越的地面建構(gòu)筑物依次為：惠民路新建綜合管廊、惠民路高架橋(預(yù)留遠(yuǎn)期橋改隧?xiàng)l件)、既有鼓樓濱江商務(wù)區(qū)辦公樓、08-30擬開(kāi)發(fā)地塊、08-23擬開(kāi)發(fā)地塊、08-29擬開(kāi)發(fā)地塊、08-02～07已開(kāi)發(fā)地塊。盾構(gòu)穿越地塊與隧道平面關(guān)系如圖1所示。

圖1 盾構(gòu)穿越地塊與隧道平面關(guān)系

該區(qū)間隧道主要穿越② -2b4淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土(混夾粉土、粉砂)，流塑狀，高壓縮性。土層參數(shù)如表1所示，盾構(gòu)區(qū)間地質(zhì)斷面如圖2所示。區(qū)間采用盾構(gòu)法施工，聯(lián)絡(luò)通道兼泵站在地層加固后采用礦山法施工。

表1 土層參數(shù)

圖2 盾構(gòu)區(qū)間地質(zhì)斷面

因地鐵建設(shè)時(shí)序與盾構(gòu)穿越段建構(gòu)筑物的建設(shè)時(shí)序不一致，為保證建構(gòu)筑物工程建設(shè)的正常實(shí)施，并盡量降低其與地鐵隧道的相互影響，故建議惠民路高架橋改隧通道、08-23地塊、08-29地塊和08-30地塊在地鐵盾構(gòu)隧道掘進(jìn)前完成地下和地上結(jié)構(gòu)，然后地鐵盾構(gòu)隧道再?gòu)募扔薪Y(jié)構(gòu)下方穿過(guò)。但實(shí)際施工進(jìn)度顯示，08-30 地塊僅能在地鐵盾構(gòu)隧道掘進(jìn)前完成地下結(jié)構(gòu)，無(wú)法完成地上結(jié)構(gòu)。因此，為保障地鐵盾構(gòu)隧道、市政隧道和地塊開(kāi)發(fā)的施工安全性，本文將根據(jù)各建構(gòu)筑物的實(shí)際施工時(shí)序進(jìn)行分析，并對(duì)不同的保護(hù)措施進(jìn)行驗(yàn)證。

根據(jù)《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范》(CJJ/T 202—2013)與《江蘇省城市軌道交通工程安全監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)程》，結(jié)合南京軟土地區(qū)工程建設(shè)及運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)，并考慮后期盾構(gòu)隧道可能產(chǎn)生的工后沉降問(wèn)題和周邊開(kāi)發(fā)密集度情況等，建議近階段工程建設(shè)引起的隧道變形宜按隧道水平變形和豎向變形小于10 mm、收斂變形小于6 mm控制。

2 工程影響分析

2.1 08-23地塊、08-29地塊開(kāi)發(fā)與地鐵盾構(gòu)隧道相互影響分析

08-23地塊與08-29地塊位于地鐵盾構(gòu)隧道的正上方，各擬建兩棟房屋，其中08-23地塊的1#樓和2#樓均為地上28層，建筑高度約為86.8 m；08-29地塊的10#樓為地上2層，建筑高度約為9.7m，11#樓為地上8層，建筑高度約為38.5 m。兩個(gè)地塊均通過(guò)設(shè)置2層地下室連通，地塊底板底深約為10 m，與盾構(gòu)區(qū)間隧道頂豎向凈距約為6 m。

經(jīng)綜合比選研究，若地鐵區(qū)間和地塊基坑采用坑中坑方案，因基坑深度較大，施工風(fēng)險(xiǎn)較大、工期較長(zhǎng)、費(fèi)用較高，故采用地塊先施工、地鐵后穿越的設(shè)計(jì)方案，且地塊先施工時(shí)預(yù)留地鐵后期穿越條件(如樁基入巖、設(shè)置隔離樁、地基加固)。為此，兩塊基坑均采用鉆孔灌注樁+攪拌樁止水帷幕，其中盾構(gòu)下穿范圍采用SMW(Soil Mixing Wall)工法樁，基坑豎向設(shè)置二道混凝土桁架支撐?？紤]地塊場(chǎng)地范圍為老城拆遷區(qū)域，要求施工前對(duì)地基進(jìn)行清障處理，盾構(gòu)穿越段需清障至盾構(gòu)隧道底以下3 m；同時(shí)地塊基坑完成后需對(duì)盾構(gòu)穿越范圍的SMW工法樁進(jìn)行拔除并回填密實(shí)。

從以下3個(gè)方面對(duì)地鐵與地塊結(jié)構(gòu)之間的相互影響進(jìn)行分析：

(1) 因下臥土層物理性質(zhì)較差，為滿(mǎn)足基礎(chǔ)承載能力并控制上部結(jié)構(gòu)沉降，減小后期對(duì)下臥地鐵隧道的影響，建筑下方均設(shè)置樁基入巖。同時(shí)，考慮后期盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中頂推力擴(kuò)散引起隧道周邊土體擾動(dòng)和鄰近樁基側(cè)向變形，故在地塊地下室底板下方、盾構(gòu)兩側(cè)各預(yù)設(shè)一排隔離樁，將盾構(gòu)隧道施工影響范圍控制在隔離樁之間。

(2) 由于地塊房屋在長(zhǎng)期作用下會(huì)產(chǎn)生后續(xù)沉降，且在隧道施工過(guò)程中可能會(huì)引起周邊土體擾動(dòng)導(dǎo)致地下室底板變形，為降低盾構(gòu)施工對(duì)地下室的不利影響，在地下室底板與隔離樁之間的盾構(gòu)穿越區(qū)域設(shè)置攪拌樁、地基加固。通過(guò)有限元軟件MIDAS計(jì)算底板地基加固的效果，計(jì)算結(jié)果表明：采取地基加固措施時(shí)，盾構(gòu)掘進(jìn)引起的地下室豎向最大位移約為1.25 mm；不采取地基加固措施時(shí)，地下室豎向最大位移約為4.29 mm，可見(jiàn)地基加固可有效控制盾構(gòu)施工對(duì)既有結(jié)構(gòu)的不利影響。08-23地塊、08-29地塊計(jì)算模型如圖3所示，盾構(gòu)施工引起地下室底板豎向位移如圖4所示。

圖3 08-23地塊、08-29地塊計(jì)算模型

(a) 設(shè)置地基加固

(b) 不設(shè)置地基加固圖4 盾構(gòu)施工引起地下室底板豎向位移

(3) 因地塊建筑先于地鐵盾構(gòu)隧道施工，大部分因恒荷載作用引起的地下室沉降已經(jīng)在地鐵盾構(gòu)施工前完成，但在地塊后期運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，活荷載作用引起的附加沉降仍會(huì)對(duì)下穿的盾構(gòu)隧道產(chǎn)生影響?？紤]長(zhǎng)期剛度，對(duì)地上結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬分析，結(jié)果表明：恒荷載作用下的底板豎向位移最大值約為13.2 mm，總荷載作用下的底板豎向位移最大值約為20.2 mm，后期地塊活荷載作用下的地下室最大位移約為7.0 mm。08-29地塊地上結(jié)構(gòu)分析模型如圖5所示，08-29地塊考慮長(zhǎng)期剛度地下室底板總豎向位移如圖6所示。

圖5 08-29地塊地上結(jié)構(gòu)分析模型

(a) 總荷載作用

(b) 恒荷載作用圖6 08-29地塊考慮長(zhǎng)期剛度地下室底板總豎向位移

考慮該位移荷載，計(jì)算地塊后期運(yùn)營(yíng)對(duì)地鐵隧道的影響，結(jié)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豎向最大位移約為8.27 mm，徑向收斂值約為11.22 mm；若采取地基加固措施，隧道豎向最大位移約為5.24 mm，徑向收斂值約為6.58 mm。地下室后期沉降引起下方盾構(gòu)隧道豎向位移如圖7所示。

(a) 設(shè)置地基加固

(b) 不設(shè)置地基加固圖7 地下室后期沉降引起下方盾構(gòu)隧道豎向位移

同時(shí)對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)推力引起的隔離樁側(cè)向變形結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，考慮地基加固作用時(shí)，隔離樁最大水平位移約為1.3 mm，不考慮地基加固作用時(shí)，隔離樁最大水平位移約為2.5 mm，可見(jiàn)地基加固能有效減少盾構(gòu)掘進(jìn)施工對(duì)側(cè)邊樁基的影響。盾構(gòu)掘進(jìn)引起隔離樁水平位移如圖8所示。

(a) 考慮地基加固

(b) 不考慮地基加固圖8 盾構(gòu)掘進(jìn)引起隔離樁水平位移

綜合以上分析，對(duì)在地鐵盾構(gòu)實(shí)施之前完成的08-23地塊、08-29地塊采取樁基入巖、盾構(gòu)兩側(cè)設(shè)置隔離樁和盾構(gòu)穿越影響范圍內(nèi)設(shè)置地基加固措施，經(jīng)驗(yàn)證這些措施可有效減少盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)建筑物的影響及后期地塊沉降引起的盾構(gòu)隧道變形。

2.2 08-30地塊與盾構(gòu)隧道相互影響分析

08-30地塊位于地鐵盾構(gòu)隧道的正上方，地上僅1棟9層建筑，建筑高度約為38.5 m，地下設(shè)置1層地下室，底板埋深約為6.5 m，與盾構(gòu)區(qū)間隧道頂豎向凈距約為9.0 m。08-30地塊與地鐵隧道平面關(guān)系如圖9所示，08-30地塊與地鐵隧道剖面關(guān)系如圖10所示。

圖9 08-30地塊與地鐵隧道平面關(guān)系

圖10 08-30地塊與地鐵隧道剖面關(guān)系

08-30地塊同樣采用地塊先施工，地鐵后穿越，且地塊先施工時(shí)預(yù)留地鐵后期穿越條件的設(shè)計(jì)方案。但因該地塊無(wú)法在盾構(gòu)施工之前完成地上結(jié)構(gòu)，考慮地層因素，要求地上結(jié)構(gòu)需在地鐵盾構(gòu)施工完成后方可實(shí)施。

地塊基坑采用SMW工法樁，豎向設(shè)置一道混凝土桁架支撐，考慮該地塊場(chǎng)地范圍原有地上5～8層房屋，并設(shè)有地下35 m長(zhǎng)樁基，要求地塊實(shí)施前需先進(jìn)行拔樁處理，另外地塊地下室結(jié)構(gòu)完成后需及時(shí)拔除型鋼。

結(jié)合08-23地塊、08-29地塊的分析，采用樁基入巖、盾構(gòu)兩側(cè)設(shè)置隔離樁和盾構(gòu)下穿范圍設(shè)置地基加固的措施，可有效減少盾構(gòu)施工引起的地下室沉降及后期地上結(jié)構(gòu)荷載引起的隧道變形。但由于08-30地塊地上結(jié)構(gòu)在盾構(gòu)實(shí)施之后建設(shè)，存在較大加載作用，故上部結(jié)構(gòu)引起的地下室沉降對(duì)盾構(gòu)隧道的影響會(huì)大于08-23地塊、08-29地塊。

通過(guò)有限元模擬計(jì)算，在考慮采取上述各項(xiàng)措施后，地上結(jié)構(gòu)實(shí)施時(shí)產(chǎn)生的加載作用引起隧道豎向最大位移約為11.38 mm，徑向收斂值約為13.22 mm。為盡量減小地上結(jié)構(gòu)施工引起的隧道位移，擬通過(guò)在地下室底板以下設(shè)置0.5 m厚的褥墊層，以降低筏板以下土體的荷載承擔(dān)比，減小隧道周邊土體位移。經(jīng)模擬分析，考慮褥墊層作用后，上部結(jié)構(gòu)施工引起的隧道豎向最大位移約為5.06 mm，徑向收斂值約為6.12 mm，可見(jiàn)在地下室底板以下設(shè)置褥墊層可有效減少上部加載引起的隧道變形。08-30地塊計(jì)算模型如圖11所示，地上結(jié)構(gòu)加載引起隧道豎向位移如圖12所示。

(a) 三維空間模型

(b) 地塊結(jié)構(gòu)與隧道空間關(guān)系圖11 08-30地塊計(jì)算模型

(a) 不設(shè)置褥墊層

(b) 設(shè)置褥墊層圖12 地上結(jié)構(gòu)加載引起隧道豎向位移

2.3 惠民路高架橋改隧與盾構(gòu)隧道相互影響分析

為改善城市交通，惠民路高架橋遠(yuǎn)期將改為隧道，為保證其實(shí)施的可行性，需先期完成市政隧道與地鐵5號(hào)線(xiàn)交叉段范圍的施工，再實(shí)施地鐵盾構(gòu)穿越。

市政隧道與地鐵區(qū)間以70°夾角平面相交，交叉范圍長(zhǎng)約為49.0 m，寬約為44.4 m，深約為11.0 m，市政隧道實(shí)施范圍內(nèi)的地鐵隧道埋深約為13.0 m，兩者豎向凈距約為2.0 m。市政隧道基坑采用鉆孔灌注樁+高壓旋噴樁止水帷幕；地鐵盾構(gòu)隧道下穿區(qū)域采用咬合樁，并在市政隧道結(jié)構(gòu)底以下1 m至樁底范圍采用玻璃纖維筋，基坑豎向設(shè)置1道混凝土支撐+2道鋼管支撐?？紤]盾構(gòu)隧道與市政隧道豎向凈距較小，為減少兩者之間的相互作用，在隧道影響范圍內(nèi)的市政隧道下方設(shè)置攪拌樁加固。高架橋改造隧道與地鐵隧道平面關(guān)系如圖13所示，高架橋改造隧道與地鐵隧道剖面關(guān)系如圖14所示。

圖13 高架橋改造隧道與地鐵隧道平面關(guān)系

圖14 高架橋改造隧道與地鐵隧道剖面關(guān)系

高架橋改造隧道完成后，針對(duì)地鐵盾構(gòu)隧道在加固體中穿過(guò)對(duì)既有市政隧道的影響，以及后期市政隧道通車(chē)時(shí)豎向行車(chē)荷載引起的地層沉降對(duì)地鐵隧道的影響進(jìn)行模擬分析，分析結(jié)果表明：考慮地基加固作用，盾構(gòu)下穿引起的市政隧道豎向最大位移約為1.3 mm，后期市政隧道運(yùn)營(yíng)時(shí)行車(chē)荷載引起的隧道豎向最大位移僅為1.4 mm，相互影響均在結(jié)構(gòu)允許范圍內(nèi)?；菝窀呒苡?jì)算模型如圖15所示，盾構(gòu)下穿引起市政隧道豎向位移如圖16所示，市政隧道行車(chē)荷載引起隧道豎向位移如圖17所示。

圖15 惠民高架計(jì)算模型

圖16 盾構(gòu)下穿引起市政隧道豎向位移

圖17 市政隧道行車(chē)荷載引起隧道豎向位移

根據(jù)《南京市軌道交通條例》的規(guī)定，長(zhǎng)江沿岸、秦淮河沿岸等地質(zhì)條件復(fù)雜、存在安全隱患的漫灘地區(qū)，軌道交通結(jié)構(gòu)外邊線(xiàn)外側(cè)15 m內(nèi)為軌道交通特別保護(hù)區(qū)。在特別保護(hù)區(qū)內(nèi)，除必需的市政、園林、環(huán)衛(wèi)、人防工程以及經(jīng)規(guī)劃批準(zhǔn)或依法辦理許可手續(xù)對(duì)現(xiàn)有建筑進(jìn)行改建、擴(kuò)建的建設(shè)工程外，不得進(jìn)行其他建設(shè)活動(dòng)。本文對(duì)南京地鐵5號(hào)線(xiàn)下關(guān)站～建寧路站區(qū)間下穿項(xiàng)目進(jìn)行分析并提出了相關(guān)措施，經(jīng)驗(yàn)證，這些措施能在保證地鐵施工安全的前提下保障地塊及市政項(xiàng)目的實(shí)施，同時(shí)也避免了因地鐵盾構(gòu)隧道實(shí)施之后需退讓 15 m 導(dǎo)致的城市開(kāi)發(fā)空間損失，有效節(jié)約空間約3.4萬(wàn)m2。

3 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合南京地鐵5號(hào)線(xiàn)下關(guān)站～建寧路站區(qū)間下穿3個(gè)項(xiàng)目的實(shí)際案例，針對(duì)因施工時(shí)序?qū)е陆?gòu)筑物與盾構(gòu)隧道產(chǎn)生的作用關(guān)系，分別采取不同措施并對(duì)其進(jìn)行計(jì)算、模擬分析和對(duì)比驗(yàn)證，得出以下結(jié)論：

(1) 在軟土地區(qū)，對(duì)后續(xù)有規(guī)劃地鐵盾構(gòu)隧道下穿的建構(gòu)筑物，若隧道上方結(jié)構(gòu)荷載較小，可通過(guò)設(shè)置地基加固來(lái)改善土體性質(zhì)，控制盾構(gòu)下穿對(duì)既有建構(gòu)筑物的影響。

(2) 若隧道上部結(jié)構(gòu)荷載較大，可通過(guò)設(shè)置樁基承載豎向荷載，同時(shí)設(shè)置隔離樁和地基加固減小盾構(gòu)掘進(jìn)引起的結(jié)構(gòu)豎向位移，經(jīng)驗(yàn)證，地基加固可有效減少盾構(gòu)頂推力對(duì)側(cè)邊工程樁的影響。

(3) 在地下室筏板以下設(shè)置褥墊層，可降低筏板以下土體的荷載承擔(dān)比，減少因上部結(jié)構(gòu)加載引起的地層沉降，從而有效控制上部結(jié)構(gòu)施工引起的隧道變形。