地铁隧洞下穿高层建筑施工技术

地铁隧洞下穿高层建筑施工技术

摘 要 随着我国城市轨道交通和房地产业的快速发展，轨道交通线周围将有越来越多的邻近建筑物。在发展轨道交通的同时，区间隧道对邻近建筑物及其他各种地基的影响是不可避免要的。有时隧道不仅仅是邻近建筑物，而是直接位于建筑物之下，这必将对隧道的施工和建筑物的正常使用产生很大影响。因此，为了把对建筑物的影响减少到最低限度，有必要对如何减小隧道开挖对建筑物的影响程度问题进行研究分析。结合目前已经通过永3、永16楼的双井～劲松区间隧道的实际施工情况进行分析研究，对类似工程施工有一定的借鉴和指导作用。

关键词 地铁隧道 高层建筑物 浅埋暗挖 监控量测 差异沉降 CD/CRD工法

1 工程概况

双井站～劲松站区间，位于北京市朝阳区，设计线路起点里程为K23+287.189，终点里程为K24+095.68，线路全长808.638m，为标准单线区间，本区间已于2006年9月23实现全线贯通。区间沿三环路方向布设，线路两侧建筑物密集，这对隧道施工产生了一定的影响；其中永3楼（东三环南路42号）及永16楼（东三环南路44号）对本区间的影响最大，楼房位于线路里程K23+426～K23+355区段，右线结构外皮与楼房最近水平距离为9m，（右线在没有打设隔离桩的情况下，已于2006年2月14日先行通过），左线结构邻近永16楼（结构外皮与楼房水平净距为2.935m）并下穿永3楼东北角，下穿长度12m左右。永16楼附近的隔离桩于2006年3月31日施作完毕，左线于2006年6月14日到达楼房保护区域，于2006年9月7日安全通过。区间左右两线均为单洞单线结构，开挖净空为6.1m×6.43m，采用浅埋暗挖法施工，区间平均覆土厚度约16.0m，左右线路最小线间距约12.0m。楼房与线路平面位置图如下所示：

右线 37.90左线 37.6237.6937.642永右线38.33左线永3东三环南路42号廊道施 工37.9237.7337.7038.0337.8137.7737.74永1永16东三环南路44号13根隔离桩800@120037.9238.43

图1 永3、永16楼与线路平面位置关系图

2 施工技术难点

2.1 围岩软弱易扰动、稳定性差

2.1.1 结构底板

区间隧道底板穿过的主要岩土层为粉质粘土⑥层、粉土⑥2层，局部粘土⑥1层，均属Ⅵ级围岩，分布较为稳定，但结构底板在K23+431.70—K23+970.40段位于层间潜水含水层之下，层间潜水含水层为粉土⑥2层、及局部分布的粉细砂⑥3层，在地下水作用下易发生涌砂。

2.1.2 结构顶板

区间隧道顶板穿过的岩土层在K23+650.0—K23+970.4段穿过的主要岩土层为粉质粘土⑥层、粘土⑥1层、局部为粉土⑥2层、粉细砂⑥3层，在K23+287.189-K23+650.0段穿过的主要岩土层为中粗砂⑤1层，围岩稳定性差，均属Ⅵ级围岩；尤其是砂类土自稳能力差，

无法形成自然应力拱，易坍塌。并且中粗砂⑤1层为潜水含水层，在地下水作用下易发生涌水、涌砂，应注意采用相应的加固措施。 2.1.3 边墙

区间隧道边墙穿过的岩土层主要为中粗砂⑤1层、粉细砂⑤2层、粉质粘土⑥层、粘土⑥1层、粉土⑥2层，局部为粉细砂⑥3层，围岩分类均属Ⅵ级围岩；侧壁围岩土体的自稳能力差，易产生坍塌，同时由于地下水影响，粉土⑥2层在地下水作用下强度和稳定性导致降低，易发生坍塌，中粗砂⑤1层、粉细砂⑤2层及粉细砂⑥3层在地下水作用下易发生涌水、涌砂甚至塌方。

2.2 前期开挖过早的对楼房产生了较大扰动

永3楼为3层框架结构，独立柱基础，东西为柱跨8m+8m，南北向为3.35m+6.7m+9.55m，基础埋深2.5m，建于1997年。

永16楼房为箱形基础，地上16层，地下3层剪力墙结构，基础埋深为5.5m，1989年建成。

由于拆迁的缘故，靠楼房较远的右线在对楼房施作隔离桩前就已经通过了楼房区域，已经对本区段的土体产生了较大的扰动,并使得永3、永16 楼都产生了较大的差异沉降（清华大学房屋安全鉴定室评估结果为：永3楼、永16楼目前外观质量基本正常，未发现有因不均匀沉降及承载力损失引起的明显结构性损伤；截至2006年4月20日，永3楼最大差异沉降值为8㎜，还有12㎜的富余量；永16楼的最大差异沉降值为13.5㎜，还有16.5㎜的富余量）。在这种状况下,虽然左线与16层居民楼之间有隔离桩作为屏障,但是左线隧道施工下穿永3楼,两者之间没有桩墙作为隔离屏障,且左右两线土建施工距离较近,使得左右线的施工沉降槽叠加且可继续延伸发展。因此,在同样的地层条件，同样的支护措施下左线施工引起的楼房的沉降肯定大于右线施工引起的沉降，而且永3楼的大部分独立柱基础均位于左右两线施工沉降槽重叠的区域，基底地层受多次重复扰动，使得沉降难以预测估计，当楼房框架中的任意相邻柱基础的沉降差超过其允许值，楼房的安全将得不到保证。 2.3 降水井打设不到位、降水区域未封闭

本段降水设计采用管井降水，间距6.0m，沿线路两侧布置，由于受到楼房和地下各种管线的影响，楼房周边的降水井Q15～Q24都无法施作，降水井在永3楼东侧、永16楼西南侧，这使得降水区域在楼房附近形成缺口，造成洞内施工掌子面水量很大，这对施工安全和质量带来很大的影响。

3 通过楼房采取的施工措施

根据专家审查会的专家意见，洞内在原专项设计支护措施基础上适当加强往前掘进，遵循“强支护、小分块、短进尺、早封闭、快通过、勤量测”的原则，由于永16楼附近（K23+ 409.4～K23+395）已经打设了隔离桩，故侧穿永16楼地段采用双排小导管超前支护，CD法开挖施工，根据监控量测结果，必要时增加临时横支撑；下穿永3楼地段，采用双排小导管超前支护，CRD法开挖施工，为减少群洞效应，开挖步序必须保证在一侧导坑贯通后再开挖另一侧，同时为限制洞周边土体的变形发展，增加靠近楼房侧拱墙部位的径向注浆，该方案洞内措施对控制沉降有很好的效果.根据其他已建类似工程的施工经验看，大范围启动降水，将会导致地层产生不易恢复的沉降变形，结果是加剧建筑物的沉降。在目前建筑物已发生较大沉降的客观情况下，降水交叉施工将会相互影响，故降水施工先行，土建施工后动，通过监控量测手段，确定降水施工引起的地层变形稳定、且留有足够的沉降量后施工方可进行。综合考虑上述因素，采取如下专项设计方案：

3.1 隔离桩及隔离桩以南未施工（K23+426～K23+406 20m)地段

⑴、采用CD法开挖，先开挖隧道一侧（靠近楼房）的上下台阶，然后再开挖另一侧的上下台阶；

⑵、格栅间距由原设计的0.75m/榀调整为0.5m/榀，初期支护护厚度30cm，临时中隔壁厚度为30cm；

⑶、超前小导管在拱部150°范围内按双层布置，第一层角度为7°～15°，第二层角度为30°～45°，小导管长度L=2.5m，纵向间距调整为1.0m，环向间距0.3m；

⑷、靠近楼房一侧封闭后及时进行径向注浆，径向小导管布置角度（以隧道中线为起始边）范围为107.02°，注浆管长度2m，间距0.5m，梅花形布置；

⑸、加强开挖前方掌子面的超前地质探测，有必要时增加正前方掌子面的固结注浆； ⑹、掌子面开挖后及时喷射混凝土封闭；

⑺、加强施工过程中的洞内及地表监测和分析，正确指导施工。 3.2下穿楼房及交接过渡地段（K23+406～K23+355 51m)

⑴、采用CRD法开挖，先开挖靠左线隧道一侧的Ⅰ、Ⅱ部，然后再开挖另一侧的Ⅲ、Ⅳ部； ⑵、格栅间距0.5m/榀，初期支护厚度调整为30cm,临时支护厚度30cm；

⑶、超前小导管在隧洞拱部150°范围内按双层布置，第一层角度为7°～15°，第二层角度为30°～45°，小导管长度L=2.5m，纵向间距调整为1.0m，环向间距0.3m；

⑷、Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ部（下穿楼房区段）小导洞封闭后及时进行径向注浆，径向小导管布置角度范围为197.02°，注浆管长度2m，间距0.5m，梅花形布置；

⑸、加强开挖前方掌子面的超前地质探测，有必要时增加正前方掌子面的固结注浆； ⑹、掌子面开挖后及时喷射混凝土封闭；

⑺、加强施工过程中的洞内及地表监测和分析，正确指导施工。

CD、CRD工法开挖步序如下图所示：

Ⅲ Ⅱ Ⅰ Ⅳ Ⅰ Ⅱ 图2 CD、CRD工法断面图

3.3 为进一步保护永3、永16楼的安全，施工过程中采取以下辅助措施：

⑴、为防止建筑物在后续施工中的不均匀沉降进一步加大，根据监控量测结果，必要时可采取地面补偿纠偏注浆作为预案或辅助措施；

⑵、加强初支背后的回填注浆，必须严格按照设计要求足量、足压注浆；

⑶、施工中若地下水量过大，为避免掌子面失稳，必要时可对上台阶进行注浆封闭，同时为控制上导洞初支的下沉，应严格控制拱脚的沉降，加大锁脚力度，必要时采取L型格栅拱脚； ⑷、必须强调监控量测作为邻近（下穿）建筑物地段掘进方案的一个重要组成部分。洞内的监控量测数据反馈的信息可作为检验支护参数是否可靠合理的手段，同时也是调整设计支护参数，改进施工工艺的指导依据； ⑸、洞外建筑物的监控数据反映了楼房的沉降情况和发展势态能指导我们对建筑物采取有针对性的保护措施。施工中必须加强监控量测，做到动态设计，动态施工。

3.4 理论分析

本段区间主要采用新奥法施工原理，充分发挥岩体自身承载能力，严格按照少扰动原则考虑，通过永16楼区段，因为有隔离桩作为屏障，且永16楼为箱基，抗沉降能力强，故只要采用CD法即可，下穿永3楼阶段则必须用CRD法施工方可保证安全。理论分析可采用理想弹塑性模型模拟围岩，并采用Mohr－Coulum屈服准则作为依据，隧道开挖施工过程主要包括（岩）土体分步开挖及支护结构的分部设置等。用以模拟不同施工阶段力学性态的有限元方程为：

（［k0］+［Δki］）×[Δδi]＝[ΔFir]+[ΔFa]（i=1,M） （1）

式中，M为施工阶段总数；［k0］为开挖前（岩）土体等的初始总刚度矩阵；[Δki]为施工过程中岩土体和支护结构刚度的增量或减量，其值为挖去岩土体单元及设置或拆除支护结构单元的刚度；[Δfir]为开挖释放产生的边界增量结点力矩阵，初次开挖由岩土体自重，地下水荷载，地面超载等确定，其后各步开挖由当前应力状态决定；[Δfia]为施工过程中增加的结点荷载列阵；[Δδi]为任一施工阶段产生的结点增量位移列阵。

通过上述公式可以看出，采用CD法或CRD法施工后支护刚度大大提高了，岩体自身发生形变将会被控制到最小，施工过程中只要采取合理的开挖工序，就可以满足施工要求。

通过以上加固措施，左线已2006年9月7日安全顺利通过永3、永16楼，这也是浅埋暗挖法在北京地铁中的成功应用。分析超前加固、开挖时空顺序、台阶长度等工艺在保证施工安全、质量和控制地层沉降中发挥的作用，确定同类地层中的工艺参数，完善浅埋暗挖的理论体系，更好地应用工程实践。

4 沉降结果分析

4.1 监测点布置及沉降情况

楼房沉降观测点由第三方布点并交给施工单位，两座建筑物上共布点8个，其中JM4点由于条件限制无法监测，各监测点与线路相互关系及目前沉降情况如表：

居民楼架空管线JM8JM1煤气站JM1-1JM3JM4JM11JM12JM13

图3 永3、永16楼监控量测点布置图

4.2 变形分析

4.2.1 右线通过楼房沉降与时间曲线图如下：

到达永16楼 01-5-103通过永16楼 永3、16楼沉降曲线通过永3楼 15171921235791113累计沉降量（mm）-15-20-25-30-35-40-45沉降时间（周）JM1JM1－1JM3JM8JM11JM13JM12

图4 右线通过永3、永16沉降曲线图

第3周末——右线到达K23+412(永16楼南端）

第4周——右线通过K23+395（永16楼北端、永3楼南端） 第13周——右线通过永3楼北端

第15周——右线距离永3楼北端20m左右 从楼房沉降与时间关系可以看出：

①、从第1周～第4周以前楼房沉降几乎无变化，右线隧道开挖到永16楼南端时（第3周）楼房尚没有明显沉降，约1周以后（第4周）沉降速度开始加快，说明隧道开挖反映到楼房基底（地面以下5.5m）约需一周时间。

②、从第5周～8周的三周时间内永16楼沉降速度最快（此时楼房周围降水尚未启动），第8周以后才逐渐变慢；而永3楼沉降最快的是第5～7周。

②、永16楼尽管与右线距离比永3楼要远，但隧道开挖引起的沉降量要大，与永16楼基础埋深大、基底地层以及楼房产生的附加荷载大有密切关系。 ③、隧道施工的任一时刻（同一个掌子面时），永3楼的JM1、JM1-1点以及永16楼JM12、JM13点之间产生的沉降差都比较小，说明纵向开挖形成的沉降槽对楼房结构影响较小。 ④、JM3点从第11周到第15周之间数据的非正常变化。 4.2.2 左线通过楼房沉降与时间曲线图如下：

左线通过永3、永16楼沉降曲线累计沉降值 （mm）0第10周第11周第12周第13周第14周第15周第16周第17周第1周第2周第3周第4周第5周第6周第7周第8周第9周-10-20-30-40-50-60沉降时间（周）JM1JM1-1JM3JM8JM11JM12JM13

图5 左线通过永3、永16沉降曲线图

第3周末——左线右侧边洞到达K23+395(永3楼南端、永16楼北端） 第8周——左线右侧边洞通过K23+355（永3楼北端） 第14周——左线左侧边洞通过永3楼北端 第16周——左线全线贯通

从楼房沉降与时间关系可以看出：

①、从第1周～第3周以前楼房沉降几乎无变化，左线隧道右侧边洞开挖到永16楼北端时（第3周）楼房尚没有明显沉降，这说明打设的隔离桩起到很好的屏障作用。约1周以后（第4周）沉降速度开始加快，说明隧道开挖反映到楼房基底（地面以下5.5m）约需一周时间。 ②、从第4周～14周的三周时间内永3楼沉降速度最快，第15周以后才逐渐变慢。

②、永16楼尽管与右线距离比永3楼要远，且有隔离桩保护，但隧道开挖也引起较大的沉降，与永16楼基础埋深大、基底地层以及楼房产生的附加荷载大有密切关系。 ③、从监测数据来看，采用CD、CRD工法能够较好地控制地表及建筑物的沉降，满足公式（1）的规律。

5 结语

通过对左右两线通过楼房所发生的沉降量进行分析发现：

a．在区间隧道开挖中采用CD、CRD工法并辅以其它辅助工法能够较好地控制地表的沉降。最大累计沉降量为18㎜左右，差异沉降永3楼为18.31㎜（设计≯20㎜）,永16楼为21.04㎜（设计≯30㎜），满足设计要求；小分块隧道对高层建筑物扰动很小；地铁隧道开挖地面沉降的主要影响范围大致为20m～30m。

b．隧道开挖过程中，洞周围岩2m的范围需要重点支护，所以在开挖过程中，通过施打2．5m的锚管能够满足要求；塑性区和围岩最大主应力主要出现在拱顶、拱脚处，因此左右隧道的拱顶、拱脚处的支护应加强。

综上所述，在本区间隧道开挖过程中，采用CD、CRD工法和其它辅助工法的开挖方案能够较好地控制地表的沉降，有效地保障了楼房的安全，施工的安全、质量也得到了保障，这可为今后类似工程借鉴。

参考文献

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作者简介：

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钟慧民 出生年月 1979年6月22日 性别 010-85346129 或手机13241135220 男 助工 民族 学位 汉 学士 工区总工 联系电话 湖南湘乡 职称 主要工作 水利、市政工程施工 100018 中铁十六局二公司六分公司 北京朝阳区东坝楼梓庄乡 100021 邮编 北京朝阳区东三环南路双井桥东南侧地铁十号线18标二工区

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