盾构隧道掘进对周边构筑物的影响分析

盾构隧道掘进对周边构筑物的影响分析

潘冠全

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摘要：本文主要介绍电缆隧道掘进施工对周边构筑物的影响，分析隧道穿越期间构筑物的沉降与内力变化，重点探讨如何有效控制构筑物的沉降。

关键词：盾构隧道 建构筑物 沉降

1 前言

随着城市化进程的加快，城市电缆需求不断增加，电缆隧道的发展与投产也在各大城市应运而生，电缆隧道在城市中掘进，常见的重大环境风险源为隧道穿越既有道路、桥梁、铁路、河道、建筑物、不良地层等，设计和施工阶段如未采取足够安全措施，可能会导致坍塌事故的发生。因此，需要准确预测施工中可能遇到的问题，并提前采取预防措施，以降低项目成本和风险。

2 工程概况

以佛山城北电缆隧道工程为背景，拟建外径6m隧道沿东西向敷设，途经下穿南北走向的既有道路（道路宽12 m，道路垫层底与隧道顶净高为7.7m），同时侧穿既有桥桩（桩承台距离隧道边最小约4.5m）。隧道采用盾构法施工，主要穿越地层为粉质黏土层，围岩等级为Ⅴ级。

3 计算模型

采用MIDAS /GTS-NX数值软件对隧道下穿既有道路、侧穿既有桥桩的安全性进行分析。本构模型：土层采用修正莫尔库伦本构；结构单元及注浆层采用弹性本构。边界条件：模型顶面为自由面，无约束；模型底面每个方向均约束；模型四个侧面均只约束法向，其余方向自由无约束。施工模拟：盾构隧道的开挖为由近到远逐步开挖，在实际数值模拟过程中需要对隧道开挖过程进行分步分阶段处理，模拟循环开挖进尺与现场盾构管片施工相符合，通过激活盾构管片单元模拟管片施工。在完成每次开挖步后，进行收敛计算来模拟这步开挖过程的应力释放过程，然后才进入下一个开挖步计算。

图1 隧道下穿道路、侧穿桥桩数值计算模型

4 变形控制标准及施工期间采取的措施

结合《公路与市政工程下穿高速铁路技术规程》、《高速铁路设计规范》、《城市轨道交通工程监测技术规范》等相关的规定，对穿越段落的地质条件、公路的路基结构形式、隧道的结构形式等进行分析后，结合全国各地类似工程的施工经验，初步确定该段公路的路基沉降值、隧道结构的变形控制标准如下表所示。

施工期间为保证道路及桥桩安全，拟采取以下措施：（1）在盾构下穿既有道路、侧穿既有桥桩之前，在靠近桥桩边预先施作一排灌注桩作为隔离保护桩，减少隧道掘进对桥桩的不利影响。（2）深入搜集两个项目的竣工资料，了解工后沉降、变形等数据，积极和道路、桥梁部门进行沟通，确定合理的沉降控制标准。（3）优化盾构机刀具配置、技术参数。为保证盾构机在超挖少、对周边土体干扰小的条件下，实现曲线推进和顺利转弯及纠偏，应设置仿形刀。（4）制定科学合理的盾构掘进参数，编制切实可行的施工、监测等方案，提前组织专家对施工方案进行论证，确保各项方案合理可行。（5）在盾构穿越施工过程中加强掘进参数控制，主要做好以下措施：严格控制与切口土压力有关的施工参数，保持土压力平衡；均衡匀速推进、连续性施工、杜绝盾构机停滞，尽量不纠偏直接通过；减少拼装时间，缩短盾构机停推时间做好土体改良，增加渣土和易性。（6）掘进过程实施足量的同步注浆，注浆时根据监测数据及时进行分析并调整注浆参数及注浆量。（7）做好监控量测，成立联合工作小组，建立安全风险分析平台，保证数据实时采集、及时分析，根据监测数据及时调整盾构施工参数，保持监测与盾构机控制的实时联动。

5 计算模型工况及结果分析

模型的计算工序：初始地应力→路基路面、桥梁、隔离桩施工→隧道开始掘进→隧道掘进至路基底及桥桩侧→隧道贯通。

图2 隧道穿越路基正下方时道路的竖向位移云图

图3 隧道侧穿桥桩最近位置时桥墩的竖向位移云图

图4 隧道衬砌底部的竖向位移云图

拟建隧道下穿既有道路、侧穿既有桥桩施工期间，由于地层损失的作用，路基、桥墩将会发生沉降，路基及桥墩可能会发生失稳。数值结果表明，路基最大沉降值为0.8mm，桥墩最大沉降值为1.8mm，均处于稳定状态。

对于管片，土体的开挖会产生应力释放，管片会承受一定的压力而发生变形，但应保证其变形量以免侵限。根据计算结果，盾构管片结构拱顶沉降最大值为5mm，管底沉降最大值为7.4mm。

经过施工阶段数值模拟分析，公路、桥墩变形及拟建隧道变形满足相关的控制标准。

6 结语

隧道穿越构筑物施工是一个复杂的三维过程，通过建立合理的结构-土体-隧道模型，可以较好地预测隧道施工对周围地层和构筑物的影响，并且可以为现场实际施工提供一些预测性的建议，此外，根据现场监测数据反馈分析，及时调整施工参数和采取一些预加固措施，可以将施工风险降到最小，有效控制构筑物的沉降。

参考文献：

[1]公路与市政工程下穿高速铁路技术规程 TB 10182-2017

[2]高速铁路设计规范 TB10621-2014

[3]城市轨道交通工程监测技术规范 GB 50911-2013

作者简介：潘冠全(1991~)，男，广东茂名人，设计师