張志學

(中鐵十六局集團地鐵工程有限公司，北京 101116)

在城市中修建地鐵隧道時，時常面臨著地下水位高、地表建筑物多、周邊環(huán)境復雜、交通導改困難等難題，尤其是在富水地層采用礦山法隧道下穿建筑物時，施工中既要降低地下水位滿足暗挖要求，又要減少暗挖施工對建筑物的擾動，工程難度極大。因此，在采用暗挖法隧道下穿建筑物時，如何確保上方建筑物的安全顯得尤為重要。

目前的研究成果大多數(shù)針對實際工程，根據(jù)經驗確定隧道下穿建筑物的變形控制標準，通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測，分析隧道施工和加固措施對地表建筑物的影響[1-5]。而針對建筑物的現(xiàn)狀實際情況，通過估算，擬定建筑物變形控制的建議標準，在區(qū)間隧道下穿建筑物之前施工下穿建筑物的降水導洞等工程案例較為少見。本文以北京地鐵8號線三期工程王府井北站—王府井站區(qū)間隧道下穿懋隆黃金為背景，對此展開針對性研究。

1 工程概況

北京地鐵8號線三期工程王府井北站—王府井站區(qū)間起訖里程K28+805.126—K29+393.160，全長588.034 m。區(qū)間縱斷面呈單向坡，北高南低，區(qū)間隧道頂板覆土厚度約21.40～24.17 m，隧道底板標高在13.16～18.20 m。

區(qū)間隧道采用單線單洞的斷面形式，寬約6.2 m，高約6.5 m。隧道結構采用由鋼格柵+噴射混凝土的初期支護和模注鋼筋混凝土的二次襯砌構成，兩層襯砌之間設柔性防水層，斷面施工方法為臺階法。

懋隆黃金建筑物位于北京市東城區(qū)王府井大街229號，現(xiàn)作為商鋪使用，其建筑外觀如圖1所示。懋隆黃金建筑始建于20世紀二三十年代，為磚砌體結構，地上三層，局部地下一層(南側)，建筑總高度為12.05 m。其平面布置呈較規(guī)則的矩形，平面總長為14.08 m，總寬為8.58 m。該建筑無圈梁及構造柱，外墻厚370 mm，內墻厚240 mm，墻體均采用燒結磚及混合砂漿砌筑，除屋面板采用夾心板輕鋼屋蓋外，其余樓層樓面板均采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土板，板厚為100 mm?；A為墻下石砌條形基礎，有地下室部分基礎埋深約為3.0 m，無地下室部分約為0.5 m左右。

圖1 懋隆黃金建筑現(xiàn)狀外觀

暗挖區(qū)間施工采用導洞降水，導洞采用礦山法施工。在區(qū)間隧道上方單獨施工降水導洞，洞內打降水井，對潛水層進行抽排或將其滲透至下層地下水。區(qū)間范圍內降水導洞初期支護凈空定為4.85 m×6.768 m的拱形斷面，襯砌厚度擬定為350 mm，支護形式為C25噴射混凝土+鋼格柵，鋼格柵間距0.5 m。為加強支護結構的剛度，下穿懋隆黃金的西線降水導洞采用超前大管棚+全斷面深孔注漿的超前加固，加固范圍50 m，如圖2所示。注漿材料采用水泥砂漿，地層注漿加固后單軸抗壓強度應達到0.6～0.8 MPa，滲透系數(shù)不大于1×10-6cm/s。

圖2 西線下穿懋隆黃金的降水導洞加固(單位：mm)

區(qū)間降水導洞西線在里程KX+393—KX+426附近下穿懋隆黃金，該建筑緊臨新建區(qū)間隧道，兩者邊線間距為5 m。區(qū)間隧道、降水導洞與建筑物關系如圖3所示。

圖3 懋隆黃金建筑與隧道及導洞剖面位置關系

工程所在場區(qū)地層分布如下：雜填土①層，粉質黏土③1層，卵石、圓礫④層，細砂、中砂④1層，粉質黏土⑤層，卵石、圓礫⑥層，細砂、中砂⑥1層，中砂、細砂⑦1層，粉質黏土⑦3層，粉質黏土⑨層。場區(qū)內量測到4層地下水，分別是：上層滯水(水位埋深4.00～6.00 m、水位標高40.33～41.98 m)、層間水(水位埋深19.10～21.10 m、水位標高25.13～27.32 m)、潛水～承壓水(水位埋深26.30～27.10 m、水位標高19.16～20.03 m)和承壓水(水位埋深27.60～30.70 m、水位標高15.53～18.59 m)。

根據(jù)《北京市軌道交通工程建設安全風險技術管理體系》的相關規(guī)定，區(qū)間降水導洞及正線隧道下穿懋隆黃金建筑物為一級風險源。施工前應對既有建筑進行安全評估，并依據(jù)評估分析結果評價區(qū)間導洞及隧道對既有建筑物正常使用狀態(tài)的影響，為環(huán)境風險工程設計、優(yōu)化以及既有建筑物保護提供設計依據(jù)，保證區(qū)間導洞及隧道施工過程中建筑物的結構安全。

2 建筑物現(xiàn)狀調查與檢測

2.1 建筑物外觀損傷情況檢查

現(xiàn)場在可測外露區(qū)域，對主體結構外觀損傷進行檢查，主要發(fā)現(xiàn)：地下一層墻體局部出現(xiàn)豎向開裂、滲水及抹灰脫落現(xiàn)象；一層墻體及抹灰局部出現(xiàn)豎向開裂現(xiàn)象，二層個別梁和頂板出現(xiàn)局部露筋、鋼筋銹蝕現(xiàn)象；屋面板局部下?lián)?，部分裝飾層局部破壞等。

2.2 建筑物現(xiàn)狀傾斜情況測量

根據(jù)《民用建筑可靠性鑒定標準》(GB 50292—2015)，磚墻承重的多層砌體結構，不會明顯影響結構正常使用的結構頂點位移允許值為H/550，其中H為結構頂點高度。懋隆黃金對應的高度H為12 050 mm，故結構頂點位移允許值為21.9 mm。

根據(jù)傾斜測量結果，該建筑各測點頂點位移值最大不超過14.0 mm。對照上述標準，小于結構頂點位移允許值為21.9 mm，結構傾斜變形尚不會明顯影響現(xiàn)有結構的安全使用。

2.3 結構材料強度檢測

對于砌筑磚、砂漿及混凝土構件的強度檢測均采用回彈法，并利用酚酞試劑對砌筑砂漿及混凝土構件的碳化深度進行抽測。

各建筑材料的強度評定結果為：承重墻體的磚強度可達MU7.5級的要求，砌筑砂漿強度可達M2.5級的要求，混凝土構件的強度可達到C20級的要求。由于該樓房建成年代較早，參照《民用建筑可靠性鑒定標準》(GB 50292—2015)附錄K老齡混凝土回彈值齡期修正的規(guī)定，取齡期修正系數(shù)為0.82。

砂漿及混凝土碳化深度檢測結果為：砌筑砂漿的碳化深度介于5.5～6.0 mm，混凝土構件的碳化深度介于15.5～17.5 mm?；炷撂蓟呀咏炷涟遄钔鈱愉摻睿摻钿P蝕的可能性較大。

2.4 鋼筋保護層厚度及其配置情況檢測

采用鋼筋定位儀對構件鋼筋保護層厚度進行抽測，結果表明：主體結構中混凝土梁最外層鋼筋的保護層厚度基本介于26～33 mm。

采用鋼筋定位儀對構件鋼筋數(shù)量和間距進行檢測，結果表明：混凝土梁箍筋間距基本介于180～200 mm，梁底主筋根數(shù)為4根。

3 建筑物變形控制標準確定

《建筑地基基礎設計規(guī)范》(GB 50007-2011)和《北京地區(qū)建筑地基基礎勘察設計規(guī)范》(DBJ 11-501-2009)均對建筑物的允許變形、差異變形進行了規(guī)定。對于既有建筑物，為了合理確定所評估建筑物目前的允許變形，首先需要對其建成后已發(fā)生的變形進行調查，然后根據(jù)規(guī)范的要求，確定其“剩余安全度”。

懋隆黃金建筑物資料缺失嚴重，很難依靠常規(guī)測量方法推測建筑物基礎的累計總變形量。因此，采用Z_Soil數(shù)值模擬技術，同時對比分析周圍已有類似結構在自重作用下的變形監(jiān)測資料，分析建筑物在自重作用下已經發(fā)生的變形，作為后續(xù)評估工作的參考。

3.1 計算模型建立

考慮到隧道開挖空間效應的影響，模型長度在隧道左右兩邊各取6倍的隧道直徑，且滿足建筑物邊緣與模型邊緣距離不小于30 m；模型寬度取至建筑物模型外邊緣30 m；在模型高度方面，隧道以上取至地表，隧道以下取3倍的隧道直徑。建立的三維計算模型尺寸為110 m×100 m×51 m，共計40 000個單元，三維計算模型如圖4所示。在模型的底面處施加豎向位移約束，模型的側面處施加水平位移約束。

圖4 三維計算模型

3.2 計算參數(shù)確定

土體本構關系采用小應變硬化模型。根據(jù)現(xiàn)場地質勘查，降水導洞所處地層為③1、④1層，區(qū)間隧道處于④、⑤、⑥1層，地層參數(shù)詳見表1。

表1 地層土體的計算參數(shù)

3.3 計算結果分析

懋隆黃金建筑物自重引起的變形分析結果如圖5所示。該建筑最大沉降量為34.7 mm，位于建筑物的東北角；最大局部傾斜為1.1‰，位于建筑物北側。

圖5 懋隆黃金建筑物自重沉降等值線(單位：mm)

3.4 建筑物變形控制標準建議

根據(jù)《北京地區(qū)建筑地基基礎勘察設計規(guī)范》(DBJ 11-501-2009)的規(guī)定，地基土為一般第四紀黏性土及黏質粉土的砌體承重結構(獨立基礎或條形基礎)，長期最大允許沉降量為50 mm。

參照《民用建筑可靠性鑒定標準》(GB 50292-2015)，磚墻承重的多層砌體結構，不會明顯影響結構正常使用的結構頂點位移允許值為H/550，換算整體傾斜度為1.82‰。

根據(jù)《建筑地基基礎設計規(guī)范》(GB 50007-2011)的有關規(guī)定：對于高度在24 m以下的多層建筑，其整體傾斜控制標準為4.0‰，砌體承重結構基礎的局部傾斜不超過2.00‰。

根據(jù)該建筑物由自重引起的變形分析結果，懋隆黃金建筑物最大沉降量為34.7 mm，最大局部傾斜為1.1‰；根據(jù)現(xiàn)狀建筑物傾斜測量結果，懋隆黃金墻體整體最大傾斜度為1.2‰?？紤]到導洞及隧道施工可能引起建筑物地基沉降特點及沉降范圍復雜性，后期施工造成建筑物的最大沉降不能超過10 mm，局部傾斜不能大于0.5‰。

4 導洞及隧道施工對建筑物變形影響

4.1 建模方案

區(qū)間隧道、降水導洞與懋隆黃金建筑物的位置關系如圖6所示。

(5) 單邊磁拉力(以穩(wěn)態(tài)運行15 g的加速度下產生的徑向位移所對應的磁拉力與“掃膛”零界位移對應的磁拉力的加權平均值計12 289.5 N)。

圖6 區(qū)間隧道、降水導洞與懋隆黃金建筑物的位置關系

降水導洞(包括排風井)、隧道結構均采用shell單元模擬，建筑物采用等效均布荷載+考慮一定剛度的實體單元來模擬。降水導洞的超前大管棚+全斷面深孔注漿超前加固采用實體單元進行模擬，管棚作用及注漿體參數(shù)綜合考慮并參考經驗來確定。區(qū)間隧道和降水導洞等結構計算參數(shù)如表2所示。

表2 區(qū)間結構計算參數(shù)

4.2 施工過程模擬

根據(jù)現(xiàn)場施工方案，施工順序模擬簡化為：①施工降水導洞西線至預加固起始位置；②施工導洞西線至建筑物位置；③施工導洞西線至建筑物中間位置；④施工導洞西線至開始離開建筑物；⑤施工導洞西線至預加固段結束；⑥繼續(xù)施工導洞西線至模型邊界；⑦施工導洞東線；⑧施工隧道左線；⑨施工隧道右線；⑩施工2#排風井。

4.3 計算結果分析

降水導洞西線施工完成后，地表及建筑物沉降如圖7所示。從圖7可知，當降水導洞西線施工完成后，地表最大沉降為27.1 mm，懋隆黃金建筑物最大沉降為6.0 mm，位于建筑物的東南角，最大局部傾斜0.1‰，位于建筑物北側(無地下室)部分。

圖7 降水導洞西線完成后地表及建筑物沉降云圖

地表及建筑物變形計算結果匯總如表3所示。根據(jù)表3的計算結果可知，采取加固措施后，導洞及隧道施工對懋隆黃金的影響基本在變形控制指標范圍內，建筑物最終的最大變形略超過變形控制指標，需要在隧道施工中進一步提高施工質量，將建筑物變形控制在10 mm以內，以保證建筑物的安全。

表3 地表及建筑物變形計算結果

此處需要說明的是，本文的分析主要針對降水導洞和正線隧道施工引起的建筑物變形，沒有考慮降水施工產生的影響。由于降水導洞位于建筑物的下方，降水施工引起的建筑物不均勻沉降較小，對建筑物的結構安全影響較小。考慮到施工結束以后，地下水位逐漸恢復，降水施工引起的地表沉降也會有所恢復，故施工過程中，降水施工對建筑物的結構安全產生的影響較小。

5 實施效果評價

5.1 現(xiàn)場實施情況

5.2 監(jiān)測點布置

為了定量評價實施效果，施工過程中對建筑物的變形情況進行了監(jiān)控量測。根據(jù)《城市軌道交通工程監(jiān)測技術規(guī)范》(GB 50911-2013)的要求，在懋隆黃金建筑物的四角布置沉降點，且外墻每隔6～10 m設置1個沉降監(jiān)測點，監(jiān)測點的分布如圖8所示。

圖8 懋隆黃金建筑沉降監(jiān)測點布置

5.3 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

選取建筑物監(jiān)測沉降點JCJ21為對象，分析降水導洞和區(qū)間隧道施工對建筑物的擾動影響。西線降水導洞施工期間，監(jiān)測點JCJ21的實測數(shù)據(jù)如圖9所示；左線區(qū)間隧道施工期間，其實測數(shù)據(jù)如圖10所示。

圖9 西線導洞施工期間監(jiān)測點JCJ21的實測數(shù)據(jù)

圖10 左線隧道施工期間監(jiān)測點JCJ21實測數(shù)據(jù)

由圖9可知，隨著西線降水導洞的施工，監(jiān)測點JCJ21沉降值逐漸增加，在降水導洞開挖面距建筑物前15 m時，JCJ21點最大沉降為-4.85 mm。

在開挖面到達建筑物之前，監(jiān)測點呈現(xiàn)先隆起后沉降的現(xiàn)象。這是因為開挖面離監(jiān)測點較遠時，超前注漿能彌補前方擾動較小地層的應力損失，當注漿壓力比地層損失應力大，則地層就會出現(xiàn)隆起現(xiàn)象；但隨著開挖面不斷接近監(jiān)測點，開挖所造成的應力損失遠大于超前注漿的壓力，則地層出現(xiàn)沉降。該階段內，監(jiān)測點JCJ21數(shù)據(jù)變化較大，最大變化量為8.62 mm；當降水導洞施工至建筑物前，JCJ21的最大隆起值為0.5 mm。

當開挖面到達建筑物后，監(jiān)測點又出現(xiàn)隆起現(xiàn)象，且隆起現(xiàn)象較前一階段要大，主要是由于開挖面接近懋隆黃金建筑物，超前注漿壓力對建筑物的影響較大的緣故。該階段內，監(jiān)測點JCJ21最大變化量為5.15 mm，最大隆起值為5.65 mm。當注漿加固完成開挖后，監(jiān)測點出現(xiàn)持續(xù)下降，主要由于開挖施工產生的應力損失所導致的，西線降水導洞施工結束后，監(jiān)測點的沉降值為-3.35 mm。

由于超前預支護注漿壓力的影響，東線導洞施工結束后，監(jiān)測點JCJ21的沉降值為-3.96 mm，認為東線導洞施工未對建筑物產生較大影響，故此處不再進行具體分析。

由圖10可知，左線區(qū)間隧道下穿施工之前，由于降水施工的影響，導致地層固結沉降，造成監(jiān)測點JCJ21的初始值為-6.0 mm，相比降水導洞施工結束后的沉降值增加了2.04 mm。左線隧道施工過程中，建筑物沉降逐漸增大。左線區(qū)間施工完成時，監(jiān)測點沉降值為-8.99 mm。由于右線隧道距離建筑物較遠、埋深較大，右線區(qū)間施工結束后，實測監(jiān)測點沉降值為-9.06 mm；由于2#排風井與懋隆黃金之間有一定距離，且跨度較小，2#排風井施工結束后，建筑物的沉降值為-9.15 mm，未發(fā)生明顯變化，故未對右線隧道和2#排風井施工監(jiān)測進行分析。

對比現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結果可知：在數(shù)值模擬階段，整個模擬過程未出現(xiàn)建筑物隆起現(xiàn)象，這是由于在有限元模擬軟件中未能模擬出注漿壓力對地層頂升的作用。施工過程中，現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)的最大隆起和沉降值均未超過10 mm，最大局部傾斜也未超過0.2‰，表明降水導洞和區(qū)間隧道的施工過程未對地面建筑物產生過大的影響，建筑物滿足安全使用要求。

6 結束語

(1)對于既有建筑物，如果建筑物資料缺失嚴重，采用數(shù)值模擬方法，分析其在自重作用下發(fā)生的變形情況，作為建筑物建成后的累計變形，可以為建筑物變形控制指標的確定提供參考依據(jù)。

(2)在地鐵隧道下穿建筑物過程中，提高現(xiàn)場施工質量，也可以在一定程度上控制建筑物的變形。