王 冠
(中铁十九局集团轨道交通工程有限公司，北京 101300)
1 概述
伴随着改革开放潮流，城市化进程加速发展，城市规模化增长显著，轨道交通作为城市规模化产物应运而生。轨道交通因其高效率、大容量、低能耗特点，成为优化城市空间规划、改善城市交通拥堵主要方法。城市形成早于轨道交通建设，因此，轨道交通建设过程中不可避免地存在穿越(下穿，侧穿)、并行、叠交等高风险源。谭伟姿[1]针对盾构重叠隧道施工在穿越建筑前的穿越和穿越建筑段施工时的控制方法和盾构施工参数进行研究；常淑芬等[2]从设备选型控制、盾构掘进参数控制以及注浆控制方面着手，对地铁盾构区间侧穿建筑物施工控制技术进行分析；刘柄呈等[3]，龚兴旺等[4]对盾构近距离侧穿建筑物引起沉降及锚杆桩的加固作用进行数值模拟研究；张准[5]通过构建盾构隧道近距离侧穿砌体结构三维有限元模型，对比深孔注浆技术运用后盾构施工过程中诱发的地表沉降与砌体建筑沉降的偏差；李又云等[6]、王谦等[7]、张军[8]采用数值模拟和现场实测的方法，建立隧道-土体-建筑遗产三维模型，进行盾构施工前建筑遗产周边加固效果、施工技术参数优化、施工现场实测值与数值计算值对比分析；彭刚[9]研究了区间下穿箱涵处理技术；袁东锋等[10]、鲁茜茜等[11]、奚晓广等[12]依托盾构连续穿越高架桥工程，利用有限元数值模拟研究盾构超近距离穿越对高架桥墩的影响，并从结构变形传递角度揭示其倾斜机理。
本文以实际工程为背景，研究盾构施工侧穿浅基础建筑群地表变形特点，对盾构侧穿浅基础建筑群进行沉降预测分析，得到影响盾构侧穿浅基础建筑群所引起的变形主要因素，并提出相应的施工措施，建立一套盾构隧道施工侧穿浅基础建筑群的施工控制技术，为类似工程提供指导。
2 工程概况
广州市轨道交通四号线南延段工程塘坑站—大涌站区间隧道线路出塘坑站后沿环市大道向西北方向前行，线路全部位于环市大道北侧道路下方，线路两侧主要是商住综合体及民房，区间空间位置图如图1所示。大塘区间离盾构始发端头100 m左右位置，盾构近距离(3 m内)侧穿塘坑村浅基础建筑群，线路东北侧2层～7层浅基础建筑群距离线路较近。线路左侧建筑物靠近隧道右轮廓线最近距离为10.27 m，右侧建筑物靠近隧道左轮廓线最近距离为31.97 m，隧道侧穿建筑物情况如表1所示。
表1 隧道侧穿建筑物
3 盾构侧穿浅基础建筑群沉降特性分析
3.1 计算模型
采用有限元MIDAS GTS进行数值模拟，盾构直径6.25 m，隧顶土层厚度13 m，上、下行线隧道净距为14 m，隧道中心点向两侧各取35 m，即X方向取80 m，在Z方向结合地质勘查报告取39 m，沿盾构侧穿掘进方向即Y方向，综合实际监测情况，脱出盾尾7 d后基本稳定，平均7 d开挖35环(52.5 m)，在Y方向取120 m。
3.2 计算参数
根据MIDAS GTS中Mohr-Coulomb弹塑性本构模型对输入参数的要求，参照岩土工程勘察报告土层特性，土体参数如表2所示。其中土体弹性模量由土体的压缩模量换算而得。
表2 土体物理力学参数
3.3 房屋结构有限元模拟
本工程盾构施工采用先后掘进的方法，取最不利工况，即大塘区间离盾构始发端头100 m左右位置，盾构近距离(3 m内)侧穿塘坑村浅基础建筑群，本文取盾构侧穿的其最具有代表性，层数最多的一栋建筑物A和近距离侧穿的建筑物B为研究对象进行数值模拟，侧穿浅基础建筑群房屋A层高为11 m，4层，房屋建筑轮廓18 m×9 m，浅基础埋置深度为4 m，砖混结构。侧穿浅基础建筑群房屋B层高为23 m，7层，房屋建筑轮廓22 m×14 m。隧道与建筑物关系剖面示意图如图2，图3所示。有限元模型如图4～图7所示。
3.4 沉降监测点布置
本文依托工程所侧穿建筑群均为浅基础，地表抗变形能力差，因此整个监测重点是隧道区间影响范围内的地表及浅基础沉降，其他监测项目还包括地下水位、隧道收敛和隧道拱底变形。取本工程区间侧穿建筑群最危险工况进行分析，沉降监测控制点如图8所示。
3.5 浅基础建筑群沉降特性分析
3.5.1 周边地表沉降分析
盾构侧穿浅基础建筑群采用双线开挖施工工况后，浅基础建筑群周边地表沉降变形云图与周边地表最大沉降竖向位移云图如图9所示。
数值计算结果如图9所示：1)隧道开挖后地表产生明显的沉降槽，双线开挖后地表最大沉降为12.14 mm；2)双线开挖后隧道拱顶最大沉降为14.17 mm。
3.5.2 浅基础建筑群房屋基础沉降特性分析
根据实际情况，采取步长L=6 m的盾构掘进模拟工况，Y方向为120 m，右线先掘进60 m，后左右两线同时掘进，这样左右两线就有30个施工步。具体计算步骤如下：
步骤1：平衡地应力，清零位移。
步骤2：右线开挖隧道一环。
步骤3：施加一环衬砌以及注浆层。
步骤4：继续开挖下一环，同时硬化上一环注浆层。
步骤5：右线隧道挖完60 m，左线右线再同步开挖，施工步序同上。
图10，图11分别为测点J1～J4和测点J5～J8随施工过程沉降变化曲线。其中，第5个施工步为右线隧道施工到达第一栋建筑物，第5个～第10个施工步为隧道施工经过第一栋建筑物，第10个～第15个施工步为隧道经过第二栋建筑物。
4 盾构侧穿浅基础建筑群施工控制技术
盾构侧穿浅基础建筑群施工技术措施是一个随机动态平衡过程，为了对盾构侧穿浅基础建筑群的沉降进行有效控制，确保盾构侧穿浅基础建筑群的安全，本文拟将盾构侧穿浅基础建筑群分为3个阶段，并制定相应的沉降控制标准。因浅基础建筑群所涉及到的多为砖混及框架结构，抵抗沉降变形能力储备不足，依据GB 50911—2013城市轨道交通工程监测技术规范和GB 50007—2011建筑地基基础设计规范，确定不同阶段盾构穿越浅基础建筑群的沉降累计变形允许值和每日沉降变形允许值增量。各阶段具体情况如表3所示。
表3 各阶段控制指标及控制措施
盾构侧穿浅基础建筑群施工控制技术是一个随机动态平衡过程，以实际监测数据为依据，结合现场实际情况，根据不同地质、穿越浅基础建筑群不同结构类型对施工参数进行动态调整，以达到人-机-环的高度统一，具体施工控制技术如下：
1)盾构姿态控制：本工程根据掌子面地层情况、隧道曲线和坡度变化以及操作等因素，及时调整盾构机姿态、纠正偏差，盾构机姿态纠正偏差控制在4 mm/环。
2)掘进速度控制：掘进速度应根据刀盘扭矩、推力、地层状况等综合考虑。本工程盾构侧穿浅基础建筑群掘进速度控制在25 mm/min～35 mm/min。
3)土仓压力：一般来说实际土仓压力的设定稍高于理论值，可以有效地控制盾构侧穿浅基础建筑群施工时盾构掌子面土层的隆起量。本工程土仓压力控制在0.18 MPa～0.20 MPa，纠偏范围为±0.1 MPa。
4)出土量：本工程管片内径φ5 400 mm，管片外径φ6 000 mm，最大开挖直径为φ6 250 mm。管片宽度1.5 m/环。φ6 250 mm土压平衡盾构机每环理论出土量：
土方量=π/4×(R2×L)=π/4×(6.252×1.5)=46.02 m3/环。
实际出土量由于地下水作用及渣土松散，要比理论出渣量大。根据广州地区施工经验，渣土的松散系数在1.4～1.5之间，即实际每环出渣量分别在64.43 m3～69.03 m3之间。
5)管片拼装质量：管片拼装严格按照以批准的施工方案进行，通过实际监测数据对方案进行修正，并注意成品的保护。
6)同步注浆：本工程注浆配比如表4所示。
表4 同步注浆浆液配合比
7)二次注浆：当盾构机掘进一定距离后进行二次双液注浆，一般在距离盾尾10环的距离进行注浆密封，将管片与土体之间的空隙用双液浆填充。注浆材料采用水泥水玻璃双液浆。
5 结论
本文以广州市轨道交通4号线南延段工程塘坑站—大涌站区间侧穿浅基础建筑群为依托，采用有限元三维模拟对盾构侧穿浅基础建筑群进行沉降特性分析，并根据沉降特性相应的施工控制技术，具体结论如下：1)基于三维数值软件对盾构侧穿浅基础建筑群进行沉降特性分析，并得到相应的沉降规律。2)将盾构侧穿浅基础建筑群分为3个阶段，并确定不同阶段盾构穿越浅基础建筑群的沉降累计变形允许值和每日沉降变形允许值增量。3)从盾构姿态控制、掘进速度控制、土仓压力、出土量、管片拼装质量、同步注浆、二次注浆7个方面进行具体施工控制技术分析，并针对不同因素提出了具体施工参数，形成了人-机-环高度统一的施工控制技术。
