青岛地铁隧道矿山法下穿限制使用等级建筑物沉降控制技术

王伟

(北京建工土木工程有限公司，北京 100039)

0 引言

随着地铁建设的迅速发展，建设过程中的安全管理已成为全社会关注的焦点之一［1］。尤其在施工过程中遇到下穿建筑物等特殊情况，地质条件及环境情况复杂，施工难度极大［2］。地质条件复杂的青岛地铁一期工程隧道在下穿质量状况各异、结构基础形式多样的建筑群时，建筑物的安全成为决定隧道施工进度和环境安全的关键［3］。地铁矿山法隧道下穿建筑物施工面临着控制建(构)筑物的沉降风险等重要问题［4］。过大的地表沉降会引起地面建筑物的开裂和倾斜。如何预测并在施工中控制地表沉降，保证上部结构的安全是隧道工程建设的重要任务［5］。青岛地铁为上软下硬地层，在采用上下台阶法施工时，对地表建筑物的影响较大。注浆加固技术能够较好地控制建筑物沉降，确保在隧道施工过程中其结构的安全性［6］。

注浆技术作为一种有效的岩土工程施工方法，理论研究远落后于工程应用［7］。超前管棚支护是隧道施工中穿越软弱、破碎围岩的一种有效的加固施工方法［8］。袖阀管广泛应用于不良地层的处理、地基的加固、控制楼房、桥梁、管线等建(构)筑物沉降等［9］。在隧道下穿的建筑物使用等级较差条件下，根据不同围岩种类及对应的建筑物状况，采用不同的注浆加固方式，可保证隧道结构稳定，进而保证建筑物的安全。本文以青岛市地铁一期工程(3号线)太平角公园站—延安三路站区间下穿伊美尔医院段为例，综合采用超前管棚、小导管、袖阀管注浆及帷幕注浆等方法，控制隧道下穿限制使用等级房屋沉降。

1 工程概况

1.1 太延区间隧道与地面建筑物关系

太平角公园站—延安三路站区间线路基本位于香港路下方，横跨太平角四路和太平角六路，长约1 294.9 m，采用矿山法施工。区间从太平角公园站出发，下穿伊美尔整形医院、如家快捷酒店太平角店、湛山路3号居民房、济军一疗理发店和济军一疗口腔科等多栋建筑物后，转到香港路下方，沿香港路向东前行，到达延安三路站。区间隧道与建筑物的位置关系平面见图1。

图1 太延区间下穿房屋段隧道与建筑物平面位置关系示意图Fig.1 Plan sketch showing relationship between tunnel and existing surface buildings

1.2 建筑物状况

伊美尔整形医院建筑物始建于1990年，1996年进行了扩建，大楼为地上3层(局部6层、北侧有一圆形单层)，地下1层，由于地面高差的原因，地上3层和6层间错层1.5 m，该建筑物整体呈三角形布置，三边长分别为56，50，50 m。现该建筑物5，6层部分使用单位为青岛市融商集团有限公司，其余部分使用单位为伊美尔整形医院，产权隶属于青岛市融商集团有限公司。

根据青岛市城建档案馆馆藏的原始设计图纸(1990年10月)和改建装修工程施工图纸(1996年11月)，该建筑物基础形式为毛石条形基础和柱下独立基础。建筑物结构形式为框架砌体混合结构，承重体系复杂，传力体系不明确，抗震验算很难满足国家现行规范的承载力和构造等要求。

材料强度低，其中砌筑砂浆抗压强度推定为0.5 MPa，砖材的强度等级推定为MU10，混凝土强度推定为18.2 MPa。原始设计图纸中地下室墙体为毛石砂浆砌筑，与现场检测所得的普通烧结砖砂浆砌筑不符。

承重墙体裂缝多为斜向裂缝，楼梯间和阳台部位出现贯通水平裂缝，最大长度3 m，最大深度1.5 mm。构造裂缝主要出现在预制楼板与墙和梁的搭接处、墙角搭接处、窗户拐角处、隔墙自身以及与梁的连接处。

伊美尔整形医院安全等级为Csu级，在整个结构中承重墙体出现的贯通裂缝已显著影响到建筑物的结构安全。

建筑物与隧道的垂直位置关系见图2所示。

1.3 工程地质及水文地质情况

本段左线隧道所处地层由上至下分别为:杂(素)填土层、粉质黏土、强风化花岗岩中亚带、强风化花岗岩下亚带和中风化花岗岩层。隧道穿越的地层为强风化花岗岩下亚带、中风化花岗岩层，隧道结构基本位于强风化花岗岩下亚带，围岩级别综合判定为IV级。

本段右线隧道所处地层由上至下分别为:杂(素)填土层、粉质黏土、含砂性黏土、强风化花岗岩中亚带、强风化花岗岩下亚带和中风化花岗岩层。隧道结构穿越强风化花岗岩中亚带、强风化花岗岩下亚带和中风化花岗岩带，围岩级别综合判定为V级。

场地内主要含水地层为第四系填土层、粗砾砂。含水层厚度受地形、地貌影响，差异较大，平均厚度为

2.29 m左右。粗砾砂层条状分布于山前冲洪积坡地，在本区局部分布;第四系填土层受人为因素的制约，分布不均、厚度不一;第四系填土层、粗砾砂层直接覆盖于基岩之上，松散岩类孔隙水与下部的基岩裂隙水有一定的水力联系。

图2 伊美尔医院与区间隧道纵剖面位置关系示意图Fig.2 Profile showing relationship between Emei’er hospital and tunnel

本工作区内强风化带发育厚度最大达10 m，基岩强风化层平均厚度为6 m。据本区间的基岩水文孔抽水试验结果，强、中风化岩层属弱透水层。地下水在基岩中的赋存量较小，迳流条件也差，透水性弱。

为搞清楚房屋基础的地质情况，对伊美尔整形医院房屋基础层进行了现场挖探，挖探情况显示:地基基础处于富水的粉质黏土层中，土层含水量较大。挖探情况如图3所示。

1.4 设计概况

太延区间下穿伊美尔整形医院施工段为隧道K4+ 780.51～+839(长度为58.49 m)。开挖断面尺寸为6.3 m×6.86 m(宽×高)，CD法施工。超前支护采用φ159大管棚+φ42小导管。初期支护为工20钢架@ 0.5 m/榀+φ6.5双层钢筋网@150 mm×150 mm+ 300 mm厚C25喷射混凝土，边墙设置φ22砂浆锚杆，间距1 m×1 m，梅花形布设。区间隧道下穿伊美尔整形医院施工段平面位置及断面形式分别如图4和图5所示。

图3 伊美尔医院基础形式现场探挖情况Fig.3 Exploration cutting to investigate the foundation type of Emei’er hospital

图4 区间下穿伊美尔医院段平面位置示意图Fig.4 Plan sketch showing relationship between Emei’er hospital and tunnel

图5 区间下穿伊美尔医院段设计支护形式断面图(单位:mm)Fig.5 Cross-section of tunnel passing underneath Emei’er hospital(mm)

1.5 沉降控制要求

太延区间下穿伊美尔整形医院，原设计要求建筑物累计沉降不大于30 cm，沉降速率要求小于2 mm/ d，差异沉降要求小于10 mm，爆破振速控制值小于2 cm/s，建筑物监测报警值为设计值的80%。由于伊美尔整形医院属于限制使用等级房屋，需重新调整监测控制值，根据各方几次开会讨论，最终确定，建筑物累计沉降为15 mm，沉降速率为1 mm/d，差异沉降为5 mm，爆破振速在房屋普通段为1 cm/s，房屋加高段与电梯间按0.5 cm/s控制。

2 沉降控制措施

2.1 减震开挖措施

为尽早封闭成环，考虑到设备的操作空间，将CD法调整为台阶法施工。台阶法施工时，上台阶预留核心土开挖。爆破施工采用减震爆破的开挖方式，最大限度地减少爆破震动对建筑物的影响。为保证爆破振速控制在要求范围内，采用高精度雷管起爆。

2.2 超前管棚与小导管施工

根据现场实际边界条件，管棚为φ76超前管棚，拱部150°范围内施作，L=10 m，环向间距0.4 m，纵向间距6.0 m，外插角约18°;超前小导管在拱部150°范围打设，长度为3 m，环向间距0.3 m，纵向间距1.0 m，外插角18°。

根据前期左线施工情况，超前管棚及小导管在左线建筑物未加高段均注水泥浆液。右线施工过程中，根据监测数据，建筑物沉降变化速率较大，达到0.8 mm/d，由于超细水泥具有良好的渗透性与可灌性，因此，在右线建筑物局部加高段与电梯间位置采用600目超细水泥浆液，有效地将沉降速率控制在0.5 mm/d范围内，超前管棚与小导管布置横断面见图6，纵断面见图7。

图6 超前管棚与小导管布置横断面图(单位:mm)Fig.6 Cross-section of tunnel showing layout of pipe roof and forepoling(mm)

图7 超前管棚与小导管布置纵断面图(单位:mm)Fig.7 Longitudinal profile of tunnel showing layout of pipe roof and forepoling(mm)

2.3 袖阀管跟踪注浆

避开超前小导管布置斜向前的袖阀管，初期支护封闭后，向房屋基础持力层下方注浆加固，初期按0.1～0.3 MPa的注浆终压控制。后期累计沉降超过10 mm或房屋差异沉降达到5 mm或沉降速率超过2 mm/d时，进行二次注浆，注浆终压按0.3～0.5 MPa控制，施工过程中结合监测数据经试验进行调整。袖阀管钻孔孔径110 mm，袖阀管管径50 mm，长度6.5 m，环向间距1 m，纵向间距2 m，外插角35～40°。前期注浆试验过程中，曾发生建筑物地下室浆液渗出，引起建筑物权属单位的极度不满，因此，在注浆过程中，要密切监测地面及建筑物的沉降情况，严格控制注浆前后建筑物的单次上抬量不得超过2 mm。袖阀管注浆现场实施情况如下:

1)钻孔。选用XY－100型钻机，针对硬土层和破碎岩层采用风动潜孔锤冲击钻进，该钻机质量轻，利于迁移，并有较高的钻进效率。孔位打设过程如图8所示。

图8 袖阀管孔位打设图Fig.8 Drilling of Soletanche grouting holes

2)安装袖阀管。钻孔至设计深度并采用清水洗孔后，向孔内下入注浆袖阀管。安装袖阀管过程如图9所示。

3)注入套壳料。用PW－150泥浆泵，向孔内注入套壳料，注满为止。套壳料质量配比为水泥∶黏土∶水= 1∶1.5∶2(配方由现场试验最后确定)。套壳料主要用于封闭袖阀管与钻孔孔壁之间的环状空间，防止灌浆时浆液到处流窜，在橡胶套和止浆塞的作用下，迫使在灌浆段范围内挤破套壳料(即开环)而进入地层。

图9 袖阀管安装图Fig.9 Installation of Soletanche grouting pipes

4)开环。套壳料凝固后(10～13 h)，即可开始注浆。灌浆的前期阶段，使用稀浆(或清水)加压开环。在加压过程中，一旦出现压力突降，进浆量剧增，表示已经“开环”。开环后即按配比开始正式注浆。

5)灌浆。采用双栓塞芯管进行灌浆。根据各组注浆参数要求，从孔底由里向外进行注浆，每排孔眼作为一个灌浆段，其段长为 500 mm。注浆液采用P·O 42.5普通硅酸盐水泥，注浆时按先灌入稀浆后灌入浓浆的原则逐渐调整水灰比。

由于前期施工，袖阀管作为常规注浆手段进行沉降控制，在初支封闭后即进行注浆，造成建筑物地下室出现小范围的隆起，并且部分里程段施工偶有掉块现象，根据分析，下穿段本身围岩较差，在经过超前管棚、小导管及袖阀管施工后，反而扰乱了原地层的稳定性，经过讨论研究，在建筑物加高段与电梯间位置，开挖期间仅仅进行打设，暂不注浆，在建筑物沉降发生较明显变化时，再进行跟踪补偿注浆。在该方案实施以后，不仅明显加快了施工进度，同时也提高了建筑物沉降控制的稳定性。

2.4 局部帷幕注浆

通过前期采用超前管棚、小导管及袖阀管注浆，太延区间左线隧道于2014年3月16日顺利贯通，3月29日，在右线隧道即将到达电梯位置时，电梯间局部出现了裂缝，通过对裂缝出现的原因分析，一方面是靠近伊美尔医院的的人防段上部施工过程中引起地层应力重分布产生的差异沉降引起了电梯间的裂缝，另一方面是电梯间与整个建筑物结构未形成整体结构，自身抵抗变形能力较差。针对以上情况，在原注浆措施的基础上，决定在电梯间位置增加局部帷幕注浆加固的措施，加固范围为隧道开挖轮廓线外3 m，注浆材料选用水泥－水玻璃双液浆，注浆顺序按“由外到内、由上到下、间隔跳孔”的原则进行，以达到控域注浆、挤密加固的目的。帷幕注浆孔位布置见图10。

图10 帷幕注浆孔位布置图Fig.10 Layout of curtain grouting holes

3 监测数据变化

下穿伊美尔医院段共布设建筑物沉降监测点11个，其中右线电梯间对应的JC14－1点沉降变化情况最为明显，现以JC14－1点为例，分析建筑物沉降的变化情况。伊美尔医院段建筑物沉降监测布点图见图11。

图11 下穿伊美尔医院段监测布点图Fig.11 Layout of monitoring points

JC14－1点是伊美尔医院电梯间正下方对应的点位，也是整座建筑物沉降变化最大的点位。根据每日监测情况可知，自2014年3月2日开始，该点位沉降变化明显，以平均0.4 mm/d的速率下沉，沉降速率最大达到0.8 mm/d，至3月28日，建筑物累计沉降已达10.74 mm，进而导致电梯间出现裂缝。为保证建筑物安全，3月29日采用局部帷幕注浆墙加固措施以后，沉降速率明显变缓，至帷幕注浆施工完成，累计沉降控制在13 mm以内，满足沉降控制要求。JC14－1点位监测变化曲线见图12。

图12 2014年JC14－1点位监测变化曲线分析图Fig.12 Curve of settlement measured at JC14－1 point in 2014

4 结论与讨论

通过采用超前管棚、小导管、袖阀管注浆及帷幕注浆等方法控制沉降，成功将下穿限制等级建筑物沉降控制在要求的范围内，得到结论如下:

1)针对不同里程段房屋状况，采用不同的沉降控制措施。下穿段开挖均采用控制爆破的方式，下穿伊美尔医院段左线对应建筑物层高较低，仅采用超前管棚与小导管即顺利贯通，右线由于建筑物后加高及增加了电梯间，且电梯间与主楼之间为分离结构，又采用了袖阀管注浆与帷幕注浆进行沉降控制。

2)根据监测数据情况，采取针对性的沉降控制措施，尤其是袖阀管洞内注浆及帷幕注浆，成功穿越右线电梯间结构，在沉降控制值比设计更加严格的基础上，同样控制在要求范围内，结构比较稳定，通过与有关规范对比，认为太延区间下穿伊美尔医院段是安全的。

3)袖阀管注浆在实施过程中，由于建筑物地下室距离隧道拱顶埋深较小，注浆压力极难精确控制，压力达到0.4 MPa即出现地下室地板渗漏浆液的问题，但压力过低，进浆效果较差，作用不明显，选用合适的注浆设备实现注浆过程精细化控制仍需要进一步研究。

［1］ 罗富荣.北京地铁建设安全管理创新研究［J］.都市快轨交通，2009(2):16－19.(LUO Furong.Study on safety management innovation in Beijing subway construction［J］.Urban Rail Transit，2009(2):16－19.(in Chinese))

［2］ 王浩，覃卫民，焦玉勇.浅埋大跨隧道下穿建筑物群的施工期安全风险管理［J］.岩石力学，2010，31(S1):310－316.(WANG Hao，QIN Weimin，JIAO Yuyong.Construction security risk managementforshallow-buried large-span tunnel passing intensive buildings underneath［J］.Rock and Soil Mechanics，2010，31(S1):310－316.(in Chinese))

［3］ 吴涛，孟丹.地铁隧道下穿建筑物安全风险等级模糊综合评价［J］.城市轨道交通研究，2014，17(9):57－61.(WU Tao，MENG Dan.Fuzzy comprehensive evaluation for the risk level of subway tunnel crossing under buildings［J］.Urban Mass Transit，2014，17(9):57－61.(in Chinese))

［4］ 石祥锋，韩延飞，谭萧.地铁隧道下穿建筑物矿山法施工风险控制［J］.土工基础，2005(1):81－85，93.(SHI Xiangfeng，HAN Yanfei，TAN Xiao.Risk control during mine construction of subway tunnel underpass buildings［J］.Soil Engineering and Foundation，2005(1):81－85，93.(in Chinese))

［5］ 贾建波，焦仓，范鹏.天津地铁浅埋暗挖隧道地表变形分析［J］.隧道建设，2006(1):18－20，24.(JIA Jianbo，JIAO Cang，FAN Peng.Analysis of ground deformation for shallow tunnel in Tianjin Metro［J］.Tunnel Construction，2006(1):18－20，24.(in Chinese))

［6］ 康寅，孙付峰，程都，等.注浆加固技术在隧道下穿建筑物过程中的应用［J］.青岛理工大学学报，2013，34(2): 21－26，35.(KANG Yin，SUN Fufeng，CHENG Du，et al.Application of grouting reinforcement technology to protecting building underpassing the tunnel［J］.Journal of Qingdao Technological University，2013，34(2):21－26，35.(in Chinese))

［7］ 吴顺川，金爱兵，高永涛.袖阀管注浆技术改性土体研究及效果评价［J］.岩土力学，2007，28(7):1353－1358.(WU Shunchuan，JIN Aibing，GAO Yongtao.Studies of sleeve-valve-pipe grouting technique and its effect on soil reinforcement［J］.Rock and Soil Mechanics，2007，28(7): 1353－1358.(in Chinese))

［8］ 林希鹤，卢清国，马艳春.超前管棚支护在隧道工程中的应用［J］.铁道建筑，2006(8):58－60.(LIN Xihe，LU Qingguo，MA Yanchun.Application of forepoling pipe-shed to tunnelling［J］.Railway Engineering，2006(8):58－60.(in Chinese))

［9］ 张东，薛洪松，路刚.袖阀管注浆在隧道穿越楼房施工中的应用［J］.建筑技术，2009，40(11):999－1001.(ZHANG Dong，XUE Hongsong，LU Gang.Application of sleeve valve pipe grouting in construction of tunnel crossing building［J］.Architecture Technology，2009，40(11): 999－1001.(in Chinese))