可研报告—城际铁路隧道近距离下穿高层建筑影响分析研究

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1、城际铁路矿山法隧道近距离下穿高层建筑修建技术可行性研究报告承担单位：广东珠三角城际轨道交通有限公司合作单位：中铁工程设计咨询集团有限公司2012年3月目 录一、项目概要2二、项目前期科研及工作基础31、国内外研究现状32、前期工作5三、项目研究开发实施方案61、关键问题62、主要研究内容63、技术路线84、技术创新点8四、研究目标及技术经济指标81、研究目标82、技术指标93、经济指标9五、项目研究开发进度9六、项目依托工程情况10七、承担单位及合作（协作）单位概况101、广东珠三角城际轨道交通有限公司102、中铁咨询集团有限公司10八、预期研究成果及形式11九、经济和社会效益评估121、经济

2、效益分析122、社会效益分析12一、项目概要莞惠城际铁路东江隧道新客运南站至西湖站区间位于惠州市，区间起点位于拟建的新客运南站，沿仲恺大道、鹅岭南路、鹅岭北路，穿越惠州西湖，到达拟建的西湖车站，全长约2.6km，为单线双洞隧道，采用矿山法施工其中GDK95+090.0至GDK95+295.0段左右线隧道净距约9m，左线隧道近距离侧穿、右线隧道近距离下穿“畔山豪园” A、B、C、D四栋17至24层的高层建筑，且D栋高层建筑距离南侧新客运南站明挖基坑净距仅为10m。四栋建筑的基础采用柱下独立基础加系梁结构，基础下设置12m长砂浆锚杆，锚杆底至隧道顶最小距离约1.5m，且该隧道埋深1520m。房屋砂

3、浆锚杆的持力层为强风化花岗岩，地基主要为风化花岗岩，局部建筑基础位于粉质黏土地层上。图1.1 隧道与建筑群相对位置关系图1.2 A栋剖面图 图1.3 B栋剖面图图1.4 C栋剖面图 图1.5 D栋剖面图对于建筑基础在风化岩的情况，下穿隧道施工以及近邻基坑施工扰动会破坏地基岩层的整体结构性，影响建筑物天然地基承载力以及砂浆锚杆与岩土体之间的粘结抗拔力；对于建筑基础在软黏土的情况，由于隧道开挖过程中水与软夹层的流失极易引起上覆软土地层发生失水而产生再固结沉降，对地面建筑物的安全造成不利影响；下穿距离将近200m，容易形成连续的下沉区，由于左线隧道侧穿、右线隧道下穿，因此对建筑影响是不对称的，容易导

4、致差异沉降。同时对左线隧道而言，高层建筑荷载的不对称，隧道结构会受到偏压作用，对隧道的受力会也有一定影响；该段矿山法隧道施工中涉及到爆破，会对隧道一定范围内的围岩造成扰动进而引起更大的沉降，并且会对既有建筑物的安全使用带来不利影响。此类问题均是该段隧道下穿高层建筑施工过程中存在的重大风险，为推进珠三角莞惠城际铁路隧道的建设，同时保证周边重要、敏感建筑物的安全，急需对城际铁路隧道近距离下穿对邻近高层建筑物的影响及施工控制措施研究进行科研立项。利用理论分析、数值仿真模拟、现场试验等手段开展隧道开挖自身安全性分析及其对高层建筑物稳定性和抗震性能的影响分析，再结合国内外类似工程处置相关案例的调研资料，

5、提出隧道开挖安全设计以及建筑物安全保护的比选方案，并进行改良方案实施效果的数值仿真及现场试验，最后提出适宜本工程并具推广价值的方案。二、项目前期科研及工作基础1、国内外研究现状1.1 隧道开挖对地面建筑物影响研究现状过去对于隧道开挖引起的建筑物损害的研究工作一般可分为三大类：第一种为经验法，该法基于历史案例的编撰及研究损害与易量测或易定义的参数之间的经验关系；第二种方法考虑了结构工程的原理，以便获得基于所选结构尺寸及材料参数的容许极限沉降，并将推导出的极限值与历史实际案例相对比；第三种方法可总结为数值计算与案例统计损害标准相结合。加拿大Alberta大学土木与环境工程系的ZEsenstein认

6、为城市隧道的最大挑战在于地层稳定性的控制及作为控制设计准则的变形必须处于可容许的地表沉降极限范围内。而城市地表变形的极限值大小取决于地面建筑物的结构类型、结构所处周围环境条件及它们运营的功能要求。由于城市小净距隧道开挖跨度大，埋深浅，一旦控制不当，建筑物极易出现超过极限值的沉降或差异沉降，导致结构出现裂缝甚至破坏。Breth & Chambosse (1974) 和Frischmann 等(1994) 分析了隧道在框架结构和砌体结构建筑物下掘进时引起的地面沉降，发现实测的地面沉降槽宽度比不考虑建筑物刚度时的预测结果宽得多，地面沉降则小得多，指出在预计隧道掘进对建筑物影响时必须考虑建筑物刚度的贡

7、献。Forth & Thorley (1996)观测了一座建在直径2m的挖孔桩基础上的31 层高楼，当两条直径9.7m 隧道从旁掘进时引起的建筑物沉降，靠近隧道处的基础沉降达到12mm，认为沉降的主要原因是地层发生指向隧道的竖向位移导致桩侧摩阻力减小。在爆破技术方面，微差爆破技术于二十世纪30年代被首次采用，以后被逐渐推广开来。Fish.B认为，应用微差爆破的目的是控制爆破振动对周围建筑物的影响，基于两个相差半个周期的地震波叠加可以降低爆破地震的振幅，建议合理的微差时间采用8-25ms。Kotai指出，岩石破坏是爆破波干扰的结果，并强化和相应延长了岩石振动持续时间，考虑到波长和波在岩体内通过的

8、时间，提出合理的微差时间为20ms。 综上所述，隧道开挖对于地表建筑物沉降的影响研究较多，对于地面建筑物对下穿隧道的影响，特别是高层地面建筑物对隧道形成超载、偏载现象所需要的隧道结构补强措施研究较少。特别是近旁基坑开挖先行卸荷，下穿隧道二次卸荷，以及下穿隧道破除围护进入基坑等组合工况对地面建筑物的影响以及对应的施工控制措施等方面鲜有研究。另外，研究方法多集中于理论研究与数值分析，少有通过现场试验对施工效果反演分析优化施工参数的研究案例，因此其分析结果不能很好地与实际情况相结合。1.2 邻近施工时建筑物保护措施研究现状Skempton & MacDonald(1956)，总结和对比了98个例子以

9、确定地表允许的总沉降和差异沉降。认为造成建筑结构产生裂缝的是地表沉降曲线的曲率半径，而不是建筑物的整体变形角，但是变形角易测而曲率半径难得，因而把变形角作为判断损害的标准。文献中没有考虑建筑物长宽比、剪切、弯曲的影响。骆建军等提出建筑物的一般保护和加固措施，根据工程实际情况可以进行地层注浆、隔离桩等措施，严重时可以采用建筑物桩基托换或加固措施。深圳地铁一期工程的老街车站，临近繁华商业区。在老街站工程基坑开挖与其地下连续墙的施工过程中，对附近一栋七层楼地基土体产生扰动引起该楼发生最大达63.87mm的沉降并向基坑方向倾斜。通过采用双层管双栓塞的静压注浆工法进行加固和调整车站施工方案的方法防止了该

10、楼的继续沉降。广州东站燕塘站区间为矿山法隧道，在里程YDK0+386处设置有施工竖井及横通道。由于竖井开挖引起临近建筑沉降严重超限，燕岭大厦C栋宿舍靠近竖井方向最大沉降达到77.3mm。为对周围建筑进行保护，在燕岭大厦C栋周边设置双排袖阀管对燕岭大厦C栋的桩基持力层，进行注浆加固。通过注浆加固，效果明显。可见对于建筑物保护措施方面停留在小面积土体卸荷层面，对于建筑物近邻基坑土体开挖卸荷、下穿隧道施工土体卸荷的大面积复杂土体卸荷时建筑物保护措施鲜有研究，对于上覆软土下卧风化岩地区建筑物天然地基以及砂浆锚杆抗拔桩组合基础形式下建筑物保护措施也亟待进行研究。2、前期工作经过调研、收集和分析国内外相关

11、近接工程（下穿、侧穿及临近）的文献和资料，并已与国内有关高校和科研机构开展技术交流与合作，在消化吸收国内外最新研究成果的基础上，对本工程项目中存在的问题进行分析、交流，并初步制定科研项目实施方案。三、项目研究开发实施方案1、关键问题目前针对隧道及地下工程近接高层建筑物的研究主要集中在隧道开挖对于地表建筑物沉降的影响研究较多，且高层建筑物大都为桩基础，大部分工程都正对地铁小断面隧道。而对于本项目所涉及的城际铁路矿山法隧道施工对高层建筑物基础为天然地基及砂浆锚杆加系梁的影响规律鲜有研究，因此本次研究的研究关键问题为：（1）高层建筑物附加荷载对隧道结构的影响分析及相关隧道设计参数的确定；（2）左右线

12、隧道小间距下穿对地上高层建筑的影响及安全控制措施研究；（3）矿山法隧道震动爆破对地表高层建筑基础的影响分析及控制标准；（3）地上建筑物加固范围的确定及施工关键技术研究2、主要研究内容2.1 上覆软黏土下卧风化岩交互地层中地上建筑物基础安全性控制指标研究调研国内外基坑和隧道开挖引起邻近建筑物基础沉降、差异沉降等变形控制指标以及建筑物基础承载力、桩基粘结抗拔力失效等方面的控制指标，再针对本工程软硬交互变化地质条件下建筑物天然基础、砂浆锚杆加系梁基础结构的特点，提出周边卸载情况下有效反映本工程地上建筑物基础变形及其内部结构受力失效等方面的安全性控制指标及其建议限值。2.2 小间距左右线隧道下穿对地上

13、高层建筑的影响及施工控制措施研究（1）地上建筑物附加荷载对隧道结构的影响及其补强措施研究根据地上建筑物与下穿隧道的相互位置关系，研究建筑物位于隧道正上方、斜上方时超载、偏载等不同附加荷载模式情况下对隧道结构的影响，分区段提出喷射混凝土强度、厚度及钢拱架间距等初期支护参数以及二衬结构参数。（2）爆破施工对建筑物基础的影响及其控制措施研究分析隧道爆破施工时速度、加速度等指标的监测数据，预测本段隧道爆破荷载对建筑物基础砂浆锚杆粘结阻力以及抗拔效果的影响，对比预裂爆破、光面爆破等提出适合本建筑物下穿段的合理爆破方案。（3）隧道施工对地上建筑物的影响及其控制措施研究 在单线隧道开挖工况下，对比中隔壁法与

14、交叉中隔壁等开挖方法，考虑隧道爆破施工控制，研究不同施工方法对建筑物基础砂浆锚杆抗拔锚固力、粘结阻力等的影响规律及其影响程度，研究中隔墙左右合理的分步施工工序以及各开挖步之间的合理错距等。 考虑施工效率、结构稳定与地上建筑物变形，研究合理的拆撑时机、拆撑工序以及二衬施作时机。 在上覆粉质黏土下卧风化花岗岩交叉变化土层中，结合渗流固结理论，分析隧道开挖过程中水与软夹层流失对建筑物变形及其内力的影响，并针对典型工况提出施工控制对策。 基于单线隧道开挖对地上建筑物的影响，研究左右线隧道开挖下穿过程对地上建筑基础影响的叠加效应，重点对比分析左右线隧道并行施工与错距施工对拱顶附近建筑物砂浆锚杆基础内力以

15、及建筑物变形、差异变形的影响，旨在提出左右两线的合理施工错距。 考虑地上建筑物超载、偏载以及小间距左右线隧道施工的相互影响，研究左右线隧道下穿施工时超前预支护形式及其布置角度、间距等施工参数。（4）施工控制方案的优化依据上述建议的施工控制方案与建筑物基础安全性控制指标及其限值，在左右线隧道下穿建筑物施工之前，设置100200m长度的隧道开挖试验段，结合隧道开挖施工对周围风化岩以及软土层应力场、位移场的实际控制效果以及隧道拱顶沉降、洞周收敛变形、支护结构内力的实际变化情况，对岩土层力学参数进行反演分析，进而通过及时调整中隔墙两侧开挖进尺、左右线掌子面错距等施工掘进参数实现对开挖方案的进一步优化，

16、以期在隧道穿越建筑物地段达到施工参数的最佳组合。2.3 地表建筑物加固措施研究根据以上左右线隧道小间距施工以及双重岩土体卸载对地上建筑物变形及其砂浆锚杆基础的影响规律，确定影响程度与影响范围，研究适合于高层建筑砂浆锚杆基础的合理加固措施，以控制基坑施工、隧道施工及大面积岩土体卸荷对地上建筑物变形以及基础承载、砂浆锚杆抗拔等方面的影响。3、技术路线拟通过资料调研、理论分析、现场试验与数值分析等研究手段，对上覆软土下卧风化岩地区城际铁路隧道近距离下穿高层建筑物的修建技术进行研究。总体路线为：先进行资料调研、理论分析，再结合数值模拟实验进行研究，得出初步的结论；在隧道下穿建筑物施工之前设置开挖试验段

17、，以获取隧道开挖、爆破施工对隧道结构以及上覆地层变形与内力影响的监测数据，通过对现场数据进行岩土体力学参数的反演分析，优化后续下穿建筑物隧道施工参数，并进一步对建筑物基础加固措施的设计进行指导，再在施工中用现场试验对初步结论进行校对和补充，得出全面准确的结论。在整个专题研究的过程中，邀请相关专家、学者（或教授）对整个研究过程进行咨询或评估，组织相关研究人员到具有类似工程经验的国家（或地区）进行考察。4、技术创新点本次科研的主要创新点包括：（1）针对高层建筑物位于城际矿山法隧道正上方、斜上方时超载、偏载等不同附加荷载模式情况下对隧道结构的影响进行研究，提出分区段隧道支护参数。（2）针对矿山法隧道

18、爆破相关参数，进行隧道爆破荷载对建筑物基础砂浆锚杆粘结阻力以及抗拔效果的影响研究。（3）小净距城际铁路矿山法隧道施工对高层建筑物的影响研究。四、研究目标及技术经济指标1、研究目标针对城际铁路小间距隧道近接高层建筑物，就隧道开挖自身安全性分析及其对高层建筑物稳定性和抗震性能的影响进行研究，提出隧道开挖安全设计以及高层建筑物安全保护方案，并进行方案实施效果的数值仿真及现场试验研究，最终形成具有推广价值的城际铁路小间距隧道下穿高层建筑物的相关修建技术，以作为本工程的技术指导，以保证隧道结构及高层建筑物的安全，为今后类似工程建设提供参考、积累经验。2、技术指标（1）针对各种不同下穿关系情况下，对高层建

19、筑物附加荷载对矿山法隧道结构的影响进行研究，提出隧道支护及结构的分段设计参数及其他有效的辅助措施。（2）通过隧道爆破施工各项参数对建筑物基础的影响研究，提出适用于本段隧道下穿高层建筑施工的爆破控制指标及方案。（3）提出城际铁路双线小近距矿山法隧道下穿高层建筑物的施工工法、开挖方案及相关控制措施等施工技术。3、经济指标研究提出的各项措施及方案具有降低后续风险投资的经济性。五、项目研究开发进度本次科研项目计划由2012年3月至2014年07月，推进的总体原则是：理论结合实际，在充分学习、吸收国内外类似工程处置相关案例经验及研究成果的基础上，先进行理论分析，再结合数值仿真模拟，在隧道下穿高层建筑施工

20、前进行隧道开挖试验段研究，进行对各项地层力学参数反演分析，获得更为准确的力学参数，以修正数值模拟、指导设计方案的优化，再在施工中用现场试验对初步结论进行校对和补充，得出全面准确的结论。具体推进计划为：1、2012年03月2012年05月，收集文献资料，制定详细研究方案。2、2012年06月2013年01月，主要进行各项案例分析、理论计算、数值模拟等内容主要针对：高层建筑物附加荷载对矿山法隧道结构的影响进行研究；小近距隧道施工对地表高层建筑物基础的影响研究。同时进行隧道前期试验段的开挖研究，对各项地层力学参数进行反演分析，获得更为准确的力学参数，初步修正数值模拟结果。根据上述研究结果，对工点进行

21、优化设计。3、2012年02月2013年04月，制定试验研究大纲，准备现场试验研究工作。4、2013年05月2013年11月，现场试验研究，各项数据监测、处理、分析。5、2013年12月2014年02月，现场试验结果与理论计算结果对比分析进而进行技术总结。6、2014年03月2014年05月，编写研究报告7、2014年06月2014年07月，成果鉴定。六、项目依托工程情况莞惠城际铁路，为珠三角城际轨道交通线网的一部分，为铁道部与广东省共同出资修建并管理的城际客运专线项目。该线由穗莞深城际麻涌站接轨，终点至惠州市惠州大道客运北站，设计时速200km公里。其中东江隧道新客运南站至西湖站区间位于惠州

22、市区，区间起点位于拟建的新客运南站，沿仲恺大道、鹅岭南路、鹅岭北路，穿越惠州西湖，到达拟建的西湖车站，全长约2.6km，为单线双洞隧道，采用矿山法施工GDK95+090.0至GDK95+295.0段左右线隧道净距约9m，左线隧道近距离侧穿、右线隧道近距离下穿“畔山豪园” A、B、C、D四栋17至24层的高层建筑，且D栋高层建筑距离南侧新客运南站明挖基坑净距仅为10m。四栋建筑的基础采用柱下独立基础加系梁结构，基础下设置12m长砂浆锚杆，锚杆底至隧道顶最小距离约1.5m，且该隧道埋深1520m。房屋砂浆锚杆的持力层为强风化花岗岩，地基主要为风化花岗岩，局部建筑基础位于粉质黏土地层上。目前项目依托

23、工程研究段落内隧道还未施工，其余段落已部分进入施工阶段，有利于展开前期试验段工作。七、承担单位及合作（协作）单位概况1、广东珠三角城际轨道交通有限公司本次科研项目中广东珠三角城际轨道交通有限公司为项目承担单位。（补充单位概况）2、中铁咨询集团有限公司 中铁工程设计咨询集团有限公司（简称中铁咨询），前身是铁道部专业设计院，是集工程勘察、设计、咨询、监理、总承包和科研开发于一体的大型综合勘察设计咨询企业，为中国中铁股份有限公司的全资子公司，持有国家颁发的工程勘察综合类甲级、涵盖21个行业的工程设计综合甲级等12项甲级资质。是北京市科学技术委员会认定的高新技术企业，持有有效专利28项，累计主编和参编

24、工程建设国家标准16项（在用5项）、行业标准规范90项（在用26项，正在编制10项），累计编制铁路标准图6884项；所承担的勘察、设计、咨询、科研等项目中获国家级奖项114项，省部级奖项589项；作为主要参加单位完成的“铁路大型养路机械成套装备技术与应用”获国家科技进步二等奖、作为主要参加单位完成的“青藏铁路工程”获国家科技进步特等奖。目前在城际轨道交通领域主要承担的项目为：莞至惠州、广州至清远、惠州至河源、郑州至新郑机场等城际轨道交通项目本次科研项目主要由其下属城市轨道交通设计研究院参与，其隧道及地下工程技术研究中心拥有教授级高级工程师1人，高级工程师20人，工程师55人。在越江隧道、穿越密

25、集建筑群隧道及高速铁路地下车站设计施工技术方面成果显著。在小净距上下重叠盾构隧道、花岗岩风化地层浅埋暗挖隧道、大跨多拱浅埋暗挖隧道、中洞法暗挖地铁车站、NTR新工法暗挖地铁车站、近海淤泥地层修建地下车站等技术上取得了重大突破。主持开展的中洞法暗挖地铁车站设计施工综合技术研究科研课题，经中国铁路工程总公司评审达到国际先进水平；研制开发的一种地铁暗洞支撑组件获国家实用新型发明专利。主持编制时速200公里单线铁路地震区隧道复合式衬砌（双箱）、120km/h单线电化铁路隧道复合式衬砌等十多套铁路隧道标准图，主持编制了铁路隧道喷锚构筑法技术规范等。八、预期研究成果及形式通过对城际铁路隧道及地下工程近接高

26、层建筑物的系统研究，提出隧道开挖安全设计、施工以及高层建筑物安全保护方案，最终形成具有推广价值的城际铁路小间距隧道及地下工程近接高层建筑物的相关修建技术，以作为本工程的技术指导，以确保隧道施工及高层建筑物的安全，为今后类似工程建设提供参考、积累经验。本项目成果将以撰写专题研究报告及在国家（际）级核心刊物发表成果论文的形式体现，包括：（1）以阶段性报告提供各阶段的研究成果；（2）以理论及数值计算分报告、现场测试分报告以及总研究报告的形式，提供最终研究成果。（3）在国内核心期刊或统计源期刊上发表论文23篇。本项目研究所获得的相关成果知识产权归项目承担单位及合作（协作）单位共有。九、经济和社会效益评

27、估1、经济效益分析目前针对此类高层建筑物先期基坑近接开挖影响、后期隧道下穿扰动的情况研究较少，多为单独的影响工程研究。因此在工程的设计、施工过程中缺少科学的技术依据，易造成凭借经验或过于保守，使得投资过大，造成不必要的资源浪费，或因缺乏相关的技术支持，使得工程出现险情，造成后续的后续经济损失。通过本项目系统的研究，据此制定经济、科学、合理的设计、施工方案，减小因城际铁路隧道修建对高层建筑物的影响而引起的相关经济损失，降低该类复杂环境下城市隧道修建的风险，优化工程投资。2、社会效益分析（1）作为下穿高层住宅建筑物的城际铁路隧道工程，其地下工程的施工修建必定对建筑物造成影响，尤其是如若房屋出现沉降裂缝、倾斜甚至倒塌必定影响群众生产、生活，严重情况下甚至会对人民群众的生命财产产生威胁，由此必定会引发社会不稳定因素。因此通过本项目的，提出高层建筑物影响控制措施，为减小隧道修建对高层建筑物的影响提供了科学对策，有助于工程安全、顺利的推进。（2）为在建及规划中的珠三角城际铁路工程及其他类似工程积累经验，提供参考。12