盾構(gòu)隧道建筑物相互作用規(guī)律研究及其施工風(fēng)險(xiǎn)分析

馬笑遇

(杭州市地鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司,杭州 310020)

在地鐵隧道施工中,由于盾構(gòu)法對(duì)隧道周?chē)馏w擾動(dòng)較小,利于地面建(構(gòu))筑物和地下管線的保護(hù),更減小了對(duì)城市秩序的影響,實(shí)現(xiàn)快速、安全、可靠施工目的,因此逐漸成為目前我國(guó)城市地鐵建設(shè)的主要施工方法。然而在杭州、上海等沿海城市,由于地下水位高、土質(zhì)軟弱,工程性能差等不利因素,在采用盾構(gòu)法施工時(shí)一般會(huì)導(dǎo)致地下水位降低,進(jìn)而導(dǎo)致地面沉降過(guò)大,引起地表路面或建筑物的開(kāi)裂,從而會(huì)對(duì)建筑物的使用、甚至安全構(gòu)成威脅[1]。因此在地鐵施工過(guò)程中,必須控制地層的變形以減少地下結(jié)構(gòu)開(kāi)挖對(duì)地表及建筑物造成的影響[2]。

目前,國(guó)內(nèi)外關(guān)于隧道與建筑物相互作用及風(fēng)險(xiǎn)分析方面的研究文獻(xiàn)主要有:

L.T.Chen,H.Gpoulos[3]等人(1999)利用兩階段方法對(duì)隧道施工引起的樁基變形特性進(jìn)行了研究;N.Loganathan,H.G..Poulos[4](2000)利用離心模型試驗(yàn)對(duì)因隧道施工引起的單樁和群樁應(yīng)力與變形特性的影響進(jìn)行了初步研究;Mroueh等[5](2003)采用三維有限元方法模擬了在隧道施工中考慮了建筑物的存在以及忽略了建筑物存在兩種情況下土體的位移;Lee等[6](2005)分析了擬建隧道通過(guò)已經(jīng)構(gòu)建的樁基時(shí)對(duì)樁承載力的影響;劉波,陶龍光等[7](2006)基于沉降預(yù)測(cè)理論及FLAC3D研究了地鐵盾構(gòu)隧道穿越建筑基礎(chǔ)誘發(fā)地層變形的空間效應(yīng)問(wèn)題;馮慧君,范井越等[8](2009)采用FLAC3D對(duì)盾構(gòu)隧道近距離旁穿越地面建筑物進(jìn)行了模擬;但這些研究結(jié)果大都缺少實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證。

自 20世紀(jì) 70年代美國(guó) Einstein.H.H在隧道與地下工程中引入風(fēng)險(xiǎn)分析以來(lái),風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法及風(fēng)險(xiǎn)管理的研究在歐美國(guó)家取得了一定的研究成果。Einstein.H.H曾撰寫(xiě)多篇文獻(xiàn)論述隧道工程風(fēng)險(xiǎn)分析的特點(diǎn)和應(yīng)遵循的理念[9];R.Stuzk等將風(fēng)險(xiǎn)分析技術(shù)應(yīng)用于斯德哥爾摩環(huán)形公路隧道,得到了一些規(guī)律性的結(jié)論[10];此外,我國(guó)黃宏偉、陳龍等學(xué)者也在這方面做了一定的研究[11～13]。

1 工程概況

在建的杭州地鐵 1號(hào)線某盾構(gòu)區(qū)間,線路右線、左線總長(zhǎng)為2478.967m,該盾構(gòu)法隧道穿越房屋段隧道埋深 11.3～8.7m,本區(qū)間最小曲線半徑 400m,隧道最大坡度 25‰,襯砌管片類(lèi)型為鋼筋混凝土管片,外徑6200mm、內(nèi)徑 5500mm,寬度1200mm,厚度 350 mm。該區(qū)間沿線影響范圍內(nèi)共有房屋 25幢,其中下穿 15幢,具體情況如表1所示。

表1 區(qū)間沿線房屋情況

該區(qū)間隧道盾構(gòu)穿越范圍內(nèi)的土層從上到下依次為:①2素填土、②2黏質(zhì)粉土、④2淤泥質(zhì)黏土、⑥2淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土。

2 模型建立

2.1 計(jì)算模型

根據(jù)施工情況說(shuō)明和地質(zhì)資料,采用 FLAC3D建立三維模型,如圖1所示。選取隧道上方 1幢 3層建筑物為研究對(duì)象,基礎(chǔ)類(lèi)型為條形基礎(chǔ),在建立模型時(shí),柱子和梁采用 beam單元。每層活荷載按規(guī)范取值,頂層活荷載為 0.5kPa,其他層活荷載取平均值 2.25 kPa,考慮傳遞到框架梁上的墻體重力,每層樓板面上所加荷載為 4.9kPa。

模擬計(jì)算采用如下假設(shè):(1)地表和各層土均呈均質(zhì)水平層狀分布;(2)忽略地下水的滲透作用,土體本身變形與時(shí)間無(wú)關(guān);(3)土體為各向同性、連續(xù)的彈塑性材料,服從 Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則;(4)建筑物與基礎(chǔ),基礎(chǔ)與土體采用變形協(xié)調(diào)計(jì)算的方法。

2.2 模擬工況

盾構(gòu)隧道掘進(jìn)包括工作面開(kāi)挖、管片環(huán)拼裝和盾尾同步注漿 3個(gè)步驟。盾構(gòu)開(kāi)挖輪廓如圖1所示。注漿材料按典型的雙液注漿考慮,并取最終的彈性模量,注漿層的厚度主要受盾尾空隙的影響,取值為 0.2m。盾構(gòu)區(qū)間管片襯砌外徑 6.2m,厚 0.35m,為 C50鋼筋混凝土,考慮到接頭對(duì)管片襯砌結(jié)構(gòu)的影響,采用剛度折減的方法來(lái)模擬,剛度折減系數(shù)為 0.8。

圖1 盾構(gòu)隧道計(jì)算模型

土體的開(kāi)挖進(jìn)尺為 1.2m(管片幅寬)一循環(huán)。盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)阻力主要有 3部分:機(jī)殼摩阻力、刀盤(pán)灌入阻力和刀盤(pán)開(kāi)口處的土壓力,對(duì)盾構(gòu)機(jī)施加的總推力為三者之和。因?yàn)槎軜?gòu)機(jī)的頂進(jìn)力將對(duì)前方地層損失量和由此產(chǎn)生的地層隆沉起到關(guān)鍵作用,因此在這里根據(jù)計(jì)算選取了12000kN(工法 1)、16000kN(工法2)、20000kN(工法 3)3種不同頂進(jìn)力,來(lái)模擬盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)地層穩(wěn)定性和建筑物變形的影響。

2.3 關(guān)鍵點(diǎn)位移

對(duì)于工法 1、工法 2、工法 3,在施工過(guò)程中一些關(guān)鍵點(diǎn)位移分別如表2所示。

表2 一些關(guān)鍵點(diǎn)的位移 mm

通過(guò)表2中數(shù)據(jù)可知。

(1)先開(kāi)挖隧道對(duì)后開(kāi)挖隧道的沉降也有一定的影響,如工法 1中右線開(kāi)挖和左線開(kāi)挖完后埋深 1.5D(拱頂)最大位移分別為 19.21mm和 25.24mm;二者相差 6.03mm。

(2)不同頂進(jìn)力對(duì)地層沉降影響較大,比如工法1、工法 2和工法 3中,隧道開(kāi)挖完后地表最大沉降值分別為 12.8、8.99mm和 6.56mm。

(3)隨著推力增大,盾構(gòu)機(jī)前方土體在 y方向位移逐漸增大,以工法 1、工法 2和工法 3為例,盾構(gòu)機(jī)推力由 12000kN增加到 16000kN,由 16000kN增加到 20000kN,盾構(gòu)機(jī)前方土體在 y方向的移動(dòng)分別增加了 10.1mm和 19.3mm。

(4)從地表到拱頂,地層沉降逐漸增大,如在工法1中,施工完成后地表、埋深 1D和拱頂處沉降量分別為:12.8、19.56mm和 25.24mm。

(5)從地層沉降和掌子面前方位移這兩個(gè)因素綜合考慮,為了較好地控制前方地層隆沉和地層整體沉降,盾構(gòu)機(jī)頂進(jìn)力施加到 16000kN(即工法 2)較為適宜。

2.4 地層沉降槽及三維沉降曲面

根據(jù)上節(jié)研究成果,在本節(jié)中以工法 2為例,分析隧道開(kāi)挖引起不同深度地層的橫向沉降曲線和開(kāi)挖完地表位移等值線(斷面 y=24)和地表三維沉降規(guī)律,如圖2～圖5所示。

據(jù)圖2和圖5可知。

圖2 地表橫向沉降曲線(右線)

圖3 地表橫向沉降曲線(左線)

圖4 地表沉降等值線

圖5 地表三維沉降曲面

(1)根據(jù)不同深度下地層沉降曲線可以看出,在地表沉降槽的形態(tài)較為緩和,而且分布范圍較大,隨著深度增加(在拱頂以上),沉降槽變得更加陡峭,而且分布范圍變窄。

(2)在右線施工完畢后地表最大沉降達(dá)到 7.1 mm,位于 10m處,橫向影響范圍距中心線約 10～15 m;左線施工完畢后,地表出現(xiàn)兩個(gè)較大的沉降量:8.1 mm和 13.2mm,分別位于 -11m和 +10m處,即隧道左軸線和右軸線附近。由于兩條隧道相距較遠(yuǎn)(22 m),約 3.6D,兩隧道中間沉降較小,施工完成后僅地表沉降約 3.7mm。

(3)通過(guò)地表三維沉降曲面可以非常明顯的看出整個(gè)地表沉降面成雙凹槽的現(xiàn)象,左側(cè)凹槽中心線與左線隧道軸線基本重合,右側(cè)凹槽中線偏離右線隧道軸線左側(cè) 0.7～1.0m,且在建筑物所在位置沉降量要比對(duì)應(yīng)左線位置沉降量大,這表明由于隧道 -土 -建筑三者相互作用,使得建筑物附近地表的沉降受到了建筑物的影響。

(4)在建筑物周?chē)戎稻€比較密集,由于建筑物的整體輪廓與右線隧道成斜交,說(shuō)明在隧道開(kāi)挖過(guò)程中地表沉降曲線受建筑物基礎(chǔ)的影響,改變了其原有的擴(kuò)散狀態(tài)。

2.5 建筑物沉降分析

為了更好地分析盾構(gòu)通過(guò)對(duì)房屋變形的影響,在本節(jié)中選取工法 1和工法 2進(jìn)行分析,以建筑物的 4個(gè)角點(diǎn)(A、B、C和 D)作為沉降分析點(diǎn),分析它們的沉降值隨著盾構(gòu)掘進(jìn)變化的規(guī)律(僅分析右線),如圖6、圖7所示,其中 I區(qū)表示盾構(gòu)尚未到達(dá),Ⅱ區(qū)表示盾構(gòu)正在通過(guò),Ⅲ區(qū)表示盾構(gòu)已經(jīng)穿越了建筑物。

圖6 工法 1建筑物沉降

圖7 工法 2建筑物沉降

根據(jù)計(jì)算可得以下結(jié)論。

(1)由于受到盾構(gòu)機(jī)頂進(jìn)力作用,隨著盾構(gòu)機(jī)臨近建筑物,4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)會(huì)在不同時(shí)間發(fā)生相應(yīng)的隆起,且隨著盾構(gòu)機(jī)切削面的臨近,隆起量逐漸增加,比如在工法 1中 B點(diǎn)和 C點(diǎn)在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)到 13m左右隆起值達(dá)到最大約為 1.3mm,此時(shí)切削面離 B點(diǎn)和C點(diǎn)的距離約為 2D;隨后監(jiān)測(cè)點(diǎn)隆起開(kāi)始逐漸減少,當(dāng)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)到 20m(離 B點(diǎn)、C點(diǎn)約為 0.75D)時(shí),監(jiān)測(cè)點(diǎn)開(kāi)始沉降;當(dāng)盾構(gòu)機(jī)到達(dá)監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí),監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降完成總沉降的 25%左右,當(dāng)盾尾通過(guò)監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí),監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降量約為總沉降的 53%左右,當(dāng)盾尾通過(guò)監(jiān)測(cè)點(diǎn)后 2D時(shí),監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降約為總沉降的 85%。

(2)從圖中可以看出基礎(chǔ)的沉降主要發(fā)生在Ⅱ區(qū)間段內(nèi),而且沉降速度和沉降量均比較大,在Ⅲ區(qū)內(nèi)基礎(chǔ)沉降已經(jīng)基本穩(wěn)定。

(3)不同的頂進(jìn)力對(duì)盾構(gòu)機(jī)前方的土層影響不同,比如工法 1和工法 2的頂進(jìn)力分別為12000kN和16000kN,兩圖中所反映的監(jiān)測(cè)點(diǎn)最大隆起量也不同,分別約為1.2mm和 1.7mm,因此通過(guò)調(diào)整盾構(gòu)機(jī)的頂進(jìn)力可以控制前方土層的隆沉。

(4)盾構(gòu)掘進(jìn)完后,工法 1中 B、A兩點(diǎn)的沉降差為 7.4mm,B、C兩點(diǎn)的沉降差為 1mm;D、C兩點(diǎn)的沉降差為 5mm,D、A兩點(diǎn)的沉降差為 1.4mm。根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》[14]中關(guān)于框架結(jié)構(gòu)沉降差允許值的相關(guān)規(guī)定(表3),按中壓縮土考慮,則[Δ]BA=7.4 mm＜0.002×LBA=0.002×12000=24mm,[Δ]BC=1.0mm＜0.002×LBC=0.002×7900=15.8mm,同理經(jīng)計(jì)算,[Δ]DC和[Δ]DA,以及工法 2中 4個(gè)角點(diǎn)之間的沉降差也均滿(mǎn)足規(guī)范安全要求。

表3 框架結(jié)構(gòu)沉降差允許值 mm

3 數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)比較

3.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

在盾構(gòu)隧道穿越地面建筑物段,在建筑物的 4角設(shè)沉降觀測(cè)點(diǎn)。沿隧道軸線按間距 5m設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),每30m布置一個(gè)監(jiān)測(cè)橫斷面,在此選擇 y=24m監(jiān)測(cè)斷面(即建筑物附近)進(jìn)行分析,以便與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

3.2 預(yù)警值的確定

根據(jù)理論計(jì)算,以及與杭州市房管所取得聯(lián)系,確定以下報(bào)警、警戒值。

(1)報(bào)警值:房屋單次沉降超過(guò) +2～-3mm,累計(jì)沉降 +3～-10mm,差異沉降 5mm;地表 ±3mm/d,累計(jì)沉降 +10～-30mm;

(2)警戒值:地面(房屋)明顯隆起或下沉,房屋出現(xiàn)裂縫等。

3.3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及結(jié)果分析

根據(jù)圖8和圖9數(shù)據(jù)可知:

(1)斷面 y=24m監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值計(jì)算結(jié)果相差最小值為 0.40mm,最大值為 1.5mm,表明數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)較為接近,建筑物監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)也同數(shù)值模擬結(jié)果相差不大,不過(guò)整體值要偏大一些。

(2)盾構(gòu)通過(guò)房屋后,建筑物 4個(gè)角點(diǎn) A、B、C、D的沉降值分別為 3.5、9.3、8.1mm和 4.6mm,房屋和地表的單次沉降值和累計(jì)沉降值均在預(yù)警值范圍內(nèi),只有B點(diǎn)與 A點(diǎn)的差異沉降值約為 5.8mm,超過(guò)了預(yù)警值(5mm)約 0.8mm;同上,根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》[14],4個(gè)角點(diǎn)的沉降差 [Δ]BA=5.8mm＜0.002×LBA=0.002×12000=24mm,[Δ]BC=1.2 mm＜0.002×LBC=0.002×7900=15.8mm,同理經(jīng)計(jì)算,[Δ]DC和[Δ]DA也均滿(mǎn)足規(guī)范安全要求。

(3)根據(jù)盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)前方地層的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知,為了減小盾構(gòu)穿越房屋時(shí)對(duì)房屋的影響,刀盤(pán)前方地層始終保持 0.4～1.2mm的隆起量,數(shù)值模擬結(jié)果表明在盾構(gòu)機(jī)到達(dá)房屋前,監(jiān)測(cè)點(diǎn)的最大隆起值約為1.3mm,與刀盤(pán)前方地層隆沉動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)值較為吻合,實(shí)踐證明,這對(duì)控制房屋沉降起到了很大的作用。

圖8 斷面y=24m地表橫向沉降曲線

圖9 建筑物沉降監(jiān)測(cè)曲線

4 施工風(fēng)險(xiǎn)因素分析及控制措施

4.1 風(fēng)險(xiǎn)因素

針對(duì)該區(qū)間的工程情況,在施工過(guò)程中可能存在以下潛在的施工風(fēng)險(xiǎn)因素:

(1)當(dāng)作用在正面土體的推應(yīng)力大于或小于原始側(cè)向應(yīng)力,都有可能造成盾構(gòu)機(jī)上方地層隆沉,從而造成地層損失;

(2)在盾構(gòu)暫停推進(jìn)中,若推進(jìn)千斤頂漏油回縮而引起盾構(gòu)后退;

(3)土體擠入管片與盾構(gòu)之間的建筑空隙;

(4)盾構(gòu)施工中改變推進(jìn)方向;

(5)管片的變形和隧道的沉降;

(6)隧道同時(shí)切割軟硬不同土性層,易產(chǎn)生的軟弱層超挖、排土過(guò)多引起的地面下沉和盾構(gòu)偏離。

這些風(fēng)險(xiǎn)因素的存在導(dǎo)致了在實(shí)際施工過(guò)程中可能造成的地表沉降過(guò)大,進(jìn)而導(dǎo)致隧道及隧道上方建筑物產(chǎn)生變形甚至開(kāi)裂,對(duì)隧道本身及地表建筑物的安全產(chǎn)生較大影響。

4.2 控制措施

針對(duì)這些存在的風(fēng)險(xiǎn)因素,在實(shí)際施工過(guò)程中主要采取了以下一些措施:

(1)控制好盾構(gòu)姿態(tài),加強(qiáng)出土量和軸線的控制,盡量減小盾構(gòu)糾偏量以減小對(duì)周?chē)馏w的擾動(dòng),確保盾構(gòu)的順利掘進(jìn);

(2)及時(shí)調(diào)整盾構(gòu)施工參數(shù),減少盾構(gòu)的超挖和欠挖,以免造成盾構(gòu)前方地面土體發(fā)生坍塌或隆起,具體參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 盾構(gòu)掘進(jìn)施工參數(shù)

(3)在掘進(jìn)過(guò)程中嚴(yán)格進(jìn)行同步注漿作業(yè),充分填充盾尾后隧道外建筑空隙,以減少隧道周?chē)馏w的水平及垂直位移而引起的地表沉降,具體參數(shù)見(jiàn)表5。

表5 同步注漿參數(shù)

(4)在盾構(gòu)穿越后,為抵制盾構(gòu)通過(guò)后房屋的后期沉降,我們?cè)谙麓┓课荻嗡淼纼?nèi)進(jìn)行了二次注漿,每環(huán) 6個(gè)孔均壓注,具體配合比及注漿壓力如下。

①水泥∶水玻璃∶水 =0.8∶0.04∶1;②注漿壓力:0.3～1.0MPa。

(5)派技術(shù)人員跟班作業(yè),及時(shí)指導(dǎo)、校正掘進(jìn)參數(shù)。

(6)加強(qiáng)監(jiān)測(cè),發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)匯報(bào)、處理。

5 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析主要得出以下結(jié)論。

(1)先開(kāi)挖隧道對(duì)后開(kāi)挖隧道的沉降也有一定的影響,但和兩隧道之間中心距離有較大的關(guān)系,按照單孔隧道設(shè)計(jì)思想設(shè)計(jì)的平行隧道,其合理間距最好大于 0.7D,本文中兩隧道的間距約為 3.6D,因此施工期間相互影響不是很大。

(2)施工完后,整個(gè)地表沉降面出現(xiàn)“雙凹槽”的現(xiàn)象,且由于建筑物的存在,右側(cè)凹槽中線(即沉降較大位置)偏離右線隧道軸線左側(cè)約 0.7～1m。此外,通過(guò)地表沉降等值線也可以發(fā)現(xiàn)建筑物所在區(qū)域等值線較為密集,這主要是由于建筑物的存在改變了其原有的擴(kuò)散狀態(tài)。

(3)根據(jù)建筑物監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)值計(jì)算和監(jiān)測(cè)結(jié)果可發(fā)現(xiàn),地表沉降主要發(fā)生在盾構(gòu)機(jī)前方 1D和后方 2D的范圍內(nèi),其中,盾構(gòu)機(jī)離監(jiān)測(cè)點(diǎn)的距離約為 2D,前方隆起達(dá)到最大,隨后監(jiān)測(cè)點(diǎn)隆起開(kāi)始逐漸減少,當(dāng)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)到距離監(jiān)測(cè)點(diǎn)約 0.75D時(shí),監(jiān)測(cè)點(diǎn)開(kāi)始沉降;當(dāng)盾構(gòu)機(jī)到、通過(guò)和離開(kāi)監(jiān)測(cè)點(diǎn) 2D時(shí),監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降占總沉降的比例分別為 25%、53%和 85%左右。

(4)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工情況可知,及時(shí)調(diào)整盾構(gòu)施工參數(shù)、同步注漿參數(shù),并對(duì)下穿房屋段隧道內(nèi)進(jìn)行了二次注漿,可以較好地控制地層沉降和建筑物變形。

(5)隧道穿越房屋施工是一個(gè)復(fù)雜的三維過(guò)程,但是通過(guò)建立合理的結(jié)構(gòu) -土體 -隧道模型,還是可以較好地預(yù)測(cè)隧道施工周?chē)貙雍袜徑ㄖ锏挠绊?并且可以為現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工提供一些預(yù)測(cè)性的建議;此外,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反饋分析,及時(shí)調(diào)整施工參數(shù)和采取一些預(yù)加固措施,可以將施工風(fēng)險(xiǎn)降到最小。

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