盾構(gòu)過富水砂層對地表建筑物影響的研究①

劉國楠，張遠(yuǎn)榮，肖文海

（中國鐵道科學(xué)研究院深圳研究設(shè)計院，廣東 深圳 518034）

0 前言

在沿海、沿江地區(qū)常遇到地下水量豐富且強(qiáng)透水性的砂層，盾構(gòu)開挖會引起砂層孔隙水快速滲透和砂土屈服變形導(dǎo)致地面沉降。當(dāng)?shù)孛嬗薪ㄖ飼r，建筑物基礎(chǔ)下方的砂層受擾動屈服后，荷載作用促使土體孔壓升高，進(jìn)一步加快孔隙水的滲流，對建筑物地基的影響問題更為突出。研究富水砂層中的盾構(gòu)開挖與地面建筑物沉降的關(guān)系，有助于在工程中合理選取盾構(gòu)施工參數(shù)，指導(dǎo)盾構(gòu)機(jī)施工操作，確定合理的地層預(yù)加固方案。

本文結(jié)合深圳地鐵2號線某工點(diǎn)工程實際，采用流固耦合水土模型和FLAC3D程序，用數(shù)值模擬的方法分析研究富水砂層盾構(gòu)施工對地面建筑物的影響問題。取得的結(jié)果可指導(dǎo)預(yù)加固處理設(shè)計和盾構(gòu)施工。

1 工程實例

深圳地鐵2號線東角頭站至海上世界站區(qū)間，雙線隧道長約1600m，場地原屬于海漫灘地貌，后填海形成陸地，現(xiàn)為城市鬧市區(qū)。該區(qū)間下有厚度8～10m的富水粗砂、礫砂層，地下水位在地面下1 m，水量豐富。地面建筑物密集，以天然地基的多層磚混住宅為主。本文選該區(qū)間的一段進(jìn)行盾構(gòu)施工數(shù)值模擬。

隧道為單圓盾構(gòu)襯砌結(jié)構(gòu)，管片外徑6.0m，厚度0.3m，環(huán)寬1.5m，襯砌分6塊，采用錯縫拼裝。

本文研究段為地面建筑物重點(diǎn)保護(hù)段，布置地面和建筑物沉降監(jiān)測點(diǎn)如圖1所示。

圖1 模擬工點(diǎn)平面圖Fig.1 Layout plane of simulated project.

2 數(shù)值模擬方法

2.1 建立數(shù)值模型

2.1.1 幾何模型

選自東向西里程為ZK4＋340m～＋430段作為本次數(shù)值模擬對象。依據(jù)勘察資料，用FLAC3D軟件建立場地模型［1］，計算模型尺寸和地層構(gòu)造如圖2所示。定義X方向為橫向，Y方向為隧道縱向，Z方向為豎向。

2.1.2 本構(gòu)模型和結(jié)構(gòu)單元

圖2 計算模型Fig.2 Computational model.

巖土體實體單元采用摩爾－庫倫模型；盾構(gòu)開挖的土體單元采用空模型；盾構(gòu)鋼殼采用三維殼體單元；預(yù)制混凝土襯砌管片采用襯砌單元；間隙單元采用軟單元來模擬，其彈性模量定義為10kPa；漿液單元彈性模量隨凝固時間增加取值從1MPa增至40MPa。

分析采用有效應(yīng)力法，并考慮水土的流－固相互作用。假定孔隙水滲流符合達(dá)西定律，可以得出孔隙水滲流的連續(xù)性表達(dá)式［2－3］：

式中：k為土的滲透系數(shù)；t為時間；γw為水的容重。結(jié)合土體運(yùn)動平衡關(guān)系、變形幾何關(guān)系和有效應(yīng)力下的本構(gòu)關(guān)系可推導(dǎo)出位移和孔壓表示的滲流固結(jié)協(xié)調(diào)方程式：

式中：G為砂土的剪切模量；v為泊松比；p為孔隙水壓力；ρ為與飽和度相關(guān)的砂土密度；u、v和w 為單元位移函數(shù)和為單元位移速率函數(shù)。

2.1.3 邊界條件和初始條件

模型底面為不透水邊界且所有節(jié)點(diǎn)固定；模型左側(cè)和右側(cè)約束水平方向運(yùn)動，正面和背面約束縱向運(yùn)動；所有側(cè)面設(shè)定為孔壓不變的透水邊界。場地初始孔隙水壓地下1m為零，以下為靜水壓力。在模型正上方設(shè)定有一座7層樓高的建筑物，基礎(chǔ)面積6m×21m?；A(chǔ)附近應(yīng)力7.5×104Pa。

2.1.4 材料參數(shù)

盾構(gòu)開挖數(shù)值模擬部分材料采用的力學(xué)參數(shù)如 表1所示。

表1 模擬計算參數(shù)

2.2 場地初始模型

在上述模型的基礎(chǔ)上，求解出場地初始模型，此狀態(tài)代表盾構(gòu)施工前的孔壓和場地應(yīng)力狀態(tài)。場地地層的初始孔壓為靜水壓力，從地下1m處0Pa線性增大至3.1×105Pa。圖3是場地初始模型中心橫剖面有效應(yīng)力分布，在建筑基礎(chǔ)下方存在附加應(yīng)力擴(kuò)散形式。

圖3 中心橫剖面有效應(yīng)力Fig.3 Effective stress distribution on the cross profile of model center.

2.3 隧道開挖模擬

對盾構(gòu)開挖施工過程采取分節(jié)的方式模擬計算，每節(jié)開挖并進(jìn)行流－固耦合計算后，通過相關(guān)單元的變更替換來模擬盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)過程。參考盾構(gòu)開挖相關(guān)技術(shù)見文獻(xiàn)［4］，本文模擬盾構(gòu)施工時對不同位置單元節(jié)點(diǎn)施加的主要荷載如圖4、圖5所示。

圖4 盾構(gòu)機(jī)荷載示意圖Fig.4 Sketch of load on the shield.

2.4 模擬結(jié)果對比

圖5 盾構(gòu)機(jī)施加荷載示意圖Fig.5 Sketch of shield applied load.

圖6標(biāo)識了地表沉降計算點(diǎn)、實測點(diǎn)與孔壓計算點(diǎn)位置，其中D1、D2、D3為地表建筑物計算沉降點(diǎn)；H1、H2、H3為地面沉降計算點(diǎn)；106、107為地表建筑觀測點(diǎn)；Y77、Y78為地面沉降實測點(diǎn)；A、B、C、E、F、G為孔壓計算點(diǎn)。

圖6 實測點(diǎn)與計算點(diǎn)位置Fig.6 Position of measuring pionts and calculation points.

D2點(diǎn)在盾構(gòu)施工過程中的沉降發(fā)展過程如圖7中的虛線所示。盾構(gòu)推進(jìn)時，該點(diǎn)先隆起，隆起量約10mm；盾構(gòu)開挖通過時地表開始產(chǎn)生沉降，沉降量約20～30mm；盾構(gòu)離開后，地表沉降趨于穩(wěn)定。該變化規(guī)律與地面實測的沉降基本一致（圖7中實線）。上述對比說明，本文采用的盾構(gòu)施工對地面沉降影響的數(shù)值模擬方法合理可信。

圖7 隧道計算與實測沉降Fig.7 Calculated and observed subsidences on the axis and the across section of the tunnel.

縱剖面上深度6m的B點(diǎn)和深度為10m的F點(diǎn)計算孔壓變化曲線如圖8所示。盾構(gòu)推進(jìn)時，掌子面孔隙水壓力先上升，盾構(gòu)完全通過時，孔隙水壓力消散，隧道管片安裝后，孔隙水壓力逐漸恢復(fù)且趨于穩(wěn)定?？克淼拦绊斘恢迷浇?，孔壓變化越大。

圖8 隧道縱剖面B和F點(diǎn)孔隙水壓力消散變化曲線Fig.8 Calculated pore pressures curves at point B and Fon the axis section of the tunnel.

3 對地表建筑物的影響分析

按圖9所示的天然地基建筑物位于隧道縱向中心線上方、距隧道一倍埋深、距隧道二倍埋深位置三種工況，分別進(jìn)行盾構(gòu)施工影響數(shù)值模擬分析。

取模型中間1／3作為計算域，在計算時選取部分觀測點(diǎn)如圖10所示。

3.1 工況一

盾構(gòu)開挖時隧道中心縱剖面孔壓分布如圖11所示。盾構(gòu)頂推作用使得掌子面前方土體孔壓升高，掌子面排水導(dǎo)致盾構(gòu)上方拱頂土體孔壓下降。

圖9 三種計算工況建筑物位置示意圖Fig.9 Position Sketch of three buildings.

圖10 計算模型觀測點(diǎn)示意圖Fig.10 Sketch of measuring points of model.

圖11 盾構(gòu)開挖時隧道中心縱剖面的孔壓分布圖Fig.11 Pore pressure distribution on the axis profile of the tunnel.

隧道中心縱剖面地表各點(diǎn)沉降變化曲線如圖12所示，從觀測點(diǎn)A6、A11和A16沉降變化曲線可以看出開挖面到達(dá)Y＝45m處時，建筑物基礎(chǔ)先微傾斜；繼續(xù)開挖到過72小時后，即基礎(chǔ)正下方隧道挖掘完成后，建筑物基礎(chǔ)沉降速率加大；經(jīng)過120個小時，即隧道挖掘結(jié)束后，兩端沉降速率變緩，沉降值相近。

隧道開挖后地層產(chǎn)生變形的原因主要有以下幾方面：一是隧道開挖后隧道圍巖應(yīng)力得到一定的釋放，產(chǎn)生徑向收縮，這也是隧道開挖地層損失的重要原因；二是在富水砂層中由于隧道開挖產(chǎn)生開挖失水，砂土中孔隙水壓力減小，有效應(yīng)力增大，導(dǎo)致土骨架被壓縮，發(fā)生整體沉降變形；三是隧道開挖對隧道周邊的土體產(chǎn)生擾動，導(dǎo)致土體承載力下降，土體發(fā)生膨脹、擠密、甚至流動等變形。

圖12 隧道中心縱剖面地表各點(diǎn)沉降曲線Fig.12 Ground settlement curves of some calculation points on the ground surface of axis profile of the tunnel.

如圖13所示，受建筑物基礎(chǔ)附加應(yīng)力的影響，由于基礎(chǔ)下方土體受到擾動和外荷載共同作用導(dǎo)致基礎(chǔ)沉降較大，其沉降量是周邊地面沉降量的7～10倍。基礎(chǔ)下沉和地表土體向中間靠攏。

圖13 模型中心橫剖面豎向位移等值線圖Fig.13 Z－disp.contours in cross section of the tunnel.

3.2 工況二

工況二建筑物基礎(chǔ)位置在隧道右側(cè)斜上方45°方向上，該方向恰是隧道開挖后圍巖剪應(yīng)力主方向，另外基礎(chǔ)荷載產(chǎn)生的剪應(yīng)力主方向在左下方45°方向上。兩個荷載的剪應(yīng)力主方向相向使基礎(chǔ)與隧道之間的土體容易受剪切破壞，塑性破壞區(qū)域甚至貫通。圖14所示該部位的土體橫向和豎向變形較大，由于該部位土體向基礎(chǔ)左下方移動，勢必擠壓基礎(chǔ)左側(cè)土體和隧道正上方土體的向上隆起，這些部位土體的隆起值比右邊土體的隆起值大。因基礎(chǔ)偏離隧道，最大沉降量減小。

3.3 工況三

圖14 模型中心橫剖面橫向位移平面等值線圖Fig.14 X－disp.contours in the cross section of the tunnel.

由于工況三的建筑物基礎(chǔ)偏離隧道較遠(yuǎn)，相比工況一與工況二而言，基礎(chǔ)下方土體受隧道開挖影響較小，基礎(chǔ)附近孔壓變化較小?；A(chǔ)下方土體附近的橫向位移值比工況一大，比工況二小。如圖15所示計算結(jié)果表明基礎(chǔ)豎向最大沉降值約5mm。

圖15 模型中心橫剖面豎向位移平面等值線圖Fig.15 Z－disp.contours in the cross section of the tunnel.

3.4 三種工況下影響比較分析

三種工況下，豎向位移分布規(guī)律的共同點(diǎn)是基礎(chǔ)下方土體沉降隨深度增加沉降逐漸減小，基礎(chǔ)中心的沉降比基礎(chǔ)邊緣的沉降大。

如圖16所示，工況一、工況二及工況三的基礎(chǔ)中心最大沉降分別為22.9mm、7.01mm 和5.3 mm。工況一基礎(chǔ)沉降大，基礎(chǔ)兩側(cè)附近土體隆起值也較大，工況二的基礎(chǔ)左側(cè)附近土體的隆起值比右側(cè)附近土體的隆起值大2～3mm。由于工況三的基礎(chǔ)中心離隧道中心線較遠(yuǎn)，盾構(gòu)開挖對該工況基礎(chǔ)兩側(cè)土體影響較小，基礎(chǔ)兩側(cè)土體隆起值相近，量值較小。

圖16 隧道橫剖面上地表沉降曲線Fig.16 Ground settlements in the cross section of the tunnel.

如圖17所示，工況一基礎(chǔ)中心在隧道中心線的位置上，場地條件對稱，橫向位移量值很小；工況二的基礎(chǔ)在隧道右上斜45°方向上，基礎(chǔ)橫向位移較大，方向指向隧道中心縱剖面；工況三的基礎(chǔ)中心線遠(yuǎn)離隧道中心線，橫向位移介于工況一和工況二之間。

圖17 基礎(chǔ)中心下方地層橫向位移沿深度分布圖Fig.17 Lateral displacement curves with depth under the foundation.

如圖18所示，工況一基礎(chǔ)下方豎向沉降近23 mm，從地下6m開始減小。從地下10m到12m，由于土體受隧道開挖脫空的影響較大，土體豎向位移值逐漸增大。工況二和工況三的基礎(chǔ)下方豎向位移從基礎(chǔ)底部開始逐漸減小，到地下5m處豎向沉降基本穩(wěn)定在2mm以內(nèi)。

圖18 基礎(chǔ)中心下方地層豎向位移沿深度分布圖Fig.18 Vertical displacement curves with depth under the foundation.

4 結(jié)語

根據(jù)深圳地鐵2號線盾構(gòu)過富水砂層施工實例，借鑒相關(guān)文獻(xiàn)［5］盾構(gòu)數(shù)值模擬經(jīng)驗，用FLAC3D建立與工程相符的數(shù)值模型。在相對隧道的三個典型位置上分別設(shè)定同樣的建筑物，比對盾構(gòu)過富水砂層后建筑物受到的影響得到以下結(jié)論：

（1）在富水砂層上的建筑物下穿盾構(gòu)開挖隧道時，由于砂層的強(qiáng)透水性和易液化的特性，建筑物工后沉降明顯，盾構(gòu)開挖過程重點(diǎn)監(jiān)測建筑物下方砂層降水和孔壓變化，沿開挖方向在建筑物上密集布置差異沉降監(jiān)測點(diǎn)。

（2）對于橫向偏離隧道中心一倍隧道埋深的建筑物，工后建筑物水平移動最大，易受剪切破壞，盾構(gòu)開挖下穿時，應(yīng)加強(qiáng)建筑物在垂直隧道開挖方向上的差異沉降和地表的差異沉降的監(jiān)測。

（3）建筑物基礎(chǔ)中心離隧道中心橫向距離超過兩倍隧道埋深時，盾構(gòu)開挖對建筑影響較小，重點(diǎn)監(jiān)測建筑物下方砂層降水即可。

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