寧波軌道交通盾構(gòu)法施工對近接建筑物的影響分析

鄒毅松，劉 斌，王小軍

(1.重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，重慶 400074;2.浙江大學(xué)寧波理工學(xué)院，浙江寧波 315100)

0 引言

我國沿海軟土地區(qū)城市軌道交通擬建線路周邊建筑物眾多，采用盾構(gòu)法施工必然導(dǎo)致周邊土體擾動，可能在較短時間內(nèi)引起地層較大變形，進(jìn)而對建筑物基礎(chǔ)及其上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生危害。

目前盾構(gòu)法隧道施工對近接建筑物的影響研究主要采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測相結(jié)合的方法。Jenck等［1］運(yùn)用FLAC3D對鄰近建筑物盾構(gòu)施工進(jìn)行了數(shù)值模擬，采用簡化模擬過程并考慮地層損失，結(jié)果表明建筑物存在區(qū)域地面沉降有明顯變化。廖少明等［2］指出盾構(gòu)殼體對建筑物的影響遠(yuǎn)大于盾構(gòu)正面推進(jìn)壓力的影響，而且其影響具有滯后性和波動性。夏元友等［3］模擬分析了盾構(gòu)隧道穿越一般地層和群樁基礎(chǔ)兩種工況下建筑物的位移，指出群樁作用下結(jié)構(gòu)安全度有降低趨勢。張明聚等［4］采用FLAC3D有限差分軟件對不同地質(zhì)條件下盾構(gòu)隧道下穿建筑物進(jìn)行模擬，指出雙線隧道分別通過建筑物時基礎(chǔ)沉降迅速增加，有二次沉降規(guī)律。丁智等［5］指出對盾構(gòu)隧道施工鄰近建筑物的研究必須綜合考慮隧道、土體和建筑物三者之間的關(guān)系。

本文利用ANSYS軟件建立二維有限元模型［5］，模擬了建筑物至隧道軸線的水平距離和盾構(gòu)隧道埋深這兩個因素的改變對近接建筑物的影響，并考慮建筑物基礎(chǔ)形式的不同，研究該地區(qū)特殊地質(zhì)條件下盾構(gòu)隧道施工對鄰近建筑物沉降的影響。

1 工程概況

寧波軌道交通擬建1號線、2號線工程地域?qū)贈_湖積平原，上部軟土層厚16.4～29.7m。盾構(gòu)區(qū)間隧道場地的土層從上到下有:①雜填土，雜色，松散～稍密～中密;②粘土，灰黃色，可塑;③淤泥質(zhì)粘土，灰色，流塑;④粘質(zhì)粉土，灰色，稍硬;⑤粘土，灰色，軟塑;⑥粉質(zhì)粘土，灰黃色、褐黃色，可塑狀;⑦砂質(zhì)粉土，灰色，中密，飽和;⑧粉質(zhì)粘土，灰色，軟塑。場地土層的物理力學(xué)參數(shù)見表1。

區(qū)間盾構(gòu)線路穿過寧波主城區(qū)，沿線分布有大量建筑物，結(jié)構(gòu)形式有磚混、框架及磚木混合結(jié)構(gòu)等，淺基礎(chǔ)多為條形基礎(chǔ)，樁基礎(chǔ)有預(yù)應(yīng)力管樁、沉管灌注樁等，樁長12～48m。隧道內(nèi)襯結(jié)構(gòu)采用預(yù)制圓形管片，內(nèi)徑 5.5m，外徑 6.2m，管片厚度0.35m，環(huán)寬1.2m。

2 有限元分析模擬

2.1 參數(shù)建立

土體采用基于Mohr-Coulomb準(zhǔn)則的D—P彈塑性本構(gòu)關(guān)系，采用平面4節(jié)點實體單元plane42及平面應(yīng)變模式。隧道襯砌采用beam3梁單元，厚度0.35m，按線彈性材料考慮，考慮剛度折減系數(shù)85%［5］，彈性模量為28.5GPa，重度25.0kN/m3，泊松比 0.2。

表1 土層物理力學(xué)指標(biāo)

淺基礎(chǔ)為剛性基礎(chǔ)，采用平面4節(jié)點單元模擬，基礎(chǔ)埋深2m，長度為8m，采用C20混凝土，彈性模量取 25.5GPa，泊松比 0.2，重度 25kN/m3。樁基礎(chǔ)樁徑800mm，樁間距1.2m，樁頂標(biāo)高－2m，材料參數(shù)同條形基礎(chǔ)。建筑物上部結(jié)構(gòu)采用等效荷載替換方法［5］，采用平面4節(jié)點單元來模擬。

2.2 模擬步驟

利用ANSYS單元生死操作模擬盾構(gòu)土體開挖及襯砌支護(hù):首先殺死襯砌單元，施加重力荷載，得到存在建筑物工況下的初始應(yīng)力場;然后殺死核心土體單元，激活襯砌單元，釋放節(jié)點力，得到隧道開挖后對建筑物的影響，并減去前期自重影響，分析建筑物基礎(chǔ)的沉降變形特性。

2.3 模型建立

為減少邊界效應(yīng)，模型水平方向(x方向)取100m，豎直方向(y方向)取50m。模型地表為自由面，底部豎向約束，側(cè)面水平向約束。模型土層劃分及隧道與建筑物的關(guān)系如圖1所示，圖中H為盾構(gòu)隧道拱頂至地表的豎直距離，m;L為建筑物基礎(chǔ)至隧道軸線的水平凈距，m。

圖1 兩種基礎(chǔ)類型建筑物與盾構(gòu)隧道幾何關(guān)系

根據(jù)寧波盾構(gòu)區(qū)間工程特點，為模擬不同工況下盾構(gòu)隧道施工對建筑物的影響，參數(shù)設(shè)定如下:

1)H分別取13、17、23m;

2)L分別取0、4、8、12m;

3)樁長分別取12、20、30m。

3 有限元分析計算結(jié)果

3.1 隧道正下方穿越建筑物

按5種工況，研究建筑物基礎(chǔ)底面至盾構(gòu)隧道拱頂?shù)呢Q直距離對建筑物的影響:①改變埋深H，盾構(gòu)隧道正下方穿越淺基礎(chǔ);②埋深H=23m，盾構(gòu)隧道正下方穿越樁基礎(chǔ)，樁長分別取12m、20m。不同埋深時隧道下穿淺基礎(chǔ)的豎向位移分別見圖2中a)、b)、c)。隧道下穿不同樁長樁基礎(chǔ)的豎向位移分別見圖3中a)、b)。

不同工況下盾構(gòu)下穿基礎(chǔ)的最大沉降量如表2所示。分析可知，盾構(gòu)隧道下穿淺基礎(chǔ)時，工況3的最大沉降量為15.7mm，工況1的最大沉降量為29.4mm，淺埋隧道施工比深埋隧道的影響更大。盾構(gòu)隧道下穿樁基礎(chǔ)時，工況4的最大沉降量為43.8mm，工況5最大沉降量為99.4mm，建筑物樁基礎(chǔ)底面至盾構(gòu)隧道拱頂?shù)呢Q直距離越小，受施工擾動程度越大。

圖2 盾構(gòu)隧道不同埋深時淺基礎(chǔ)模型地層豎向位移(單位:m)

圖3 不同樁長時樁基礎(chǔ)模型地層豎向位移(單位:m)

表2 隧道正下方穿越基礎(chǔ)時基礎(chǔ)最大沉降量和傾斜率

3.2 水平位置的改變對建筑物沉降的影響

為研究水平凈距L的影響，將盾構(gòu)隧道埋深設(shè)為23m，樁基礎(chǔ)的樁長取20m。不同L情況下淺基礎(chǔ)和樁基礎(chǔ)上邊緣(y=0)的豎向位移曲線分別如圖4、圖5所示。

圖4 淺基礎(chǔ)沉降曲線

圖5 樁基礎(chǔ)沉降曲線

由圖4、圖5可知:在地層分布和盾構(gòu)埋深一定的情況下，建筑物基礎(chǔ)至盾構(gòu)軸線的水平凈距越小，基礎(chǔ)沉降越大。例如，L=0m時淺基礎(chǔ)的最大沉降量為24.9mm。隨著L的增大，淺基礎(chǔ)的沉降量和傾斜都逐漸減小。當(dāng)L=12m時，淺基礎(chǔ)最大沉降量為9.2mm。盾構(gòu)隧道穿越樁基礎(chǔ)時，不同水平凈距 L的樁基礎(chǔ)最大沉降量分別為62.5、22.5、5.8、0.8mm。

3.3 盾構(gòu)隧道側(cè)面穿越不同樁長樁基礎(chǔ)

圖6為盾構(gòu)埋深H=23m、水平距離L=4m情況下，隧道側(cè)面穿越不同樁長樁基礎(chǔ)時，靠近隧道一側(cè)的樁基軸心點的水平位移曲線。從圖中可以看出，12m長樁和20m長樁發(fā)生整體傾斜，30m長樁發(fā)生彎曲變形。

圖6 樁基礎(chǔ)水平位移曲線

隧道開挖引起周圍土體水平側(cè)移，導(dǎo)致樁土壓力減小，樁被動發(fā)生側(cè)向移動，即樁身側(cè)移與周邊土體側(cè)向位移有密切關(guān)系。樁身位移會導(dǎo)致樁內(nèi)力重分布，使樁承受一定的彎矩，而建筑物樁基礎(chǔ)設(shè)計上主要承擔(dān)豎向荷載，彎矩作用下可能會導(dǎo)致樁身混凝土開裂，影響樁承載性能。

4 實測結(jié)果分析

4.1 雙線盾構(gòu)施工對建筑物變形的影響

雙線隧道施工對鄰近建筑物會產(chǎn)生二次擾動影響。2號線櫟社新村站～鄞州大道站區(qū)間盾構(gòu)隧道雙線下穿磊緣制衣廠和櫟社毛紡廠辦公樓。磊緣制衣廠為條形基礎(chǔ)，基礎(chǔ)埋深約1.2m。櫟社毛紡廠為沉管灌注樁，樁長13.7～17.4m。建筑物測點布置形式及與盾構(gòu)隧道的位置關(guān)系如圖7所示。隧道埋深約22.3m，左線先開挖，右線后開挖。隧道主要穿越⑤2粘土層。

磊緣制衣廠各測點的累計沉降時程曲線如圖8 a)所示。從圖中可看出，建筑物靠近隧道一側(cè)的J92—J95測點在雙線通過后其有明顯的二次沉降特征。左線穿過建筑物后測點最大沉降量為10.7 mm，右線再次穿過后測點最大沉降量為25.87mm，二次擾動加大了建筑物靠近隧道一側(cè)的豎向位移。

建筑物J96—J99測點由于距離隧道較遠(yuǎn)，其受二次施工擾動的程度較輕，甚至有所緩減。因此，盾構(gòu)隧道下穿建筑物時建筑物的橫向傾斜和縱向傾斜變化規(guī)律有著很大差異，分別如圖8b)、c)所示。橫向傾斜變化規(guī)律與靠近隧道一側(cè)測點的沉降變化規(guī)律較相似，而縱向傾斜變化較平穩(wěn)，維持在±0.4‰范圍以內(nèi)。

圖7 測點布置

圖8 磊緣制衣廠測點歷時變化

雙線通過磊緣制衣廠和櫟社毛紡廠后，建筑物變形情況如表3所示。由表3分析可知:

1)盾構(gòu)正下方穿越建筑物時，樁基礎(chǔ)建筑物最大沉降值和傾斜率比淺基礎(chǔ)建筑物大。例如毛紡廠辦公樓最大沉降值為30.99mm，橫向最大傾斜率為2.08‰，制衣廠最大沉降值為25.87mm，橫向最大傾斜率為0.51‰，這主要是因為毛紡廠辦公樓樁基底至隧道拱頂?shù)呢Q直距離僅1.2m，受盾構(gòu)施工擾動大，且樁基礎(chǔ)受擾動后對不均勻沉降更加敏感。

2)盾構(gòu)雙線隧道與建筑物的平面位置關(guān)系決定其對建筑物二次擾動的程度，正下方穿越比側(cè)面穿越影響大。

3)右線再次通過建筑物時，建筑物各測點的沉降均有所增加，二次沉降占總沉降的45% ～78%。

表3 雙線對建筑物的影響

4.2 不同工況下建筑物沉降分析

寧波軌道交通盾構(gòu)區(qū)間隧道側(cè)面穿越鄰近建筑物結(jié)果如表4所示。分析可知:

1)盾構(gòu)隧道側(cè)面穿越建筑物時，建筑物至隧道軸線的水平距離越小，受施工影響程度越高。

2)奧索蘭大酒店為沉管灌注樁基礎(chǔ)，其沉降最大為27.37mm，東方希望公司為水泥攪拌樁基礎(chǔ)，沉降只有3.59mm，這表明隧道埋深11～12m時，離線路中心23m范圍以內(nèi)的樁基礎(chǔ)受隧道施工的影響仍然很大。

3)大豐混凝土公司為淺基礎(chǔ)但傾斜最大，這主要由于該建筑物橫向長度為6.2m，縱向長度為10.3m，占地面積較小，當(dāng)盾構(gòu)隧道通過時該建筑物對地層不均勻沉降很敏感。

表4 不同工況下建筑物測點最大沉降量和傾斜率

5 結(jié)論

數(shù)值模擬表明:

1)盾構(gòu)隧道正下方穿越淺基礎(chǔ)建筑物時，基礎(chǔ)底面至隧道拱頂?shù)呢Q直距離越小，建筑物沉降受隧道施工影響越大;盾構(gòu)側(cè)面穿越淺基礎(chǔ)建筑物時，在地層分布和盾構(gòu)埋深一定的情況下，淺基礎(chǔ)至隧道軸線的水平凈距L越小，基礎(chǔ)沉降越大。

2)盾構(gòu)隧道正下方穿越樁基礎(chǔ)建筑物時，樁基底面至隧道拱頂?shù)呢Q直距離越小，建筑物沉降受隧道施工影響越大;盾構(gòu)側(cè)面穿越樁基礎(chǔ)建筑物時，樁長和隧道埋深一定的情況下，樁基礎(chǔ)至隧道軸線的水平凈距L越小，基礎(chǔ)沉降越大;盾構(gòu)隧道側(cè)面穿越不同樁長樁基礎(chǔ)時，樁身側(cè)移與周邊土體側(cè)向位移有密切關(guān)系。

現(xiàn)場監(jiān)測表明:二次擾動使建筑物的豎向位移有所增加，占總沉降的45% ～78%;建筑物橫向傾斜率的變化規(guī)律與縱向傾斜率的變化規(guī)律有很大差異;雙線盾構(gòu)隧道與建筑物的平面位置關(guān)系決定其對建筑物二次擾動的程度，盾構(gòu)隧道正下方穿越比側(cè)面穿越影響大。

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