復(fù)合地層TBM隧道開挖對地表及建筑物的影響分析

趙志崗,張 通,李樹光,吳燕開,李鎖在

(1.中鐵三局集團第四工程有限公司,北京 102300;2.山東科技大學土木工程與建筑學院,山東 青島 266590)

1 工程概況

青島地鐵2號線一期調(diào)整段工程線路長度約3.9 km,共四站三區(qū)間,線路起于市南區(qū)輪渡站,終止于市北區(qū)泰山路站,地質(zhì)情況屬于典型的上軟下硬土層,上部軟土層厚0.30～29.60 m。本模型隧道的土層從上到下有:①1雜填土,厚度8 m,褐黃色,稍濕,松散～稍密;上強風化花崗巖上亞帶,厚度3 m,褐黃色,節(jié)理密集發(fā)育,為極破碎的極軟巖;下強風化花崗巖下亞帶,厚度6 m,黃褐色,節(jié)理裂隙密集發(fā)育,為極破碎的軟巖;中等風化粗?；◢弾r,厚度5 m,肉紅色,節(jié)理裂隙很發(fā)育,屬于較破碎的較軟巖;微風化粗粒花崗巖,厚度48 m,肉紅色,節(jié)理裂隙發(fā)育,屬較完整的較硬～堅硬巖。

本線路下穿廠房、學校、高架橋、商鋪、居民樓等建筑物,結(jié)構(gòu)類型有磚混、框架等,建筑物基礎(chǔ)類型形式復(fù)雜多樣有條形基礎(chǔ)、獨立基礎(chǔ)、樁基礎(chǔ)等。隧道開挖形式為雙護盾TBM機進行開挖,隧道洞徑6.3 m,隧道襯砌采用外徑為6 m的預(yù)制混凝土管片,厚為0.3 m,每環(huán)寬1.5 m。

2 數(shù)值模擬

2.1 模型參數(shù)

為了簡化計算,采用平面應(yīng)變問題來解決實際工程中非常復(fù)雜的隧道與建筑物之間的關(guān)系。為了更好的接近實際工程,采用了青島地鐵2號線西延段的地質(zhì)勘查數(shù)據(jù),土體采用摩爾—庫倫本構(gòu)模型,并且采用軟化模量法進行模量折減40%,來模擬應(yīng)力的釋放,采用平面4節(jié)點單元。管片的厚度為0.3 m,單元類型為實體單元,屬于線彈性材料。注漿層的厚度為0.15 m,單元類型為實體單元,屬于線彈性材料,采用不同的彈性模量模擬其硬化。建筑物為6層的梁柱體系,基礎(chǔ)類型為條形基礎(chǔ)、獨立基礎(chǔ)和樁基礎(chǔ),條形基礎(chǔ)埋深2 m、獨立基礎(chǔ)埋深2 m,樁基礎(chǔ)埋深9 m,單元類型為4節(jié)點實體單元,活荷載按規(guī)范取值,將其施加于梁柱上。具體參數(shù)見表。

表1 材料物理力學參數(shù)

2.2 模型建立

為消除邊界效應(yīng),依據(jù)圣維南原理,將該模型水平x方向的尺寸取100 m,豎直y方向尺寸取70 m。由于隧道中部變形影響較大,故采取加密網(wǎng)格處理。該模型上表面為自由邊界,不做約束,左右兩側(cè)約束其法向位移,底部為固定邊界,限制水平和豎向位移。

2.3 模擬步驟

(1)使用Model change技術(shù)先禁用襯砌結(jié)構(gòu)并且對土體和建筑物進行地應(yīng)力平衡操作;(2)禁用左隧道需要開挖的土體,釋放土體應(yīng)力;(3)激活左隧道的管片單元;(4)激活左隧道的注漿層單元;(5)左隧道的注漿層硬化。(6)禁用右隧道需要開挖的土體,釋放土體應(yīng)力;(7)激活右隧道的管片單元;(8)激活右隧道的注漿層單元;(9)右隧道的注漿層硬化。

2.4 模擬工況

工況1:水平距離S為0D、1D、2D、3D、4D的條形基礎(chǔ)、獨立基礎(chǔ)和樁基礎(chǔ)建筑物對地表的影響;

工況2:隧道埋深H為10、15、20、25、30、35、40 m時不同基礎(chǔ)建筑物存在時地表的變形;

工況3:隧道間距L為10、12、14、16、18、20、22 m時不同基礎(chǔ)建筑物存在時地表的變形;

工況4:水平距離S為0D、1D、2D、3D、4D的條形基礎(chǔ)、獨立基礎(chǔ)和樁基礎(chǔ)建筑物的變形;

工況5:隧道埋深H為10、15、20、25、30、35、40 m 時條形基礎(chǔ)、獨立基礎(chǔ)和樁基礎(chǔ)的建筑物的變形;

工況6:隧道間距L為10、12、14、16、18、20、22 m 時條形基礎(chǔ)、獨立基礎(chǔ)和樁基礎(chǔ)的建筑物的變形。

3 結(jié)果分析

3.1 隧道開挖對地表的影響

(1)建筑物不同位置對地表的影響

本工程隧道埋深H為25 m,隧道間距L為16 m,分別分析無建筑物和建筑物軸線與隧道軸線水平距離S為0D、1D、2D、3D、4D時的地表的變形,得出不同水平距離S下不同基礎(chǔ)類型的建筑物的地表沉降對比曲線,如圖3所示。

圖1 建筑物不同位置時的地表沉降曲線

圖2 不同隧道埋深下的地表沉降曲線

圖3 不同隧道間距下的地表沉降曲線

由圖3可知,當無建筑物時,地表沉降曲線呈現(xiàn)軸對稱分布。當建筑物存在時,地表沉降值明顯增大,當水平距離S為0D時,在建筑物存在區(qū)域,沉降值明顯增大,但基本一致,呈現(xiàn)出整體下降的趨勢,對于建筑物的破壞較小。當水平距離S為1D時,建筑物基本位于右線隧道正上方,此時地表沉降曲線不在呈現(xiàn)出軸對稱分布,獨立基礎(chǔ)的建筑物與樁基礎(chǔ)的建筑物出現(xiàn)傾斜,并且沉降差較大,距離隧道軸線較近的一側(cè),即建筑物左側(cè)柱子處,沉降值較大,右側(cè)柱子處沉降值較小,這種情況下極易導致建筑物出現(xiàn)裂縫。條形基礎(chǔ)的建筑物存在處的地表,較S=0D時,出現(xiàn)整體向右偏移,但依舊為整體沉降。當水平距離S為2D時,此時建筑物中線位于右線隧道稍偏右,獨立基礎(chǔ)、條形基礎(chǔ)與樁基礎(chǔ)的建筑物地表沉降曲線均呈現(xiàn)出傾斜,距離隧道近的一側(cè)沉降值較大。當水平距離S為3D時,此時建筑物的沉降差進一步縮小。當水平距離S為4D時,此時建筑物已經(jīng)遠離隧道,三種基礎(chǔ)類型的建筑物的地表沉降曲線與無建筑物時相接近,建筑物的沉降差幾乎可以忽略,表明隧道開挖對地表的影響較小。

由圖1還可以得出,當S接近0D時,此時建筑物位于隧道正上方,雖然沉降值較大,但是建筑物是整體沉降,建筑物不會產(chǎn)生傾斜開裂;當1≤S≤4時,此時建筑物容易產(chǎn)生不均勻沉降,導致建筑物傾斜開裂;當S>4D時,此時隧道開挖對地表的影響較小。

(2)隧道埋深對地表的影響

本工程隧道間距為16 m,建筑物水平距離S為0D,分別分析TBM埋深為10、15、20、25、30、35、40 m時的地表的變形,取獨立基礎(chǔ)、條形基礎(chǔ)和樁基礎(chǔ)下地表沉降曲線如圖2所示。

由圖2可知,當隧道埋深由10 m增加到15、20、25、30、35、40 m過程中,獨立基礎(chǔ)的最大沉降值由20.66 mm變化到6.09、0.29、0.24、0.25、0.24、0.24 mm;條形基礎(chǔ)的最大沉降值由22.52 mm變化到6.81、0.30、0.26、0.27、0.27、0.28 mm;樁基礎(chǔ)的最大沉降值由21.57 mm變化到9.16、0.37、0.30、0.31、0.31、0.30 mm,可以看出當隧道埋深變大后,地表沉降值逐漸減小,但是隧道埋深過大時,地表沉降值基本不變。由于強風化和中風化花崗巖強度較低,當隧道埋深在10～20 m之間時,隧道開挖導致的地表沉降值較大,并且建筑物基礎(chǔ)形式為條形基礎(chǔ)時的地表沉降值大于樁基礎(chǔ)大于獨立基礎(chǔ)。并且由圖中可以明顯看出,當隧道埋深較淺時,獨立基礎(chǔ)和條形基礎(chǔ)時的地表沉降曲線呈現(xiàn)“U”形,而樁基礎(chǔ)時的地表沉降曲線呈現(xiàn)“W”形,這是因為由于隧道埋深較淺,并且建筑物位于隧道正上方,隧道與兩側(cè)樁基礎(chǔ)之間垂直距離較近,由于建筑物的自重和樁基礎(chǔ)的持力層減弱,導致兩側(cè)樁基礎(chǔ)的地表沉降值較大。

(3)隧道間距對地表的影響

本工程隧道埋深H為25 m,建筑物水平距離S為0D,取隧道間距L為10、12、14、16、18、20、22 m七種工況分別進行分析,得到獨立基礎(chǔ)、條形基礎(chǔ)和樁基礎(chǔ)下地表沉降曲線如圖3所示。

由圖3可知,當隧道間距由10 m增加到12、14、16、18、20、22 m過程中,獨立基礎(chǔ)的最大沉降值由0.31 mm變化到0.29、0.26、0.24、0.23、0.22、0.21 mm;條形基礎(chǔ)的最大沉降值由0.31 mm變化到0.30、0.28、0.26、0.25、0.23、0.22 mm;樁基礎(chǔ)的最大沉降值由0.38 mm變化到0.36、0.33、0.30、0.28、0.27、0.25 mm,可以看出當隧道間距變大后,地表沉降值逐漸減小,但由圖中也可以看出當間距變大后,建筑物基礎(chǔ)范圍以外區(qū)域沉降值變大?；A(chǔ)形式對于地表沉降的影響為:在隧道間距的增大過程中,建筑物為樁基礎(chǔ)時,地表沉降值最大,獨立基礎(chǔ)與條形基礎(chǔ)時沉降值基本相同,但獨立基礎(chǔ)的地表沉降曲線呈現(xiàn)“V”形,而條形基礎(chǔ)與樁基礎(chǔ)的地表沉降曲線呈現(xiàn)“U”形,即條形基礎(chǔ)與樁基礎(chǔ)區(qū)域的地表呈現(xiàn)整體沉降。

3.2 隧道開挖對建筑物的影響

(1)建筑物不同位置的影響

本工程隧道間距L為16 m,隧道埋深H為25 m,分別分析建筑物軸線與隧道軸線水平距離S為0D、1D、2D、3D、4D時的建筑物的變形,得出不同水平距離S下不同基礎(chǔ)類型的建筑物中間頂部的沉降對比曲線。

可知,三種基礎(chǔ)類型的建筑物均呈現(xiàn)出,隧道與建筑物之間的水平距離S越大,建筑物的沉降值越小。當隧道與建筑物的水平距離S為0D時,即建筑物位于兩隧道正上方時,建筑物的沉降值最大,樁基礎(chǔ)的建筑物沉降值為0.3 mm,條形基礎(chǔ)的沉降值為0.25 mm,獨立基礎(chǔ)的沉降值為0.24 mm,呈現(xiàn)出樁基礎(chǔ)的沉降值大于條形基礎(chǔ)大于獨立基礎(chǔ)。當水平距離S變?yōu)?D時,此時建筑物中線位于右線隧道稍偏右,建筑物的沉降主要受右線隧道的影響,樁基礎(chǔ)的建筑物沉降值急劇減小并與條形基礎(chǔ)相同,但小于獨立基礎(chǔ)。S為3D時,建筑物位于右線隧道右側(cè),樁基礎(chǔ)的建筑物繼續(xù)減小與獨立基礎(chǔ)的沉降值相同,大于條形基礎(chǔ)。S為4D時,建筑物已經(jīng)遠離隧道,樁基礎(chǔ)的建筑物沉降值繼續(xù)減小達到0.05 mm,小于獨立基礎(chǔ)與條形基礎(chǔ)0.08 mm?？梢钥闯鲈谒骄嚯x的變化過程中,樁基礎(chǔ)的建筑物沉降值變化最大,即水平距離S的改變對樁基礎(chǔ)的建筑物影響最大。

(2)隧道埋深對建筑物的影響

本工程隧道間距L為16 m,建筑物水平距離S為0D,分別分析TBM埋深H為10、15、20、25、30、35、40 m時的建筑物的變形,得出不同開挖深度時不同基礎(chǔ)類型的建筑物中間頂部的沉降對比曲線。

可知,隧道的埋深和建筑物的沉降值呈負相關(guān)關(guān)系,即建筑物的沉降量隨著隧道埋深的減小而增大。當隧道埋深在10～20 m之間時,由于隧道在強度較低的強風化和中風化花崗巖中穿越,因此建筑物的沉降較為明顯,當隧道埋深大于20 m時,由于隧道基本都在強度較高的微風化花崗巖中穿越,因此埋置深度的變化對建筑物的影響較小。在埋深10 m時,條形基礎(chǔ)的建筑物最大沉降達到了22 mm,獨立基礎(chǔ)的最大沉降為20.43 mm,樁基礎(chǔ)的最大沉降為17.4 mm,在埋深為15 m時,條形基礎(chǔ)的建筑物最大沉降達到了6.66 mm,獨立基礎(chǔ)的最大沉降為6.06 mm,樁基礎(chǔ)的最大沉降為5.96 mm,由此可以看出,在隧道埋置深度較淺時建筑物的沉降由大到小為條形基礎(chǔ)、獨立基礎(chǔ)、樁基礎(chǔ)。

需要注意的是,當隧道埋深為10 m時,由于隧道與兩側(cè)樁基礎(chǔ)之間垂直距離較近,隧道的開挖導致樁基礎(chǔ)的持力層減弱,加大了兩側(cè)樁基礎(chǔ)的沉降,因此在施工中應(yīng)當注意。

(3)隧道間距對建筑物的影響

本工程隧道埋深H為25 m,建筑物水平距離S為0D,取隧道間距L為10、12、14、16、18、20、22 m七種工況分別進行分析,由TBM隧道開挖掘進完成后建筑物中間頂部的沉降曲線可知,當隧道間距為10 m時,條形基礎(chǔ)的建筑物最大沉降達到了0.31 mm,獨立基礎(chǔ)的最大沉降為0.31 mm,樁基礎(chǔ)的最大沉降為0.39 mm,當隧道間距為22 m時,條形基礎(chǔ)的建筑物最大沉降達到了0.22 mm,獨立基礎(chǔ)的最大沉降為0.21 mm,樁基礎(chǔ)的最大沉降為0.24 mm,間距由10 m增加到22 m,條形基礎(chǔ)的建筑物沉降值減小了0.09 mm,獨立基礎(chǔ)的建筑物沉降值減小了0.10 mm,樁基礎(chǔ)的建筑物沉降值減小了0.15 mm,可以看出隧道間距變大后,建筑物的沉降值變小,并且樁基礎(chǔ)的沉降值大于條形基礎(chǔ)大于獨立基礎(chǔ),當隧道間距變得很大時,樁基礎(chǔ)與獨立基礎(chǔ)和條形基礎(chǔ)沉降值趨于相同。

由于本工程隧道埋深25 m,隧道穿越巖層為微風化花崗巖,巖層特性較好,因此整體沉降值偏小,但依舊能體現(xiàn)隧道間距的改變對于既有建筑物有一定的影響。

4 結(jié) 論

(1)地表沉降與建筑物與隧道之間的水平距離S有一定關(guān)系。當S接近0D時,此時建筑物位于隧道正上方,雖然沉降值較大,但是建筑物是整體沉降,建筑物不會產(chǎn)生傾斜開裂;當1≤S≤4時,此時建筑物容易產(chǎn)生不均勻沉降,導致建筑物傾斜開裂;當S>4D時,此時隧道開挖對地表的影響較小。

(2)當隧道埋深H變大后,地表沉降值逐漸減小,但是隧道埋深H過大時,地表沉降值基本不變。當隧道在強度較低的巖層中穿過時,隧道開挖導致的地表沉降值較大,并且建筑物基礎(chǔ)形式為條形基礎(chǔ)時的地表沉降值大于樁基礎(chǔ)大于獨立基礎(chǔ)。獨立基礎(chǔ)和條形基礎(chǔ)時的地表沉降曲線呈現(xiàn)“U”形,而樁基礎(chǔ)時的地表沉降曲線由于隧道開挖導致樁端持力層減弱呈現(xiàn)“W”形。

(3)當隧道間距L變大后,地表沉降值逐漸減小,但間距L變大后,建筑物基礎(chǔ)范圍以外區(qū)域沉降值變大。在隧道間距L的增大過程中,建筑物為樁基礎(chǔ)時,地表沉降值最大,獨立基礎(chǔ)與條形基礎(chǔ)時沉降值基本相同。

(4)隧道與建筑物之間的水平距離S越大,建筑物的沉降值越小。在水平距離的變化過程中,樁基礎(chǔ)的建筑物沉降值變化最大,即水平距離S的改變對樁基礎(chǔ)的建筑物影響最大。在隧道間距L不變時,建筑物的沉降與隧道埋深H呈現(xiàn)非線性的負相關(guān)關(guān)系,隧道埋深H越小,建筑物的沉降值越大,不同的基礎(chǔ)類型有著不同的影響,由大到小為條形基礎(chǔ)、獨立基礎(chǔ)和樁基礎(chǔ)。隧道間距L變大后,建筑物的沉降值變小,并且樁基礎(chǔ)的沉降值大于條形基礎(chǔ)大于獨立基礎(chǔ),當隧道間距L變得很大時,樁基礎(chǔ)與獨立基礎(chǔ)和條形基礎(chǔ)沉降值趨于相同。