泥水盾構(gòu)下穿引起上覆砌體結(jié)構(gòu)響應(yīng)的實(shí)測分析

林存剛

(1.同濟(jì)大學(xué) 地下建筑與工程系，上海 200092； 2.同濟(jì)大學(xué) 巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 200092)

伴隨國內(nèi)盾構(gòu)隧道工程的大量涌現(xiàn)，泥水盾構(gòu)下穿既有建筑物的案例愈發(fā)多見。雖然泥水盾構(gòu)在地層沉降控制方面較傳統(tǒng)隧道工法更具優(yōu)勢，但仍不可避免地引發(fā)地層位移，進(jìn)而導(dǎo)致鄰近建筑物變形。上覆建筑物在隧道開挖地層損失下的形變響應(yīng)取決于土與結(jié)構(gòu)的相互作用，該問題向來是理論研究和工程實(shí)踐中的熱點(diǎn)。

極限拉應(yīng)變法廣泛應(yīng)用于砌體結(jié)構(gòu)在不均勻沉降下的損傷評估[1-4]。該方法將原位地層沉降施加于建筑物，由此計(jì)算其拉應(yīng)變，進(jìn)而評估其損傷程度。Potts D M等[5]將土與結(jié)構(gòu)相互作用融入極限拉應(yīng)變法，對建筑物及土體剛度開展了參數(shù)分析。Franzius J N等[6-8]進(jìn)一步考慮了建筑物重量及地基與基礎(chǔ)接觸面特性等因素的影響。

理論解析方法便于工程應(yīng)用，被廣泛應(yīng)用于地基不均勻沉降下既有建筑物的損傷評估。Deck O等[9]提出了一種計(jì)算隧道施工引起建筑撓曲的理論方法，該方法將地基和結(jié)構(gòu)分別簡化為Winkler地基和彈性梁。Boone S J[10]提出了一種評估地基不均勻沉降對建筑物損傷的評估方法。Finno R J等[11]提出了評估隧道開挖引起建筑物損傷的復(fù)合梁方法。Schuster M等[12]建立了一種評估基坑開挖引起建筑物損傷的簡單模型。

除了理論解析和數(shù)值模擬之外，原位監(jiān)測和模型試驗(yàn)亦是探究隧道施工引發(fā)上覆建筑物響應(yīng)的有效手段，如Dimmock P S等[13]對倫敦地鐵Jubilee線延伸段隧道施工中上覆建筑物的變形進(jìn)行了大量的實(shí)測研究。而模型試驗(yàn)可對影響建筑物響應(yīng)的關(guān)鍵因素進(jìn)行可控條件下的深入分析，可用來驗(yàn)證理論解析及數(shù)值模擬方法[14]。

本文依托杭州運(yùn)河隧道工程，對泥水盾構(gòu)下穿階段上覆既有砌體建筑的沉降和裂縫進(jìn)行了原位監(jiān)測，總結(jié)了沉降發(fā)展規(guī)律和裂縫擴(kuò)展特征，以期為泥水盾構(gòu)下穿階段上覆既有砌體結(jié)構(gòu)的響應(yīng)評估和保護(hù)控制提供工程實(shí)例參考。

1 監(jiān)測方案及布置

杭州運(yùn)河隧道工程采用2臺長11.4 m、外徑11.65 m的泥水盾構(gòu)由東向西垂直穿越京杭運(yùn)河，盾構(gòu)主要穿越粉砂層、砂質(zhì)粉土層和(淤泥質(zhì))粉質(zhì)黏土層。襯砌外徑11.3 m，由9塊管片拼裝而成。具體的泥水盾構(gòu)施工技術(shù)及工程與水文地質(zhì)條件等見文獻(xiàn)[15]。

盾構(gòu)穿越運(yùn)河西岸排澇箱涵后，進(jìn)入河西工作井之前，需鄰近穿越2幢砌體結(jié)構(gòu)倉庫。為確保倉庫結(jié)構(gòu)安全，盾構(gòu)穿越前后對倉庫沉降及墻面裂縫進(jìn)行了嚴(yán)密監(jiān)測。

(1) 監(jiān)測目的。通過監(jiān)測了解盾構(gòu)掘進(jìn)過程中建筑物沉降及裂縫擴(kuò)展情況，及時(shí)反饋設(shè)計(jì)，并決定是否采取輔助措施，確保建筑物的安全。

(2) 監(jiān)測儀器及精度。建筑物沉降使用DiNi12精密電子水準(zhǔn)儀、銦鋼尺進(jìn)行監(jiān)測。DiNi12精密電子水準(zhǔn)儀，精度為±0.7 mm/km；標(biāo)準(zhǔn)水準(zhǔn)尺精度為1.0 mm；銦鋼尺0.3 mm。

墻面裂縫寬度測量，對于較粗裂縫(>4 mm)，采用鋼尺或游標(biāo)卡尺；對于較細(xì)微裂縫(≤4 mm)，采用裂縫觀測儀，精度為0.05 mm。裂縫擴(kuò)展長度采用鋼尺測量。

(3) 測點(diǎn)布設(shè)。用沖擊鉆在建筑物的基礎(chǔ)或墻上鉆孔，然后放入長200 mm～300 mm，直徑φ20 mm～φ30 mm的半圓頭彎曲鋼筋，四周用水泥砂漿填實(shí)。監(jiān)測點(diǎn)埋設(shè)的高度應(yīng)方便監(jiān)測，對測點(diǎn)應(yīng)采取保護(hù)措施，避免受到破壞。

(4) 測量方法及計(jì)算。建筑物沉降用精密水準(zhǔn)儀以二級沉降監(jiān)測的精度(觀測點(diǎn)測站高差中誤差≤0.5 mm)來施測，組成變形監(jiān)測的高程監(jiān)測控制網(wǎng)。儀器在開始使用前均需檢定，作業(yè)過程中嚴(yán)格遵守規(guī)范。每次觀測都采用相同的觀測儀器，相同的觀測人員按相同的觀測路線進(jìn)行。

監(jiān)測頻率：掘進(jìn)面前后<20 m時(shí)測1 次/d～2 次/d；掘進(jìn)面前后<50 m時(shí)測1次/2d；掘進(jìn)面前后>50 m時(shí)測1次/周。

隧道施工前，由監(jiān)測基準(zhǔn)點(diǎn)通過水準(zhǔn)測量測出建筑物沉降監(jiān)測點(diǎn)的初始高程H0，在隧道施工過程中測出的高程為Hn，則高差ΔH=Hn-H0，即為建筑物的沉降值。圖1所示為河西岸邊段地面及建筑物監(jiān)測布置圖。如圖1所示，在1號倉庫布置了16個(gè)沉降測點(diǎn)，編號分別為J1-1—J1-16；在2號倉庫布置了6個(gè)沉降測點(diǎn)，編號分別為J2-1—J2-6。

圖1倉庫沉降測點(diǎn)布置示意

圖2所示為1號倉庫和2號倉庫現(xiàn)場圖，圖3所示為1號倉庫縱向外墻圖。現(xiàn)場勘查發(fā)現(xiàn)，1號、2號倉庫均為1層磚混結(jié)構(gòu)，沿縱墻分布16根柱子(寬40 cm，突出外墻面25 cm)，各柱均勻布置，軸線間距約3.8 m，檐口高度4.75 m。各柱之間外墻結(jié)構(gòu)相同，均設(shè)置1窗(長1.5 m，高1.2 m)，窗底距地面2.9 m。

圖2 1號、2號倉庫現(xiàn)場圖

圖3 1號倉庫外墻現(xiàn)場圖

2 監(jiān)測結(jié)果分析

現(xiàn)場實(shí)測發(fā)現(xiàn)，較之于2號倉庫，1號倉庫受盾構(gòu)下穿的影響更為顯著。本文僅對1號倉庫因盾構(gòu)下穿而引發(fā)的沉降和墻面裂縫的監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行分析。

2.1 倉庫墻體沉降

1號倉庫沉降監(jiān)測從2011年5月24日開始，一直延續(xù)至2011年7月8日。

圖4所示為測點(diǎn)J1-1—J1-10監(jiān)測沉降隨盾構(gòu)切口位置的變化曲線。圖中橫坐標(biāo)y代表盾構(gòu)切口與測點(diǎn)沿隧道縱向的水平距離，切口未到達(dá)測點(diǎn)位置時(shí)為負(fù)值，穿越測點(diǎn)位置即為正值。由圖4中可見，盾構(gòu)切口距離測點(diǎn)10 m至穿越離開30 m期間，測點(diǎn)沉降速度較大；此外，建筑物的響應(yīng)相比十分微小。由此看來，盾構(gòu)切口距離建筑物10 m至穿越離開30 m階段，為建筑物沉降最為顯著的階段，該階段需嚴(yán)密監(jiān)測結(jié)構(gòu)狀況，是盾構(gòu)穿越對上覆結(jié)構(gòu)影響的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

圖4 1號倉庫外墻沉降隨盾構(gòu)位置的變化

圖5所示為測點(diǎn)J1-1—J1-10監(jiān)測沉降隨盾構(gòu)切口位置的變化曲線。各測點(diǎn)沉降規(guī)律基本類似，在盾構(gòu)穿越期間建筑沉降顯著，約7 d之后，建筑位移微量變化，趨于穩(wěn)定。至監(jiān)測結(jié)束，沉降最大的測點(diǎn)依次為J1-6、J1-5、J1-7、J1-4、J1-3及J1-2，與隧道的垂直距離來看，這6個(gè)測點(diǎn)均位于隧道正上方或緊鄰隧道。而測點(diǎn)J1-1、J1-8、J1-9及J1-10，距離隧道的垂直距離相對較遠(yuǎn)，其沉降也小得多。由此可見，距離隧道垂直距離越近，建筑物受盾構(gòu)掘進(jìn)影響產(chǎn)生的沉降越大，隨距離的增大，所受影響呈削弱趨勢。

圖5 1號倉庫外墻沉降隨時(shí)間的變化

2.2 倉庫墻面裂縫

待盾構(gòu)穿越后1號倉庫位移基本穩(wěn)定，對其墻面因盾構(gòu)下穿和產(chǎn)生的裂縫進(jìn)行了觀測。依照現(xiàn)場觀測情況，1號倉庫鄰近隧道一側(cè)外墻面裂縫形狀見圖6，裂縫具體描述見表1。

C13所在墻面及C13四個(gè)角部位置均未見明顯裂縫。Z14緊鄰的后面的墻面，無論是窗角部還是整個(gè)墻面，均未發(fā)現(xiàn)明顯裂縫，故圖中略去不畫。

圖7為1號倉庫縱墻典型裂縫圖。

由圖6和圖7可見，裂縫在柱子上多水平擴(kuò)展，而在墻面上以45°斜向擴(kuò)展居多，墻面的門窗角部位置為裂縫的易發(fā)位置。對應(yīng)于沉降監(jiān)測較大的墻面，裂縫擴(kuò)展較多；而對于沉降較小的墻面，如Z14至遠(yuǎn)離隧道方向的墻面，墻面受盾構(gòu)掘進(jìn)影響較小，未有明顯裂縫。

3 結(jié) 語

本文實(shí)測研究了泥水盾構(gòu)穿越階段上覆既有砌體倉庫的沉降與裂縫，主要有以下發(fā)現(xiàn)：

(1) 在盾構(gòu)穿越期間倉庫沉降顯著，約7 d之后，倉庫位移微量變化，趨于穩(wěn)定；距離隧道越近，倉庫沉降越大，隨距離的增大，所受影響呈削弱趨勢。

(2) 盾構(gòu)掘進(jìn)引起的倉庫裂縫在柱子上多水平擴(kuò)展，而在墻面上以45°左右斜向擴(kuò)展居多，墻面的門窗角部位置為裂縫的易發(fā)位置。對應(yīng)于沉降監(jiān)測較大的墻面，裂縫擴(kuò)展較多；而對于沉降較小的墻面，受盾構(gòu)掘進(jìn)影響較小，未見明顯裂縫。

圖6 1號倉庫外墻面裂縫示意

續(xù)表1

圖7 1號倉庫縱墻面典型裂縫現(xiàn)場照片

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