軟土條件下某大型賣場受下方盾構(gòu)推進(jìn)的影響分析

劉懿彬

摘 要：隨著我國城市交通的日益發(fā)展，現(xiàn)有的地面交通已不能滿足各大城市的需求，地下軌道交通成為了一些大城市的首選。在地下軌交的新建過程中，不可避免的會與已有建筑、在建建筑、以及同時(shí)開工的建筑物的地下基礎(chǔ)有所沖突。本課題就是以2016年～2017年間同步建設(shè)的蘇州某大型賣場賣場及其下方盾構(gòu)推進(jìn)區(qū)段作為研究對象，通過理論估算、分析，軟件建模、有限元分析，以及現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)的反饋對比，較全面的總結(jié)、歸納了在特定工況的軟土條件下，盾構(gòu)穿越建筑物樁群對建筑物樁群、基礎(chǔ)及主體建筑的影響。

關(guān)鍵詞：地鐵、樁群、沉降、Peck法分析、Plaxis軟件分析、微擾動控制

1、工程概況及背景介紹

1.1工程概況

場地位于蘇州地鐵沿線“蘇州新區(qū)站和發(fā)展路站”之間的區(qū)段中段內(nèi)。項(xiàng)目用地面積約65000平方米，由主賣場、附屬卸貨區(qū)和室外停車場組成。

主賣場平面尺寸約為200mx100m，高度約15m，結(jié)構(gòu)形式為鋼筋混凝土框架，地上2層，局部夾層，無地下結(jié)構(gòu)。柱網(wǎng)尺寸為8mx16m，基礎(chǔ)采用預(yù)應(yīng)力管樁。附屬卸貨區(qū)面積約100m×50m，設(shè)計(jì)荷載約20KN/m2。工程重要性等級為二級，場地等級、地基等級均為二級（中等復(fù)雜），地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級為乙級。

1.2背景介紹

地鐵將在賣場完工后推進(jìn)經(jīng)過其下方。地鐵隧道施工方法采用盾構(gòu)法推進(jìn)，穿越賣場建筑物下方的地鐵隧道共有兩根，左線長度約兩百米，右線紅線內(nèi)長度約一百米。其中右線上方區(qū)域僅涉及綠化帶，而左線上方區(qū)域涉及附屬結(jié)構(gòu)卸貨平臺和主賣場西南角。

2、最終采用的解決方案

對于主結(jié)構(gòu)西南角部分位于隧道范圍內(nèi)的角柱，將調(diào)整下方樁基承臺位置至隧道影響范圍兩側(cè)，地梁架于隧道上方，并采用地梁中段生柱的形式形成轉(zhuǎn)換層，從而可以不用調(diào)整柱的位置。

雖然形成結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層使空間受力變得復(fù)雜，對抗震不利，需在估算時(shí)提高地梁的剛度并對轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)部位進(jìn)行加強(qiáng)。但考慮到當(dāng)時(shí)的現(xiàn)場現(xiàn)實(shí)狀況，此方案也不失為一個(gè)有效可行的應(yīng)對措施。

3、地鐵區(qū)段施工對已完建筑基礎(chǔ)的影響分析

3.1Peck法估算分析

地面上任意一點(diǎn)沉降量估算公式如下：

式中，S（x，y）——地面任意一點(diǎn)沉降量（m）；S（y）——沿縱線隧道軸線分布的沉降量（m）；

i ——沉降寬度系數(shù)（m）；R——隧道半徑（m）；z——地面至隧道中心的深度（m）。

采用以上描述的Peck公式，選擇盾構(gòu)前進(jìn)方向中距離建筑物主體最靠近的情況為最不利估算工況，以盾構(gòu)施工中心點(diǎn)為原點(diǎn)，盾構(gòu)前進(jìn)方向?yàn)閥方向，建立坐標(biāo)系（左下圖），對盾構(gòu)施工影響范圍內(nèi)地面的沉降進(jìn)行估算預(yù)判。

根據(jù)工程參數(shù)估算結(jié)果，沿隧道軸線的縱向地面沉降見右上圖。

盾構(gòu)經(jīng)過建筑物下方的推進(jìn)過程中，在坐標(biāo)的Y方向上，盾構(gòu)前側(cè)約13m地面會有上隆，最大上隆值約為0.95mm；在盾構(gòu)通過的后側(cè)，地面將表現(xiàn)為沉降，而且隨著與盾構(gòu)距離的增大，沉降值越來越大，直至趨于穩(wěn)定，施工過程中最大沉降量約13mm。

從左上圖可以看出相鄰兩個(gè)柱間的差異沉降，由于在掌子面附近地面沉降變化趨勢較大，在這附近的柱子之間的差異沉降也會較大，從圖中可以看出，最大的差異沉降約為（8.6-2.2）=6.4mm，柱間距為8m，基礎(chǔ)傾斜率為0.8‰<2‰。根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50007-2011），滿足差異沉降要求。

另外，在盾構(gòu)推進(jìn)過程中，一般情況下，在盾構(gòu)推進(jìn)的Y軸方向上，地面會有先上隆，然后再下降的普遍規(guī)律，這種現(xiàn)象也是對建筑物的不利影響，施工時(shí)需要嚴(yán)格控制各項(xiàng)參數(shù)，密切觀察并控制地面位移和沉降變化。

但總體來說，盾構(gòu)前側(cè)上隆的理論估算值非常小，連1mm都未達(dá)到。所以，在采取正常、規(guī)范的施工控制措施下，完全可以做到順利穿越。

當(dāng)左線全部穿越建筑物后，地面沉降槽在縱向上一致，可以用Peck公式算得每個(gè)斷面的沉降曲線，作沉降等值線圖，見左上圖。

根據(jù)右上圖可以發(fā)現(xiàn)，左線隧道完全通過后，在縱向上，地面沉降分布一致，均為軸線處沉降最大，向兩側(cè)逐漸減小，影響范圍約為20m（i=7.14m，約為2.5i）。

軸線處最大沉降量約為16.9mm，在20mm以內(nèi)。柱間差異沉降最大約為（13.51-5.43）=8.08mm，基礎(chǔ)傾斜率為1‰<2‰，說明在正常施工控制條件下，隧道施工完成后同樣滿足沉降控制要求。

左線隧道施工完成的基礎(chǔ)上，考慮右線隧道施工至與建筑物最近的工況，并考慮左、右線隧道軸線距離為26m，估算二者疊加所產(chǎn)生的地面沉降值，做疊加后的地面沉降等值線圖。兩條隧道開挖所引起的地面沉降有疊加效應(yīng)，尤其在兩條隧道中間的位置，相比單線開挖時(shí)，沉降量有所增大。但是由于兩線之間的間距為26m，大于沉降影響范圍（約20m），所以疊加后，地面沉降的最大值增大并不明顯，仍然在先前施工的右線隧道軸線處，最大沉降量約16.9mm。

同樣由于兩線所產(chǎn)生的沉降疊加效應(yīng)較小，柱間的差異沉降與單線施工時(shí)相比，變化不大，從圖上分析發(fā)現(xiàn)，該工況下，最大差異沉降同樣控制在了7mm以內(nèi)。因此在施工第二條線時(shí)，正常施工控制下，同樣可以滿足沉降控制要求。

3.2有限元軟件分析

在以上采用Peck公式進(jìn)行理論估算的基礎(chǔ)上，我們再使用有限元軟件“Plaxis”軟件進(jìn)行二維建模，選取地鐵區(qū)段從側(cè)方穿越主體結(jié)構(gòu)和從下方下穿結(jié)構(gòu)樁群，這兩種不同工況分析隧道施工對建筑物的不利影響，確保項(xiàng)目的可行性。

為解決隧道穿越附屬結(jié)構(gòu)樁基的問題，選擇增大隧道穿越部分樁基間距為9m，即隧道邊界與樁基水平距離為1.5m。為分析此方案的可行性，運(yùn)用Plaxis建立二維有限元模型，分析隧道開挖對既有建筑的影響。

根據(jù)隧道與附屬結(jié)構(gòu)的空間位置，綜合選取最不利斷面為14軸線斷面，建立有限元模型，見下圖。其中，為模擬附屬結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)之間的沉降縫，將附屬結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)用具有一定轉(zhuǎn)動剛度的彈性鉸鏈接；主體結(jié)構(gòu)每層樓板施加4KPa活荷載，附屬結(jié)構(gòu)底板施加20KPa活荷載；左線隧道與相鄰樁基礎(chǔ)的水平間距為1.5m；隧道開挖引起的地層損失為1%；隧道埋深取平均埋深16m，左、右兩線隧道軸線距離25m。

左下圖為地面沉降曲線，可以看到最大地面沉降為17.5mm，位于右線隧道軸線附近。右下圖為主體結(jié)構(gòu)底板全長沉降曲線，其中，虛線表示每跨分界?？芍黧w結(jié)構(gòu)沉降較小，最大沉降量僅為2.1mm，傾斜率遠(yuǎn)小于0.2%。由于未考慮樁基彈性壓縮變形，故主體結(jié)構(gòu)以下樁基最大沉降量為2.1mm，發(fā)生于緊鄰附屬結(jié)構(gòu)的那一排樁基礎(chǔ)。

4、分析結(jié)果匯總對比

4.1利用PECK公式估算分析表明

（1）在整個(gè)相應(yīng)地鐵區(qū)段施工過程中，我們定義推進(jìn)前后側(cè)地層損失率為10‰和-3‰，盾構(gòu)前側(cè)13m左右處地面會有輕微上隆，最大上隆值約為0.94mm；在盾構(gòu)后方，地面沉降最大值約為13mm。

（2）盾構(gòu)穿越過程中，繪制地面沉降等值線圖可得柱間差異沉降最大值為6.4mm，傾斜率為0.8‰，根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50007-2011），滿足差異沉降要求。

（3）右線隧道穿越完成后，軸線處地面最大沉降量約為16.9mm，在20mm以內(nèi)。柱間差異沉降最大約為8.08mm，與穿越過程的工況相比，沉降的最大值增大，但柱間差異沉降為柱間距的1‰，說明在正常施工控制條件下，隧道施工完成后同樣滿足沉降控制要求。

（4）在右線隧道穿越完成的基礎(chǔ)上，考慮左線隧道二次穿越的影響。估算二者疊加所產(chǎn)生的地面沉降值，并繪制地面沉降等值線圖可知兩條隧道中間位置，相比單線開挖時(shí)，沉降量有所增大。但是由于兩條隧道軸線間距為26m，大于沉降影響范圍（約20m），故沉降槽疊加后地面沉降的最大值仍在先前施工的右線隧道軸線處，最大沉降量約16.9mm。柱間最大差異沉降同樣控制在了7mm以內(nèi)。因此在施工第二條線時(shí)，正常施工控制下，同樣可以滿足沉降控制要求。

4.2利用Plaxis有限元分析軟件表明

（1）隧道開挖對建筑物的主要影響范圍為卸貨區(qū)附屬結(jié)構(gòu)以及主體結(jié)構(gòu)鄰近隧道的2跨框架結(jié)構(gòu)。

（2）地層損失率定義為1%時(shí)，地面最大沉降值為17.5mm，與PECK公式估算結(jié)果（16.9mm）相差約3.4%。

（3）主體結(jié)構(gòu)底板最大變形發(fā)生在靠近隧道的端部，最大沉降值為2.1mm，傾斜率<0.2%，滿足變形控制要求。

5、現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)的反饋與分析總結(jié)

由于地鐵公司的現(xiàn)場盾構(gòu)施工有效的采取了微擾動措施，避免了額外的不利因素的影響。從現(xiàn)場反饋的監(jiān)測數(shù)據(jù)來看，結(jié)構(gòu)底板最大沉降發(fā)生在靠近隧道的端部，最大沉降量為2.3mm，斜率小于0.2%；地面的最大沉降值發(fā)生在靠近右線隧道處，最大沉降處沉降值為18mm。

從現(xiàn)場實(shí)測的數(shù)據(jù)來看，與Peck法理論估算值和Plaxis有限元分析軟件估算結(jié)果的誤差均在5%以內(nèi)，相差無幾。

因此，我們可以推斷，在類似工況的軟土地基條件下，地鐵區(qū)段工程采用微擾動措施盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)，由此產(chǎn)生的不良影響是可以依靠上述理論估算和分析，進(jìn)行可靠預(yù)判的。