盾構(gòu)隧道近接下穿施工對居民建筑樓群的影響研究

婁 霜, 趙瑞桐, 徐世達(dá)

(1.安徽交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 合肥 230001；2.西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 成都 610031；3.中鐵建設(shè)投資集團(tuán)有限公司, 深圳 518000)

引 言

為了更好地疏解城市交通擁堵，地鐵線路往往布設(shè)在人流量密集的城市核心區(qū)。這些區(qū)域由于早期的城市建設(shè)，分布著密集的地上或地下既有工程結(jié)構(gòu)物，新建隧道施工過程對這些既有結(jié)構(gòu)物的影響及其控制措施成為了工程建設(shè)的難點(diǎn)。

近年來，不少學(xué)者對新建地鐵隧道或其他交通隧道下穿既有結(jié)構(gòu)物的相關(guān)問題進(jìn)行了研究。余德強(qiáng)等[1]研究表明，地表注漿加固可明顯控制高壓鐵塔的基礎(chǔ)沉降和不均勻沉降。張旭等[2]研究表明初支背后回填注漿能夠在一定程度上減小既有地鐵車站的結(jié)構(gòu)沉降，根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)及時(shí)調(diào)整千斤頂頂升力，可確保下穿施工期間既有地鐵車站的結(jié)構(gòu)安全。王闖等[3]為盾構(gòu)近接施工對群樁基礎(chǔ)的影響提供了合理定量的評價(jià)指標(biāo)。皮亮等[4]的研究為緊鄰城市高層建筑交通隧道的結(jié)構(gòu)形式、施工工法、支護(hù)參數(shù)等提供了參考。胡德華等[5]的研究表明全斷面注漿對上軟下硬地層隧道下穿既有道路的沉降有較好的控制作用。王強(qiáng)等[6]的研究表明合理提高開挖面泥水壓力并減小壓力波動，減緩盾構(gòu)掘進(jìn)速度并適當(dāng)提高注漿壓力是控制沉降的關(guān)鍵。張自光等[7]的研究結(jié)果表明工程影響分區(qū)分界值隨建筑荷載和隧道跨度的增大而不斷增大，隨建筑物與隧道水平距離的增加而不斷減弱。楊兵明[8]對盾構(gòu)隧道下穿鐵路控制標(biāo)準(zhǔn)的制定及施工對策進(jìn)行了全面研究。張瓊方等[9]研究表明合理盾構(gòu)參數(shù)的設(shè)置可以有效控制既有隧道變形在允許范圍內(nèi)。周智等[10]研究表明框架結(jié)構(gòu)建筑物柱間沉降差與隧道掌子面位置密切相關(guān)。王劍晨等[11]為北京地區(qū)受新建隧道下穿施工影響的既有隧道變形提供一個(gè)簡便、快捷的預(yù)測方法。李棟等[12]研究了多種施工技術(shù)對特大跨超淺埋隧道下穿天橋穩(wěn)定性的影響。韓煊等[13]提出了適用于預(yù)測既有線在新建隧道下穿影響下產(chǎn)生沉降的簡便分析方法。

在近年來的工程建設(shè)中，地鐵盾構(gòu)隧道下穿通過一些修建年代較為久遠(yuǎn)的磚混建筑群的工程案例逐漸增多。相比于上述學(xué)者研究所涉及的內(nèi)容，磚混建筑由磚砌體和混凝土結(jié)構(gòu)兩種性能差異較大的材料構(gòu)成，因此隧道下穿施工引起的力學(xué)行為較為復(fù)雜，且群體建筑還需考慮各建筑之間的相互影響。深圳地鐵10號線福田口岸站—福民站區(qū)間在建設(shè)過程中，將下穿修建于上世紀(jì)90年代的福民新村建筑樓群，其中線路將穿越兩棟建筑正下方的地基，并有可能影響到鄰近的其他兩棟建筑，工程難度較大。本文以此工程為依托，在考慮建筑樓群彼此相互影響的基礎(chǔ)上，利用數(shù)值模擬的方法對預(yù)加固方案下隧道施工所引發(fā)建筑樓群的沉降變形進(jìn)行了研究，研究成果對類似工程具有一定的借鑒意義。

1 工程概況

深圳地鐵10號線福田口岸站—福民站區(qū)間盾構(gòu)隧道在ZDK2+140～ZDK2+250段下穿福民新村33#、34#房屋，其中33#房屋樁基與區(qū)間結(jié)構(gòu)凈距1.3 m，34#房屋樁基與區(qū)間結(jié)構(gòu)凈距2.36 m。此外，福民新村32#及35#房屋與盾構(gòu)隧道距離也較近，同樣可能受到較大的施工影響。福民新村樓群均為8層磚混結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)為D480錘擊沉管鋼筋混凝土灌注樁加承臺，樁身砼標(biāo)號C18，樁長16 m。此范圍內(nèi)隧道埋深為20 m～21.66 m。該地區(qū)間的隧道采用復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)進(jìn)行施工，管片混凝土強(qiáng)度為C50，襯砌厚度為30 cm，幅寬為1.5 m。盾構(gòu)隧道與建筑物的位置關(guān)系如圖1所示，圖1(a) 為平面圖，圖1(b)為剖面圖。

由于盾構(gòu)外邊線與福民新村樁基礎(chǔ)之間的最小距離僅為1.3 m，因此在盾構(gòu)施工中存在房屋因地層擾動而產(chǎn)生不均勻沉降，進(jìn)而產(chǎn)生傾斜、開裂和倒塌的風(fēng)險(xiǎn)。為了保證施工的順利進(jìn)行，初步設(shè)計(jì)方案要求盾構(gòu)施工前在一定范圍內(nèi)沿房屋周邊3 m布設(shè)2排袖閥管(圖1)對房屋進(jìn)行注漿加固，噴漿孔間距1.2 m×1.2 m，交錯(cuò)布置，加固深度為14 m。

圖1 盾構(gòu)隧道與建筑物位置關(guān)系

2 數(shù)值模型的建立

采用有限差分?jǐn)?shù)值分析軟件FLAC3D進(jìn)行分析并建立三維數(shù)值模型。建立的數(shù)值模型包括福民新村32#～35#房屋以及相應(yīng)區(qū)域的隧道開挖區(qū)間，如圖2所示，其中X軸方向?yàn)樗淼罊M截面的水平方向，Y軸正方向?yàn)槎軜?gòu)隧道掘進(jìn)方向，Z軸正方向豎直向上。模型尺寸為：120 m×156 m×50 m，共劃分為53.17萬個(gè)單元。模型的四周和底部邊界條件為法向約束，地表為自由邊界。三維計(jì)算模型中袖閥管注漿加固的土體范圍如圖3所示。

圖2 三維計(jì)算模型

圖3 模型中土體注漿加固范圍

三維數(shù)值計(jì)算中相關(guān)結(jié)構(gòu)的具體幾何參數(shù)為實(shí)際設(shè)計(jì)值，地層物理力學(xué)參數(shù)參考地勘和設(shè)計(jì)文件。假定房屋建筑及樁基與臨接土體變形協(xié)調(diào)一致，各土層采用摩爾-庫倫彈塑性本構(gòu)實(shí)體單元進(jìn)行模擬，福民新村建筑結(jié)構(gòu)及承臺基礎(chǔ)、隧道管片襯砌采用彈性實(shí)體單元進(jìn)行模擬，樁基采用結(jié)構(gòu)單元中的樁單元進(jìn)行模擬，袖閥管注漿效果以相應(yīng)范圍內(nèi)的素填土、淤泥質(zhì)黏土的彈性模量、黏聚力、內(nèi)摩擦角予以模擬[14-16]。土層以及其他結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)見表1。

表1 計(jì)算模型材料物理力學(xué)參數(shù)取值

數(shù)值模擬的具體過程為：(1)進(jìn)行地層的自重平衡運(yùn)算，地上建筑結(jié)構(gòu)以空模型方式處理，地面以下基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)則設(shè)定為與所在土層相同的本構(gòu)模型和物理參數(shù)。(2)激活地上建筑實(shí)體單元和樁單元，賦予計(jì)算參數(shù)，同時(shí)將地下基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)調(diào)整為彈性模型并賦予相應(yīng)計(jì)算參數(shù)，運(yùn)行求解至平衡。(3)提高注漿加固范圍內(nèi)的土體參數(shù)模擬注漿加固，再次運(yùn)行求解至平衡。(4)為了重點(diǎn)研究隧道開挖過程所引起的位移情況，將前述各步驟所產(chǎn)生的位移清零后，再依照施工方案，先開挖左線隧道至貫通，再開挖右線隧道至貫通。

數(shù)值模型中，盾構(gòu)機(jī)單元、襯砌單元和注漿層單元都是預(yù)設(shè)單元，并且將盾構(gòu)機(jī)每次開挖進(jìn)尺取為管片襯砌的幅寬1.5 m。當(dāng)盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)時(shí)，將以前的土層(掌子面后方6 m范圍)材參改變?yōu)槎軜?gòu)機(jī)材參(其中密度根據(jù)盾殼實(shí)際的重量進(jìn)行換算)，用以模擬盾構(gòu)機(jī)盾殼。盾殼后方1.5 m范圍內(nèi)為一厚度為20 cm的壁厚注漿等代層，通過殺死注漿層單元來模擬盾尾空隙，在殺死注漿層單元的同時(shí)，沿徑向施加0.1 MPa的注漿壓力，如圖4(a)所示，并且在下一個(gè)計(jì)算步驟中將注漿層和襯砌單元激活，之后，模型進(jìn)入下一個(gè)掘進(jìn)環(huán)，如圖4(b)所示，以此循環(huán)，直至盾構(gòu)掘進(jìn)完成[17-18]。為了保證掌子面前方土體穩(wěn)定，減小沉降量，盾構(gòu)下穿過程采用全土壓掘進(jìn)，數(shù)值模型中對掌子面施的法向頂進(jìn)壓力取為200 kPa，同時(shí)施加在管片上的頂進(jìn)反力與頂進(jìn)壓力平衡，根據(jù)等式A掌子面·P頂進(jìn)壓力=A管片·P頂進(jìn)壓力，將作用在管片上的頂進(jìn)反力取為1050 kPa。

圖4 數(shù)值模擬掘進(jìn)過程示意圖

3 計(jì)算結(jié)果分析

隧道施工完成后福民新村32#～35#建筑物首層結(jié)構(gòu)板的豎向(Z方向)位移云圖如圖5所示，圖中標(biāo)注了各建筑物的沉降監(jiān)測點(diǎn)位置。從圖5可知，在隧道施工完成后，受施工影響的4棟建筑均出現(xiàn)了一定的沉降，且由于隧道與穿越建筑物空間的位置關(guān)系及各建筑物彼此之間的相互影響，這種沉降是不均勻的，其中32#建筑的最大沉降值為6.271 mm，33#的為18.565 mm，34#的為13.315 mm，35#的為3.390 mm。值得注意的是，位于盾構(gòu)隧道正上方的33#、34#建筑的最大沉降明顯大于位于盾構(gòu)隧道側(cè)上方的32#、35#建筑。

圖5 隧道開挖完成后各建筑物首層豎向位移云圖

各建筑物首層結(jié)構(gòu)板豎向位移云圖中沉降最大及最小位置附近監(jiān)測點(diǎn)以及與沉降最大監(jiān)測點(diǎn)對應(yīng)的短邊監(jiān)測點(diǎn)隨開挖進(jìn)程的沉降變化曲線如圖6所示，32#建筑沉降最大及最小的監(jiān)測點(diǎn)分別為32-6和32-3，33#建筑分別為33-1和33-8，34#建筑分別為34-8和34-12，35#分別為35-6和35-1。

從圖6可知，對于33#、34#建筑，在左線隧道開挖至各建筑物下方時(shí)，建筑物表現(xiàn)出明顯的沉降增大，隨著隧道的繼續(xù)掘進(jìn)，排土卸載后的回彈效應(yīng)會使沉降略微減小；當(dāng)右線隧道開挖至各建筑物下方時(shí)，同樣會在一定程度上引起沉降量的增大，但這種影響比左線開挖時(shí)小；對于32#、35#建筑，盾構(gòu)隧道是在其側(cè)下方通過，距離較遠(yuǎn)一側(cè)隧道開挖對其影響較小，而當(dāng)距離較近一側(cè)隧道開挖至其附近時(shí)，則會引起其沉降的明顯增大。

隧道施工過程中及施工完成后，上述各位移監(jiān)測點(diǎn)的最大沉降值、最大沉降差、最大沉降監(jiān)測點(diǎn)與對應(yīng)的短邊監(jiān)測點(diǎn)的沉降差及由沉降差所計(jì)算出的建筑物最大傾斜度見表2。

圖6 各建筑物最大沉降值及最小沉降值監(jiān)測點(diǎn)沉降變化曲線

表2 施工過程中及完成后最大沉降值、最大沉降差及最大傾斜

從表2可知，在整個(gè)施工過程中，各建筑物的最大沉降值為18.537 mm，最大傾斜度為僅為0.000 623，均出現(xiàn)在33#建筑；施工完成后，各建筑物的最大沉降值為17.833 mm，最大傾斜度僅為0.000 425，這種情況同樣出現(xiàn)在33#建筑。根據(jù)《鐵路隧道監(jiān)控量測技術(shù)規(guī)程》[19]中的要求，隧道施工對無特殊要求的一般建(構(gòu))筑物沉降控制累計(jì)值可為10 mm～30 mm，并考慮到盾構(gòu)下穿房屋皆為上個(gè)世紀(jì)90年代所建，年代較為久遠(yuǎn)，因此，在本工程中將房屋的最大沉降控制值設(shè)定為20 mm；同時(shí)，《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》[20]中還規(guī)定，建筑高度在24 m以下的多層建筑基礎(chǔ)傾斜度應(yīng)小于0.004，具體到本文指建筑物首層結(jié)構(gòu)板的傾斜度。由此可見，在加固方案下進(jìn)行盾構(gòu)隧道施工，相關(guān)建筑物的沉降及傾斜均滿足控制要求。

4 結(jié) 論

本文依托深圳地鐵10號線福田口岸站—福民站區(qū)間下穿福民新村的工程實(shí)例，對盾構(gòu)隧道下穿施工引發(fā)居民建筑樓群的沉降變形規(guī)律進(jìn)行了研究，得出了以下結(jié)論：

(1)盾構(gòu)隧道近接下穿施工將引發(fā)既有居民建筑樓群產(chǎn)生一定程度的不均勻沉降。

(2)近接施工條件下，先行開挖的盾構(gòu)隧道掘進(jìn)至既有建筑物下方時(shí)，建筑物沉降發(fā)展較為迅速，此階段應(yīng)謹(jǐn)慎施工；較晚開挖的另一隧道掘進(jìn)下穿引起的建筑物沉降在一定程度上小于前者。

(3)在設(shè)計(jì)注漿預(yù)加固方案下進(jìn)行施工，福民新村居民建筑樓群的最大沉降及最大傾斜度分別為18.537 mm及0.000 623，均小于相應(yīng)規(guī)范規(guī)定的控制值。因此，此預(yù)加固方案可保證各相關(guān)民居建筑在隧道掘進(jìn)過程中的結(jié)構(gòu)安全。