盾構(gòu)下穿房屋建筑結(jié)構(gòu)對(duì)地表沉降的影響分析

羅川疆，劉 凱

(西南交通大學(xué)，四川成都610031)

1 工程概況

廣州市軌道八號(hào)線彩虹橋站～西村站區(qū)間位于廣州市荔灣區(qū)，全長(zhǎng)690 m。區(qū)間線路下穿流花湖、廣茂鐵路路基、中低層密集商住建筑群。工程控制難點(diǎn)為下穿8層商住房結(jié)構(gòu)區(qū)段，其樁基為混凝土灌注樁，樁基距離左線隧道水平距離約5.69 m。盾構(gòu)隧道開(kāi)挖會(huì)引起地表沉降，導(dǎo)致地表建(構(gòu))筑物出現(xiàn)不均勻沉降［1-2］，嚴(yán)重會(huì)影響既有建筑的穩(wěn)定，故本工程施工存在較高的工程風(fēng)險(xiǎn)和技術(shù)難度。

2 模型建立

本文計(jì)算采用有限差分計(jì)算程序FLAC3D，模型橫向取80 m，縱向60 m，豎向50 m，隧道外徑為D=6 m，埋深為H=13.5 m。模型四周及底面設(shè)置法向位移邊界，頂部設(shè)置為自由邊界。計(jì)算模型見(jiàn)圖1。

圖1 有限元模型

根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告提供的土體物理力學(xué)性質(zhì)，模型中各土層物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 各層地層特性及描述

3 位移場(chǎng)分析

3.1 主體結(jié)構(gòu)位移場(chǎng)分析

自重解算平衡后，清零土體自重位移，進(jìn)行盾構(gòu)隧道開(kāi)挖過(guò)程模擬，盾構(gòu)隧道掘進(jìn)每1.5 m(一個(gè)管片長(zhǎng)度)一個(gè)進(jìn)尺，左側(cè)、右側(cè)隧道開(kāi)挖完所引起的豎向位移場(chǎng)分別見(jiàn)圖2、圖3。

圖2 左洞沉降位移云

圖3 右洞沉降位移云

隧道盾構(gòu)施工完畢后右側(cè)隧道盾構(gòu)施工時(shí)，隧道上方土體的繼續(xù)沉降，且隨距隧道水平距離的增加而減小，沉降影響范圍約為2～3倍隧道直徑［3］。由由圖可知房屋整體向開(kāi)挖面傾斜，左線盾構(gòu)施工引起的土體沉降值在盾構(gòu)入口處相對(duì)較大，約為6.99 mm；右線盾構(gòu)施工完畢后在同樣位置引起的土體沉降最大，最大沉降值為7.78 mm。左側(cè)盾構(gòu)施工過(guò)程中樁結(jié)構(gòu)的沉降位移見(jiàn)圖4～圖7所示。

圖4 樁(Z-24)沉降云

圖5 樁(Z-12)沉降云

圖6 樁(Z0)沉降云

圖7 樁(Z30)沉降云

3.2 樁結(jié)構(gòu)位移場(chǎng)分析

由上圖可以看出，受左側(cè)隧道盾構(gòu)施工的影響，當(dāng)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)到離房屋建筑中心線(Y=30)-24 m和-12 m時(shí)，隧道上方建筑結(jié)構(gòu)柱產(chǎn)生了比較明顯的沉降和隆起，最大沉降為0.13 mm，最大隆起值為0.09 mm。盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)到離房屋建筑中心線(Y=30)0 m時(shí)，隧道上方建筑結(jié)構(gòu)樁的沉降和隆起不太明顯，這是由于盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)的頂進(jìn)壓力所引起的隆起和沉降相互抵消所致。盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)到超過(guò)房屋建筑中心線(Y=30)30 m時(shí)，隧道上方建筑結(jié)構(gòu)樁幾乎表現(xiàn)為沉降狀態(tài)，最大值為1.55 mm。經(jīng)計(jì)算右線開(kāi)挖沒(méi)有大幅的沉降和隆起變化，總體而言盾構(gòu)施工給房屋帶來(lái)的影響并不大，比較平均。

4 雙洞地表位移分析

在橫斷面分析中選取模型中間斷面(y=30對(duì)應(yīng)的斷面)作為考察斷面進(jìn)行分析。施工時(shí)引起的地表橫向沉降見(jiàn)圖8。

圖8 隧道橫斷面地表沉降

由圖8可見(jiàn)，地表沉降有明顯的疊加效應(yīng)，雙線施工完成后，最后形成了統(tǒng)一的U型沉降槽。盾首過(guò)考察斷面后20 m(3D)后，沉降開(kāi)始趨緩，地表均表現(xiàn)為沉降，地表最終沉降穩(wěn)定在4.8 mm。房屋段(X=-25)沉降略微減小，是由于房屋自重會(huì)加深土體固結(jié)程度，同時(shí)房屋向盾構(gòu)隧道傾斜會(huì)使附近土體有隆起趨勢(shì)，抵消掉盾構(gòu)施工引起的沉降。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)本文的研究得到了以下結(jié)論：

(1)房屋對(duì)開(kāi)挖地層沉降的影響較小，地層沉降曲線幾乎不受干擾，地表沉降呈現(xiàn)“U”型，最大沉降位于開(kāi)挖隧道正上方處。

(2)隨著盾構(gòu)開(kāi)挖的進(jìn)行，由于開(kāi)挖半徑加大，沉降影響區(qū)域加大，房屋靠近開(kāi)挖面一側(cè)土體逐漸松動(dòng)，導(dǎo)致房屋向開(kāi)挖側(cè)傾斜，使附近土體有隆起趨勢(shì)，會(huì)抵消掉盾構(gòu)施工引起的沉降，從而導(dǎo)致盾構(gòu)開(kāi)挖的沉降曲線在房屋下方出現(xiàn)尖銳的拐點(diǎn)。