地鐵盾構(gòu)區(qū)間穿越砂層及下穿既有建筑物影響分析

楊 修 王林琳

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055)

盾構(gòu)法因其掘進(jìn)速度快、效率高、對(duì)圍巖的擾動(dòng)小，被廣泛應(yīng)用于地鐵施工中[1-3]。因此，開(kāi)展盾構(gòu)下穿工程中地表沉降和既有建筑物的結(jié)構(gòu)安全防護(hù)研究具有重要意義。目前，隧道施工對(duì)周?chē)h(huán)境及地下結(jié)構(gòu)影響的計(jì)算方法，基本可以分為三種：一是美國(guó)科學(xué)家P.B.Peck[4]提出以沉降槽為代表的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算法，朱才輝、李寧[5]基于Peck公式反演分析法，研究地鐵施工造成的地表沉降及地層損失變化規(guī)律，韓煊[6]基于工程實(shí)測(cè)結(jié)果提出既有建筑物沉降曲線的剛度修正法；二是模型試驗(yàn)法，李偉平[7]、潘茁[8]等通過(guò)室內(nèi)模型試驗(yàn)，分析盾構(gòu)開(kāi)挖對(duì)土體擾動(dòng)和地表沉降的影響；三是有限元數(shù)值模擬計(jì)算分析法，王立新[9]、張治國(guó)[10]等利用三維軟件，研究地層與地鐵結(jié)構(gòu)相互作用機(jī)理，因其具有較低的成本、較快的計(jì)算速度、便捷的試驗(yàn)?zāi)Ｐ?、較真實(shí)的模擬結(jié)果被廣泛使用，是當(dāng)前工程力學(xué)計(jì)算分析中最為普遍的分析方法。

以青島地鐵1號(hào)線汽車(chē)北站-流亭機(jī)場(chǎng)站區(qū)間為工程依托，利用MIDAS/GTS三維有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，通過(guò)有效的施工措施控制圍巖變形，減少建筑物沉降，并與實(shí)測(cè)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)盾構(gòu)穿越軟弱砂層和下穿既有建筑物的圍巖變形規(guī)律和地表沉降趨勢(shì)進(jìn)行研究。

1 工程概況

青島地鐵1號(hào)線汽車(chē)北站-流亭機(jī)場(chǎng)站區(qū)間長(zhǎng)3 450 m，屬長(zhǎng)大區(qū)間，采用盾構(gòu)法施工。線路由汽車(chē)北站向北下穿雙流高架路基段、仙山路，過(guò)白沙河后至流亭機(jī)場(chǎng)站。區(qū)間地面高程起伏較小，主要穿越的地層：上部為第四系的粗礫砂和粉質(zhì)黏土層，下部為中、微風(fēng)化安山巖及流紋巖，是 “上土下巖 ”的土巖復(fù)合地層。綜合地質(zhì)條件、施工安全和場(chǎng)地、周邊環(huán)境、工期和環(huán)保要求等因素，采用加泥式土壓平衡盾構(gòu)施工，其管片襯砌內(nèi)徑5 400 mm、外徑6 000 mm，管片厚300 mm、環(huán)寬1.5 m。

根據(jù)詳勘報(bào)告[11]，區(qū)間從上至下地層分別為：(1)素填土、(1-1)雜填土、(7-0)黏土-粉質(zhì)黏土、(7-1)中砂-粗砂、(9-0)粗砂-砂礫、(9-2)含卵石粗礫砂、(16-9)強(qiáng)風(fēng)化安山巖、(17-9)中等風(fēng)化安山巖、(18-9)微風(fēng)化安山巖。地下水主要賦存于第四系松散砂土層和基巖裂隙中。填土層、砂層是主要含水層，并且均為強(qiáng)透水層，富水性中等；基巖裂隙水分布在基巖風(fēng)化裂隙和構(gòu)造裂隙之中，以構(gòu)造裂隙水為主。區(qū)間于K61+045.000～K61+344.255段穿越約300 m的含卵石粗礫砂(9-2)，埋深17.7～9.2 m；K60+900～ K60+915段下穿6層框架結(jié)構(gòu)建筑物(為毛石砼條形基礎(chǔ)，2009年建成)，盾構(gòu)掘進(jìn)地層為強(qiáng)風(fēng)化安山巖(16-9)、中等風(fēng)化安山巖(17-9)，埋深約22 m。區(qū)間主要地層巖土物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

2 三維有限元分析

2.1 有限元模型

根據(jù)工程實(shí)際，利用 MIDAS/GTS 數(shù)值模擬軟件建立兩個(gè)三維有限元模型。模型1：盾構(gòu)穿越砂層段；模型2：區(qū)間下穿既有6層建筑物段。綜合考慮邊界效應(yīng)及計(jì)算效率，有限元模型的尺寸采用 120 m×60 m×45 m，計(jì)算模型如圖1所示。采用摩爾-庫(kù)倫破壞準(zhǔn)則模擬實(shí)際地層，建立隧道實(shí)體模型，襯砌管片屬性定義為彈性材料，采用板單元進(jìn)行模擬，見(jiàn)圖2。

表1 巖土物理力學(xué)參數(shù)

圖1 三維有限元模型

掘進(jìn)中，通過(guò)對(duì)工作面單元網(wǎng)格的鈍化來(lái)模擬盾構(gòu)機(jī)的開(kāi)挖，對(duì)工作面施加均勻壓力來(lái)模擬盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)壓力。計(jì)算中引入等代層的概念，通過(guò)對(duì)注漿影響范圍內(nèi)實(shí)體網(wǎng)格屬性的重新定義模擬同步注漿，注漿單元見(jiàn)圖3。計(jì)算中，首先激活全部土體，添加自重荷載，以此作為模型的初始狀態(tài)。隨后，對(duì)開(kāi)挖面施加掘進(jìn)壓力，模擬盾構(gòu)機(jī)的頂推力，鈍化開(kāi)挖范圍內(nèi)的土單元、注漿單元，激活襯砌單元，重新定義注漿單元屬性。

圖2 盾構(gòu)管片單元

圖3 注漿單元

2.2 分析工況

兩個(gè)數(shù)值模型均采用3個(gè)施工步序來(lái)進(jìn)行施工動(dòng)態(tài)模擬。第1步序，模擬盾構(gòu)掘進(jìn)前的地層初始應(yīng)力狀態(tài)(位移清零)；第2步序，逐環(huán)施工區(qū)間左線，完成注漿、管片拼接，直至完成掘進(jìn)；第3步序，逐環(huán)施工區(qū)間右線，完成注漿、管片拼接，直至完成掘進(jìn)。

3 盾構(gòu)穿越砂層模擬結(jié)果及分析

3.1 圍巖變形分析

盾構(gòu)掘進(jìn)中， 因開(kāi)挖面周?chē)馏w受到擾動(dòng)，或盾尾空隙未及時(shí)注漿，圍巖體將會(huì)發(fā)生較大變形。其中，拱頂下沉和地表沉降是施工安全控制的重要衡量指標(biāo)[12-13]。拱頂變形過(guò)大將造成支護(hù)結(jié)構(gòu)形變過(guò)大并影響圍巖穩(wěn)定性，地表沉降過(guò)大將影響地面設(shè)施的正常使用和安全運(yùn)營(yíng)。左線隧道開(kāi)挖完成后圍巖變形情況見(jiàn)圖4。右線隧道開(kāi)挖完成后圍巖變形情況見(jiàn)圖5。

圖4 左線隧道開(kāi)挖后圍巖變形

圖5 右線隧道開(kāi)挖后圍巖變形

從計(jì)算結(jié)果可知，左線隧道施工完成后地表累計(jì)沉降為13 mm，隧道拱頂沉降為27 mm。待右線隧道施工完成后，地表累計(jì)沉降為21 mm，隧道拱頂沉降為35 mm。模擬計(jì)算中，因考慮最不利工況，隧道主體全部穿越軟弱砂層，上覆土層松散，拱頂下沉值和地表沉降值較大。

3.2 圍巖應(yīng)力狀態(tài)分析

受盾構(gòu)開(kāi)挖影響，周?chē)馏w的應(yīng)力重新分布，當(dāng)受擾動(dòng)后的二次應(yīng)力超過(guò)其抗壓、抗剪強(qiáng)度，巖體將進(jìn)入塑性狀態(tài)，形成塑性區(qū)或直接發(fā)生脆性破壞[14-15]，如圖6所示。

圖6 隧道開(kāi)挖后塑性區(qū)分布

塑性區(qū)分布結(jié)果表明，開(kāi)挖過(guò)程中，圍巖基本無(wú)應(yīng)力集中現(xiàn)象，圓形的襯砌斷面以及管片和注漿形成的支護(hù)阻力有效控制了圍巖變形，也抑制了塑性區(qū)的發(fā)展，塑性區(qū)形成于工作面周邊5～10 m的范圍，圍巖受到的擾動(dòng)影響較小。

3.3 結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析

隧道開(kāi)挖后，管片結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)見(jiàn)圖7。

圖7 隧道開(kāi)挖后隧道結(jié)構(gòu)主應(yīng)力

從計(jì)算結(jié)果可知，盾構(gòu)襯砌管片主要承受壓應(yīng)力，管片頂部的內(nèi)側(cè)壓應(yīng)力最大，管片的左右兩側(cè)出現(xiàn)較小的拉應(yīng)力。最大主應(yīng)力產(chǎn)生在隧道底板與拱頂處，為1.1 MPa(拉)，最小主應(yīng)力發(fā)生在盾構(gòu)側(cè)邊處，為-1.9 MPa(壓)。

4 盾構(gòu)下穿既有建筑物模擬結(jié)果及分析

4.1 盾構(gòu)施工引起的圍巖變形分析

雙線隧道開(kāi)挖完成后圍巖最終變形情況見(jiàn)圖8。

圖8 隧道開(kāi)挖后圍巖變形

從計(jì)算結(jié)果可知，盾構(gòu)穿越建筑物后，隧道拱頂累計(jì)沉降為22 mm，基礎(chǔ)底部累計(jì)沉降為12 mm，隧道上部覆土為較軟弱的砂層，土體承載力相對(duì)較低。

4.2 盾構(gòu)施工引起的圍巖狀態(tài)分析

圖9為盾構(gòu)下穿后圍巖塑性區(qū)分布。

圖9 隧道開(kāi)挖后塑性區(qū)分布

圖9表明，盾構(gòu)穿越既有建筑物對(duì)隧道周?chē)苄詤^(qū)范圍影響較小，范圍控制在5～10 m內(nèi)，未延伸發(fā)展到建筑物毛石砼條形基礎(chǔ)處。

4.3 區(qū)間結(jié)構(gòu)內(nèi)力影響分析

隧道開(kāi)挖后，管片結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)見(jiàn)圖10。

圖10 隧道開(kāi)挖后隧道結(jié)構(gòu)主應(yīng)力

從計(jì)算結(jié)果可知，盾構(gòu)襯砌管片主要承受壓應(yīng)力，管片頂部的內(nèi)側(cè)壓應(yīng)力最大，管片的左右兩側(cè)出現(xiàn)較小的拉應(yīng)力。最小主應(yīng)力為-9 MPa(壓)，出現(xiàn)在高層建筑下方的隧道邊墻處，最大主應(yīng)力為3 MPa(拉)，出現(xiàn)在既有建筑物下方的拱頂處。

5 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

5.1 監(jiān)測(cè)方案

為確保盾構(gòu)掘進(jìn)期間的施工及建筑物安全，按規(guī)范要求，結(jié)合青島地質(zhì)條件、支護(hù)類型、施工方法等特點(diǎn)，確定監(jiān)測(cè)項(xiàng)目和測(cè)點(diǎn)布置方案(見(jiàn)表2)。

表2 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及測(cè)點(diǎn)布置

5.2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

施工中布設(shè)的各項(xiàng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)如圖11～圖13所示，縱向沿隧道軸線上方地表布設(shè)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)間距為5 m，橫向監(jiān)測(cè)斷面的監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量布置7 ～11 個(gè)。建筑物沉降測(cè)點(diǎn)布設(shè)在既有建筑的外墻上，間距10 m，共8個(gè)；傾斜測(cè)點(diǎn)按建筑物結(jié)構(gòu)頂、底部上下對(duì)應(yīng)按組布設(shè)，2組，共4個(gè)。

圖11 隧道變形、地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置(單位：m)

圖12 建筑物測(cè)點(diǎn)布置示意(單位：m)

圖13 建筑物測(cè)點(diǎn)布置示意

5.3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

(1)地表沉降

盾構(gòu)掘進(jìn)通過(guò)既有建筑物的地表沉降曲線如圖14所示，隨著開(kāi)挖面不斷臨近監(jiān)測(cè)點(diǎn)，地面沉降開(kāi)始緩慢增加，掘進(jìn)至監(jiān)測(cè)點(diǎn)下方時(shí)，沉降速率達(dá)到峰值，至25～30 d時(shí)，沉降曲線逐漸趨于穩(wěn)定，4個(gè)典型監(jiān)測(cè)點(diǎn)DC25-01、 DC25-04、 DC25-08 、DC25-011的最終累計(jì)沉降值分別為-6.9 mm，-11.9 mm，-13.1 mm，-9.1 mm。

圖14 地表沉降曲線

(2)建筑物沉降

建筑物沉降曲線如圖15所示，隨著工作面臨近監(jiān)測(cè)點(diǎn)，建筑物開(kāi)始發(fā)生沉降，盾構(gòu)位于建筑物下方時(shí)，沉降速率達(dá)到峰值，至30 d時(shí)，沉降趨于穩(wěn)定，4個(gè)建筑物監(jiān)測(cè)點(diǎn)(JC12-01，JC12-03，JC12-05，JC12-07)的最終累計(jì)沉降值分別為-9.3 mm、-11.9 mm、-13.1 mm、-9.1 mm。

圖15 建筑物沉降曲線

6 控制地層沉降的主要措施

(1)勻速通過(guò)：增加刀盤(pán)轉(zhuǎn)速，降低推力和掘進(jìn)速度，加大泡沫注入量，做好碴土改良，嚴(yán)格控制出碴量并控制好土艙內(nèi)的壓力平衡。

(2)跟蹤注漿：掘進(jìn)軟弱砂層時(shí)，采用較高的注漿壓力以提高注漿量，降低漿體因排水固結(jié)收縮引起的地層損失。

(3)二次注漿：在穿越段管片增開(kāi)注漿孔，采用水泥漿∶水玻璃(體積比)=1∶1的雙液漿進(jìn)行二次注漿，預(yù)留工后注漿補(bǔ)強(qiáng)條件，阻止地層發(fā)生進(jìn)一步沉降。

(4)地表注漿：盾構(gòu)下穿建筑物前，在房屋基礎(chǔ)外布置兩排斜向袖閥管，袖閥管距基礎(chǔ)邊的距離2 m，同排間距1.0 m，梅花形布置，打設(shè)斜孔至房屋下方，注漿壓力控制為0.8～1.2 MPa(共3次，每次持續(xù)10～20 min)。

(5)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)：盾構(gòu)下穿建筑物前，沿縱軸線每5 m布置一排地表測(cè)點(diǎn)，進(jìn)行連續(xù)測(cè)量，對(duì)位于沉降槽影響范圍內(nèi)的測(cè)點(diǎn)，應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)力度，監(jiān)測(cè)頻率1次/d，并將沉降情況反饋到后續(xù)施工中[16]。

7 結(jié)論

(1)兩個(gè)模型的比對(duì)表明，沉降峰值產(chǎn)生于拱頂上方，并大于地表、建筑物的沉降量。

(2)開(kāi)挖造成的塑性區(qū)產(chǎn)生于工作面外圍1至1.5倍洞徑的范圍。模型2中，建筑物地基距離塑性區(qū)較遠(yuǎn)，基底土體未發(fā)生破壞。

(3)建筑物的沉降主要發(fā)生在下穿階段和盾尾脫出后階段，兩個(gè)階段沉降約占累計(jì)沉降量的85%。

(4)監(jiān)測(cè)沉降值略小于數(shù)值分析結(jié)果，說(shuō)明采用動(dòng)態(tài)合理的施工控制措施，進(jìn)一步減少了沉降。