復(fù)雜地質(zhì)條件下盾構(gòu)切削建筑物樁基群影響分析

吳東亮

(1.中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司， 710043， 西安； 2.陜西省鐵道及地下交通工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中鐵一院)， 710043， 西安∥工程師)

近年來，城市地下空間資源逐漸減小，隧道建設(shè)位置受到的制約因素越來越多，多數(shù)隧道必須從樁基群中通過，甚至必須切除既有樁基[1]。根據(jù)國內(nèi)外類似工程處理措施，對于侵入隧道的樁基多采用線路調(diào)整平面、縱向主動避讓樁基、拆除建筑物、地面主動托換、暗挖洞內(nèi)托換等方案[2]。這些處理措施存在如下問題：建筑物拆遷難度大，費(fèi)用高；線路站位無法改移，且部分車站為既有車站；地面主動托換受控地面空間及借地影響，成本高，難度較大。因此，在特定條件下為保證工程快速推進(jìn)，可采用盾構(gòu)直接切樁或暗挖洞內(nèi)托換通過的方案，這對于加快工程建設(shè)，節(jié)約工程投資等具有重要意義[3-5]。

本文依托廣州市軌道交通13號線二期工程白馬崗站—天河公園站區(qū)間下穿辦公樓工程，結(jié)合盾構(gòu)法施工特點(diǎn)，探討盾構(gòu)法切樁對辦公樓受力及變形影響，以期指導(dǎo)后續(xù)類似工程。

1 工程概況

廣州市軌道交通13號線白馬崗站—天河公園站區(qū)間自天河公園站西端頭引出后，以曲線半徑R=500 m(右線R=600 m)的右轉(zhuǎn)彎，先以2‰坡度再以25‰坡度下坡向西敷設(shè)，區(qū)間左線42.9 m、右線16.2 m下穿某辦公樓地下室，下穿范圍平面布置如圖1所示。

該辦公樓建設(shè)于1998年，框架結(jié)構(gòu)，柱跨為5.55～9.00 m，地上結(jié)構(gòu)3～11層，層高3.4 m。主體結(jié)構(gòu)范圍地下室為2層，隧道下穿區(qū)域?yàn)?層地下室，地下室結(jié)構(gòu)高度4.75 m。辦公樓基礎(chǔ)形式采用人工挖孔灌注樁基礎(chǔ)，樁徑1 000 mm，樁長約16.8～25.0 m，為摩擦端承樁，樁身混凝土強(qiáng)度等級為C25。隧道側(cè)穿3號辦公樓下方樁基，水平距離約1.39 m，位置關(guān)系如圖2所示。

圖1 地鐵區(qū)間線路下穿辦公樓平面布置圖

圖2 地鐵區(qū)間線路下穿辦公樓區(qū)域3D關(guān)系圖

下穿辦公樓區(qū)域的地鐵隧道埋深約為23～24 m，下穿范圍地質(zhì)縱斷面如圖3所示。主要穿越白堊系強(qiáng)風(fēng)化礫巖〈7-1〉、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖〈7-3〉、微風(fēng)化礫巖〈9-1〉以及微風(fēng)化泥質(zhì)粉沙巖〈9-3〉。地下水主要為覆存在第四系松散層孔隙水及基巖裂隙水，穩(wěn)定水位埋深為0.20～6.80 m。

a)左線地質(zhì)縱斷面圖

b)右線地質(zhì)縱斷面圖

區(qū)間線路平面及縱斷面設(shè)計受車站站位影響無法調(diào)整，辦公樓部分樁基侵入隧道，具體情況如表1所示。本文以隧道正上方樁基(含侵入樁基)及上部結(jié)構(gòu)及地表沉降為研究對象進(jìn)行受力及變形分析。

表1 侵入隧道樁基統(tǒng)計表

2 盾構(gòu)下穿高層全過程的結(jié)構(gòu)受力及變形規(guī)律分析

2.1 模型建立

采用MIDAS-GTX/NX軟件建立三維計算模型仿真，模型采用位移邊界，底部為固定約束，限制水平向和豎向位移，模型周邊限制水平向位移。根據(jù)盾構(gòu)施工對隧道周圍土體樁基影響大小不同，對模型中各地層網(wǎng)格劃分為疏密程度不同的結(jié)構(gòu)單元。三維計算模型如圖2所示。

土假定為彈塑性材料，選擇修正的摩爾庫倫準(zhǔn)則作為土層的本構(gòu)。建筑物地下室及上部結(jié)構(gòu)、管片結(jié)構(gòu)均假定為彈性材料。結(jié)合詳勘地質(zhì)資料及收集到建筑物基礎(chǔ)資料并結(jié)合相關(guān)規(guī)范，在三維模擬計算中，所需的物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。三維計算過程中模型選取如下：① 建筑物梁、柱、承臺、樁基采用1D線單元；② 結(jié)構(gòu)板、車道板、地下室側(cè)墻、車道壁、盾構(gòu)管片采用2D單元，地層結(jié)構(gòu)采用3D實(shí)體單元；③ 模擬盾構(gòu)法掘進(jìn)過程，在隧道開挖階段及支護(hù)階段分別定義應(yīng)力釋放系數(shù)，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)應(yīng)力釋放系數(shù)取0.3；④ 盾構(gòu)推力結(jié)合現(xiàn)場情況，取500 t；⑤ 模擬過程不考慮地下水滲透影響。

2.2 施工過程模擬

本工程右線下穿辦公樓距離較短，左線距離較長，為降低盾構(gòu)施工期間對辦公樓的影響，施工過程堅持信息化施工原則，擬定右線先行通過，左線再施工。計算過程步驟如下：

步驟1:右線盾構(gòu)推進(jìn)至辦公樓前2 m；

步驟2:右線盾構(gòu)推進(jìn)通過辦公樓區(qū)域；

步驟3:右線盾構(gòu)推進(jìn)離開辦公樓影響區(qū)；

步驟4:左線盾構(gòu)推進(jìn)至辦公樓前2 m；

步驟5:左線盾構(gòu)推進(jìn)通過辦公樓區(qū)域；

步驟6:左線盾構(gòu)推進(jìn)離開辦公樓影響區(qū)。

表2 各土層力學(xué)參數(shù)表

2.3 盾構(gòu)下穿及切樁過程建筑物沉降及變形響應(yīng)

結(jié)合辦公樓樁基與隧道平面關(guān)系(見圖4)，采用三維仿真模型對盾構(gòu)下穿前、切樁過程、通過后三階段進(jìn)行模擬，并提取主要影響范圍樁基沉降及變形值進(jìn)行分析。

2.3.1 盾構(gòu)下穿及切樁過程地表、樁基沉降與變形分析

按擬定施工步驟分別對左右線下穿前、切樁過程、下穿后的地下室樁基沉降、地表沉降進(jìn)行分析。經(jīng)分析在下穿前樁基及地表沉降及變形近乎為零，沉降及變形主要發(fā)生在切樁過程和下穿后，計算結(jié)果如表3所示。

分析計算結(jié)果，得出如下結(jié)論：

1) 右線先行開挖后，先后對1#、2#、3#樁基進(jìn)行截樁，右線上方地面沉降較大，最大沉降發(fā)生于1#樁基位置，最大沉降量9 mm，該位置樁基最大沉降10.1 mm。右線先行對左線上方沉降影響較小，沉降值約3.3～4.0 mm。

圖4 辦公樓樁基與隧道平面關(guān)系圖

表3 盾構(gòu)下穿全過程地下室樁基最大沉降表mm

2) 左線開挖后，先后對33#、18#、19#、10#、11#樁基進(jìn)行截樁，近距離正穿12#樁基，左線盾構(gòu)施工最大沉降發(fā)生于10#樁基位置，最大沉降量10.7 mm，該位置樁基最大沉降11.8 mm。左線施工對右線上方沉降產(chǎn)生的影響較小，左線盾構(gòu)施工期間右線地表沉降值約1.3～2.1 mm。

2.3.2 盾構(gòu)下穿過程建筑物沉降及位移分析

采用三維仿真模型對盾構(gòu)下穿全過程進(jìn)行了分析，提取了下穿辦公樓全過程的辦公樓沉降、變形、傾斜值的最大值，結(jié)果如圖5～圖7所示。

圖5 下穿后地面建筑與地下室沉降云圖

分析可知:相鄰樁基最大沉降差為5.8 mm，柱間距為9 m;框架結(jié)構(gòu)相鄰柱基礎(chǔ)沉降差率為5.8mm/9 000 mm=0.000 64<0.002，滿足規(guī)范要求。

圖6 樁基豎向沉降云圖

圖7 建筑物傾斜變形云圖

辦公樓傾斜最大位置處，最上層監(jiān)測點(diǎn)水平變形約2.8 mm，±0.000處水平變形約1.4 mm，變形差1.4 mm，建筑物傾斜值為1.4 mm/23 800 mm(辦公樓高度)=0.000 6<0.004，滿足規(guī)范要求。因此,盾構(gòu)下穿辦公樓全過程辦公樓結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。

3 盾構(gòu)下穿辦公樓過程變形規(guī)律實(shí)測分析

3.1 施工工籌安排

根據(jù)盾構(gòu)下穿辦公樓全過程的三維分析結(jié)果，盾構(gòu)施工過程按右線試驗(yàn)段、右線掘進(jìn)段、右線掘進(jìn)完成、左線試驗(yàn)段、左線掘進(jìn)段、左線掘進(jìn)完成共6個階段進(jìn)行。

3.2 盾構(gòu)施工過程辦公樓變形規(guī)律實(shí)測分析

盾構(gòu)施工過程中，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)施條件，對盾構(gòu)施工全過程隧道影響范圍內(nèi)的辦公樓結(jié)構(gòu)柱進(jìn)行沉降及變形監(jiān)測，結(jié)構(gòu)柱沉降變形趨勢如圖8和圖9所示。

分析現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果可以得出如下結(jié)論：

1) 右線盾構(gòu)下穿后盾構(gòu)正上方結(jié)構(gòu)柱最大沉降7.5 mm，相鄰柱子沉降差小于5 mm，左線盾構(gòu)下穿過程地下室柱子最大沉降7.67 mm，相鄰柱子沉降差小于5 mm，與數(shù)值計算結(jié)果基本相符?？蚣芙Y(jié)構(gòu)相鄰柱基礎(chǔ)沉降差<0.002L(L為相鄰柱的中心間距)，建筑物在盾構(gòu)下穿過程安全可控[6]。

圖8 右線施工期間結(jié)構(gòu)柱沉降變形趨勢

圖9 左線施工期間結(jié)構(gòu)柱沉降變形趨勢

2) 建筑物在下穿及切樁過程沉降速率較大。

3) 由于同步及二次注漿漿液凝結(jié)需一定時間，建筑物在盾構(gòu)通過后仍呈現(xiàn)緩慢下沉趨勢。

4 管片結(jié)構(gòu)受力分析

隧道管片作為永久受力構(gòu)件，在承受水土壓力的同時需承擔(dān)上部樁基傳遞給管片的附加荷載。管片結(jié)構(gòu)設(shè)計時需合理選擇上部荷載，以保證施工及運(yùn)營階段建筑物及隧道的安全。

4.1 荷載取值

管片荷載計算時水土壓力、地面恒載及活載按規(guī)范取值，本文重點(diǎn)對盾構(gòu)切樁范圍樁端荷載、殘余荷載取值進(jìn)行分析。

為保證上部結(jié)構(gòu)及管片安全，計算過程樁端荷載=上部結(jié)構(gòu)荷載-樁側(cè)摩阻力。樁側(cè)摩阻力計算時應(yīng)考慮盾構(gòu)管片對側(cè)阻力影響，本文分析時考慮1倍盾構(gòu)直徑范圍樁側(cè)摩阻力損失。

4.2 受力分析

以10#樁基為例，隧道與樁基關(guān)系如圖10所示。計算結(jié)果表明,樁端剩余集中力為1 011.5 kN(如表4所示)，該部分力考慮由管片承擔(dān)?；炷凉芷氖芰τ嬎闳绫?所示。

表4 樁端集中力計算分析表

圖10 隧道與10#樁基關(guān)系圖

表5 內(nèi)力計算統(tǒng)計表

通過驗(yàn)算，采用混凝土管片時結(jié)構(gòu)受力無法滿足要求[7]，故將10#樁基范圍管片調(diào)整為鋼管片。

5 結(jié)語

本文采用三維仿真模型對盾構(gòu)下穿高層建筑全過程進(jìn)行數(shù)值模擬，計算得出盾構(gòu)下穿全過程的沉降及變形數(shù)據(jù)，并與現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，得出以下結(jié)論：

1) 本工程盾構(gòu)切樁下穿高層建筑物變形及差異沉降小于規(guī)范允許值，建筑物可正常使用。

2) 在盾構(gòu)下穿完成后，受同步及二次注漿凝結(jié)時間影響，建筑物仍持續(xù)沉降一段時間，但沉降值占總沉降量比例較低。

3) 對于敏感建筑物建議改良同步注漿及二次注漿材料，以縮短凝結(jié)時間，保證漿液快速達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度。

4) 切樁范圍盾構(gòu)管片荷載計算時應(yīng)合理考慮樁端殘余荷載，建議結(jié)合地質(zhì)條件至少考慮樁端1倍管片直徑范圍的摩阻力損失。

5) 盾構(gòu)直接切樁下穿建筑物施工方案，在地質(zhì)條件較好，且管片結(jié)構(gòu)、盾構(gòu)機(jī)外殼受力滿足要求時為安全可靠的施工方案。