盾構(gòu)穿越既有建筑物沉降預(yù)測分析及應(yīng)用

田世文

(北京建大京精大房工程管理有限公司，北京 100044)

1 工程概況

北京某地鐵工程，線路長24.55km，設(shè)車站22座，全線共設(shè)6個盾構(gòu)區(qū)間，用5臺土壓平衡盾構(gòu)機(jī)施工完成7.3km區(qū)間隧道。盾構(gòu)區(qū)間周邊環(huán)境復(fù)雜，沿線盾構(gòu)穿越的橋梁(包括天橋、跨河橋)有8座、高速公路(含快速路)有5條、河流有3條、鐵路(含既有地鐵)有2條、下穿重要市政管線若干、下穿或鄰近建筑物眾多。

本文涉及工程轄2個盾構(gòu)區(qū)間：始發(fā)井—亮馬橋站區(qū)間(K14+741.3—K16+730.8 )長1 989.5m，為雙線。始發(fā)井—亮馬橋站區(qū)間是本條線路難度最大的盾構(gòu)區(qū)間，線路平面呈正反S狀(見圖1)，平面曲線由2個400m半徑和1個350m半徑組成。線路在豎向?yàn)椤叭恕弊中纹?，線路最大坡度為0.8%。線路埋深在18～25m。沿線下穿中國空間技術(shù)研究所的多層樓房、京順路、機(jī)場高速公路、多個過街通道及各種地下市政管線。線路有近1km在東三環(huán)主、輔路間穿行，兩側(cè)高樓林立，施工對沉降控制要求極高。

圖1 盾構(gòu)區(qū)間線路與南、北小街8號樓鄰近關(guān)系平面示意

本區(qū)間線路距建筑物較近的區(qū)段是在三源里建筑群區(qū)域，2條隧道位于三環(huán)內(nèi)側(cè)輔路下，左線隧道緊貼三環(huán)主路高架橋布置，右線隧道與左線隧道凈距5m，右線隧道另一側(cè)是沿街由北向南的北小街8號樓、南小街2號樓、6號樓、8號樓、泛旅大廈等，隧道由北向南掘進(jìn)，如圖2所示。

圖2 盾構(gòu)區(qū)間線路及南北小街8號樓鄰近關(guān)系

2 控制標(biāo)準(zhǔn)

1)現(xiàn)場勘測表明，該住宅樓上部結(jié)構(gòu)墻面裂縫較多，墻壁與屋面板有錯動痕跡，板間連接件也存在部分腐蝕，可知結(jié)構(gòu)整體性較差。并且壁板式結(jié)構(gòu)本身存在缺陷，所以，該住宅樓結(jié)構(gòu)整體剛度與強(qiáng)度均較差，對建筑物基礎(chǔ)的不均勻沉降敏感。

2)右線地鐵隧道施工會使該建筑發(fā)生靠近隧道側(cè)的不均勻沉降。

3)工程測量表明，此住宅樓存在1/1 000左右的傾斜；建筑物西北端向前傾斜1/1 000，其東南段向左、向后各傾斜1/1 000。

4)地基基礎(chǔ)控制標(biāo)準(zhǔn)：建筑物整體傾斜控制在1/1 000內(nèi)，基礎(chǔ)(臨街外墻)的最大沉降量應(yīng)控制在10mm以內(nèi)。

5)盾構(gòu)隧道穿越南小街8號樓地基鄰域時，應(yīng)對建筑物鄰域管線變形加強(qiáng)控制，以防地下水的水力作用引起地基土(特別是⑥2粉土層、⑦1中粗砂、⑦2粉細(xì)砂層)局部坍塌，誘發(fā)管道漏水，從而導(dǎo)致建筑物地基劇烈變形。

在南小街群樓中，南小街8號樓的結(jié)構(gòu)質(zhì)量最差，且與盾構(gòu)隧道距離最近。在此，對南小街8號樓受隧道施工的影響程度進(jìn)行了分析計算。

南小街8號樓于1981年設(shè)計建成，該建筑物高37.40m、長80.70m、寬13.12m，地上12層、地下2層；主體為壁板式結(jié)構(gòu)，地下2層承重墻為現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，為片筏式鋼筋混凝土基礎(chǔ)，結(jié)構(gòu)整體強(qiáng)度與剛度均較差，如圖3所示。

圖3 南小街8號樓與右線盾構(gòu)隧道的位置關(guān)系

3 沉降預(yù)測分析方法

3.1 Peck公式法

Peck認(rèn)為在不排水情況下，地表沉降槽體積與地層損失體積相等。假定地層損失沿隧道長度分布均勻，且沉降槽橫向近似為正態(tài)分布。

如圖4所示，因此提出如下地表沉降分布的預(yù)計公式：

圖4 地表橫向沉降槽

(1)

(2)

(3)

式中：Vi為隧道單位長度的地層損失；S(x)為距隧道軸線x位置地表沉降值；Smax為隧道軸線位置地表最大沉降值；φ為內(nèi)摩擦角；Z為隧道軸線埋深；i為地表沉降槽寬度系數(shù)。

O’Reilly等發(fā)現(xiàn)i的取值與隧道軸線埋深近似呈線性關(guān)系，即提出另外一種更簡捷的計算i值的方程式：

i=K·Z

(4)

式中：K為沉降槽的寬度系數(shù)；Z為隧道的軸線埋深。

Z的取值建議黏性土為0.4～0.6、砂土為0.25～0.45，所以i=0.35×13.2=4.62。至此，最大沉降量Smax只和單位長度的地層損失Vi有關(guān)。最大軸線沉降量按20mm考慮，所以根據(jù)式(4)與式(1)得出盾構(gòu)所側(cè)穿的建筑物外的最大沉降為：

但Peck公式無法考慮地表已有荷載情況下的沉降槽分布，在掘進(jìn)擾動和地表荷載情況下，土體會進(jìn)一步向隧道方向移動，會加劇不良沉降發(fā)生。為了進(jìn)一步演算土體在地表構(gòu)筑物的作用下向盾構(gòu)隧道移動的趨勢和程度，需采用數(shù)值模擬方法。

3.2 數(shù)值分析研究

通過理論計算得出盾構(gòu)施工對8號樓影響較大，本工程原設(shè)計方案地面設(shè)置隔離樁，由于工程實(shí)施過程中遇到當(dāng)?shù)鼐用窀缮?，未能?shí)施隔離樁措施。為確保盾構(gòu)安全穿越，經(jīng)多次專家會論證，并會同工程各方進(jìn)行了地鐵線路局部改線。改線后兩隧道凈距僅2m。

為了更好地分析盾構(gòu)施工對建筑物的影響，在此對距隧道最近的南小街8號樓在隧道施工過程中的影響進(jìn)行數(shù)值模擬分析計算，首先建立靜態(tài)模型(見圖5)，用來確定在允許變形范圍內(nèi)最合適的注漿壓力；其次，對盾構(gòu)施工所造成的建筑物沉降進(jìn)行動態(tài)數(shù)值模擬。

圖5 計算模型

采用的軟件是基于有限差分的數(shù)值計算軟件Flac系統(tǒng)，它是目前世界上最優(yōu)秀的巖土工程數(shù)值分析軟件之一。

首先通過Flac系統(tǒng)進(jìn)行建模，模型尺寸邊界為3倍隧道直徑。盾構(gòu)外徑為6.25m，襯砌外徑為6m，隧道埋深17.5m。模型考慮左、右線最小凈距所在Ⅳ—Ⅳ斷面(Ⅳ—Ⅳ斷面前后各取3.6m)，模型范圍為70m×7.2m×39m，x軸方向?yàn)樗较蛴?，y軸方向?yàn)榇怪毕蛏?，z軸方向?yàn)檠厮淼婪较蛳蚯啊?/p>

3.2.1Flac模型物理?xiàng)l件確定

3.2.1.1地應(yīng)力

地層水平向側(cè)壓力為垂直壓力乘以側(cè)壓力系數(shù)：

(5)

3.2.1.2邊界條件

該模型側(cè)面和底面為位移邊界，側(cè)面邊界視為連桿支座，底部邊界視為鉸支座。模型上表面為地表，取為自由邊界。

3.2.1.3變形模式、強(qiáng)度準(zhǔn)則

該模型變形模式為大應(yīng)變變形模式，強(qiáng)度準(zhǔn)則采用莫爾-庫侖準(zhǔn)則。

3.2.1.4南小街8號樓靜荷載等價

因缺乏相關(guān)設(shè)計資料，南小街8號樓建筑物作用于其筏基的應(yīng)力參考GB 50009—2019《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》估算，每層按15kN/m2考慮，簡化為矩形均布荷載。計算時此均布荷載由筏基傳遞作用于地基上。

3.2.2計算模擬步驟

研究地表沉降與圍巖變形受到盾構(gòu)隧道壁后注漿壓力的影響，研究步驟如下。

1)地層在自重作用下達(dá)到固結(jié)沉降平衡，之后對位移場賦0。

2)首先進(jìn)行左線隧道的開挖求解，待求解平衡后再進(jìn)行右線隧道開挖，由于在注漿之間存在應(yīng)力釋放，因此還要繼續(xù)計算一定的時步。

3)隨著添加注漿壓力、管片等邊界條件，達(dá)到計算平衡。

4)對計算結(jié)果進(jìn)行分析。

本文主要研究不同注漿壓力下地表的沉降與圍巖變形，對監(jiān)控點(diǎn)布置如圖6，7所示，其中19號監(jiān)測點(diǎn)監(jiān)測的是南小街8號樓地基。

圖6 地表監(jiān)測點(diǎn)布置

圖7 隧道管片及圍巖監(jiān)測點(diǎn)布置

3.2.3計算參數(shù)選取

根據(jù)三元橋—亮馬河區(qū)間試驗(yàn)段地質(zhì)勘察報告、各層巖土計算參數(shù)選取，如表1所示(從地表至計算深度)。

表1 模型物理力學(xué)參數(shù)

3.2.4基本假定

1)注漿壓力直接作用于圍巖上，且沿徑向分布。

2)注漿效果較好，盾構(gòu)開挖間隙完全填充。

3)注漿填充及時，注漿前地層未出現(xiàn)明顯坍塌。

4)管片強(qiáng)度與剛度均較大，足夠承受注漿壓力，在注漿過程中不會產(chǎn)生管片混凝土破壞或連接螺栓破壞。

3.2.5計算與分析

由于同步注漿壓力對計算襯砌管片內(nèi)力等結(jié)果影響較大，在數(shù)值模擬過程中對注漿壓力設(shè)定了6種狀態(tài)，用以揭示注漿對地層的作用機(jī)理。同步注漿的壓力形式如圖8所示。

圖8 盾構(gòu)壁后注漿壓力示意

具體的監(jiān)測點(diǎn)數(shù)值模擬結(jié)果如表2所示。

由表2可得出以下結(jié)論。

表2 不同注漿壓力下引起監(jiān)測點(diǎn)的位移變化情況 mm

1)當(dāng)注漿壓力<0.2MPa，且逐漸接近0.1MPa時，地表沉降值很大。隨著注漿壓力變小，地層沉降越嚴(yán)重。

2)當(dāng)注漿壓力>0.2MPa，且逐漸接近0.4MPa時，地表沉降量很小，能有效控制建筑物沉降在10mm內(nèi)。

3)當(dāng)注漿壓力>0.4MPa，且逐漸趨近0.6MPa時，地表沉降量可得到很好控制，但過大的注漿壓力會對區(qū)間襯砌結(jié)構(gòu)造成破壞。

總之，從以上結(jié)果得知，隨著注漿壓力增大，地層的沉降可得到很好控制。

3.2.6初步結(jié)論

由圖9可得出以下結(jié)論。

圖9 1點(diǎn)與2點(diǎn)的y向位移

右線隧道的壁后注漿會對本線路管片有一定影響，但影響較小?？傮w趨勢為隨著注漿壓力增大，兩側(cè)邊墻向外側(cè)鼓出，底板與頂板向隧道中間鼓出。右線隧道的壁后注漿也對左線隧道管片有一定影響，隨著注漿壓力增大，左線隧道出現(xiàn)輕微上浮趨勢。

1)當(dāng)注漿壓力過大時，易造成盾構(gòu)管片破損及盾尾密封系統(tǒng)損壞，且還可能剪斷管片間連接螺栓，造成隧道嚴(yán)重變形破壞。

2)當(dāng)注漿壓力過小時，漿液不能及時填充管片外部空隙，圍巖向管片方向塌陷，可能導(dǎo)致地表沉降，以致影響地表建筑物或地下管線安全。

3)右線隧道對應(yīng)地面住宅樓按評估要求，地面沉降應(yīng)控制在10mm內(nèi)，通過數(shù)值模擬分析結(jié)果，建議采用的注漿壓力為0.25～0.4MPa。

3.2.7動態(tài)開挖模擬

通過FLAC3D內(nèi)嵌的fish語言進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)了本工程中復(fù)雜巖層的定義，較準(zhǔn)確地模擬實(shí)際地層傾斜交錯尖滅狀況。整個模型范圍大小調(diào)整為70m×120m×39m，其他包括物理準(zhǔn)則、變形模式、靜荷載等價均與上述模型一致，改變后的三維模型如圖10所示。盾構(gòu)隧道與既有建筑關(guān)系如圖11所示。

圖10 三維模型

圖11 盾構(gòu)隧道與既有建筑關(guān)系(單位：m)

為了更好地監(jiān)測盾構(gòu)推進(jìn)時地表沉降情況，在建筑物和隧道沿線布置5道監(jiān)測斷面和11個實(shí)際監(jiān)測點(diǎn)，如圖12所示。

圖12 改線后隧道布局(單位：m)

由于左線隧道要提前通過該區(qū)域，且離建筑較遠(yuǎn)，所以左線隧道先行掘進(jìn)，穩(wěn)定后再進(jìn)行右線隧道掘進(jìn)。

1)地層位移變化分析(見圖13，14)

圖13 改線后Ⅰ—Ⅰ～Ⅴ—Ⅴ斷面處地層位移變化

圖14 改線后Ⅵ—Ⅵ斷面地表沉降曲線

通過數(shù)值模擬研究得出以下結(jié)論：①左線隧道開挖完畢、右線隧道未開挖時，左線隧道開挖引起南小區(qū)8號樓最大地基沉降為3.11mm；②右線開挖完畢后，南小街8號樓地基最大沉降為8mm，可滿足施工要求。

2)圍巖狀態(tài)對比分析

本小節(jié)將主要用顏色塊圖來表示圍巖的彈塑性狀態(tài)，涉及一些術(shù)語說明如下：shear-n表示圍巖正處于剪切破壞過程中，shear-p表示在過去的施工過程中圍巖已產(chǎn)生剪切破壞,tension-n表示圍巖正處于拉伸破壞過程中,tension-p表示在過去的施工過程中圍巖已產(chǎn)生拉伸破壞,none表示圍巖未受擾動。

分析計算結(jié)果如圖15所示。

圖15 改線后Ⅰ—Ⅰ，Ⅱ—Ⅱ，Ⅴ—Ⅴ斷面處塑性狀態(tài)

考察隧道開挖對圍巖產(chǎn)生擾動影響程度的方法之一就是，研究隧道開挖施工后引起圍巖彈塑性狀態(tài)的變化。通過上述方案對比分析，得出以下結(jié)論：南小街8號樓周圍地層雖受擾動，但進(jìn)入塑性區(qū)的區(qū)域不大，對樓體的安全不會造成很大影響。

3.3 現(xiàn)盾構(gòu)掘進(jìn)采取的措施

1)盾構(gòu)掘進(jìn)前，必須詳細(xì)調(diào)查周邊管線和建筑的參數(shù)，如管線類型、距離隧道關(guān)系及建筑物的基礎(chǔ)尺寸、基礎(chǔ)埋深、建設(shè)年代層高等。

2)在靠近建筑物掘進(jìn)前，先進(jìn)行不小于建筑物范圍長度的試驗(yàn)，獲取試驗(yàn)段的掘進(jìn)參數(shù)、注漿壓力、掘進(jìn)姿態(tài)等。本工程現(xiàn)場選取30m試驗(yàn)段，對盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)、注漿壓力進(jìn)行了分析優(yōu)化。

3)在穿越既有建筑物前，要保持良好的盾構(gòu)姿態(tài)，穿越過程中要盡量避免過大糾偏。

4)注漿壓力按現(xiàn)場試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，為了防止?jié){液損失，可適當(dāng)加大密封油脂注入量。

3.4 現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬數(shù)據(jù)對比分析(見表3與圖16)

表3 現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬數(shù)據(jù)對比分析 mm

圖16 改線后現(xiàn)場實(shí)測與計算模擬數(shù)據(jù)對比平面(單位：m)

地表監(jiān)控量測采用地表和深層觀測相結(jié)合的方法。一般情況下，盾構(gòu)掘進(jìn)過程中隧道中心線的地面沉降和隆起量應(yīng)控制在10～30mm。有特殊保護(hù)要求的南小街8號樓區(qū)段應(yīng)予以嚴(yán)格控制。

通過現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬數(shù)據(jù)對比分析，得出以下結(jié)論：右線隧道掘進(jìn)結(jié)束后，地表最大沉降為-19.03mm，南小街8號樓地基沉降最大值為-8.17mm，樓房傾斜值為0.001 7，都控制在極限沉降值和極限傾斜值允許范圍內(nèi)。

4 結(jié)語

1)對即將穿越的地表建筑物做深入調(diào)查非常必要，對其使用年限、結(jié)構(gòu)形式、基礎(chǔ)類型、現(xiàn)有損壞程度等情況要有一個全面的掌握。

2)注重盾構(gòu)試驗(yàn)段數(shù)據(jù)積累與分析，控制盾構(gòu)掘進(jìn)過程中各項(xiàng)參數(shù)與建筑物沉降之間相互影響的內(nèi)部規(guī)律。

3)進(jìn)行合理同步注漿、二次注漿，通過實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)、現(xiàn)場監(jiān)測等手段獲得最佳漿液配合比、注漿壓力和注漿量等參數(shù)。

4)制訂必要的安全預(yù)案，防患于未然。

5)未來隧道開挖面臨更復(fù)雜的問題，大數(shù)據(jù)必然是發(fā)展趨勢，在詳細(xì)調(diào)查現(xiàn)場地質(zhì)情況的基礎(chǔ)上，采用數(shù)值模擬分析并結(jié)合開挖過程隧道及周邊建筑物的信息化監(jiān)測，及時調(diào)整施工措施，確保周邊環(huán)境和建筑物安全，是下一步盾構(gòu)工程施工亟待解決的問題。