砂卵石地層城市地鐵修建對既有建筑物影響分析*

陳 煒，畢志華，孫海峰，彭小雨，王 亞

(1. 中國水利水電第四工程局有限公司，河南 洛陽 471000； 2.西南交通大學，四川 成都 610031)

0 引言

近年來，隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，大力推進城市建設的同時，出現(xiàn)交通擁堵、城市環(huán)境日益惡化等問題。地鐵作為一種安全、快捷、高效、環(huán)保的交通方式，迅速成為解決交通問題的首要選擇[1-3]。城市地鐵施工主要包括基坑開挖卸載與后期建筑施工加載、區(qū)間隧道施工，這兩部分施工會對地表既有建(構(gòu))筑物產(chǎn)生不利影響。關于城市地鐵施工對地表既有建(構(gòu))筑物的影響及控制措施，已有一定的研究成果。

在基坑施作方面，不少學者對基坑開挖進行全過程有限元模擬，分析基坑開挖時土體的應力變化，并總結(jié)基坑圍護結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律[4-5]。結(jié)合大量軟土地層基坑施工案例與模型試驗結(jié)果，對比研究基坑開挖對建筑物樁基變形的影響規(guī)律[6-7]。建立基坑開挖數(shù)值模型，分析基坑圍護結(jié)構(gòu)、周邊地表沉降、鄰近建筑物沉降間的作用關系，并歸納總結(jié)其變化規(guī)律[8-10]。在區(qū)間盾構(gòu)隧道施工方面，通過分析盾構(gòu)施工周圍沿線既有建筑物的環(huán)境風險，給出地表沉降計算方法[11]。利用有限元軟件研究盾構(gòu)掘進對既有建筑物受力和變形的影響規(guī)律[12-15]。利用有限元軟件分析不同圍巖、埋深下盾構(gòu)隧道穿越既有建筑時的地表沉降及變形規(guī)律[16]。

現(xiàn)有研究大多單獨考慮城市地鐵施工過程中地鐵車站和區(qū)間隧道施工影響，綜合考慮兩者施工影響的研究尚不多見。

1 工程概況

洛陽市軌道交通1號線麗景門—青年宮區(qū)間隧道(DK16+782.840—DK17+855.778)西起西關路，沿中州東路向東鋪設，止于青年宮，左、右區(qū)間共長2 150.202m， 右線在DK16+800—DK16+940近距離下穿地標建筑物九龍鼎，且九龍鼎距麗景門站東端頭最近約29.9m，九龍鼎與雙線隧道關系如圖1所示。

圖1 九龍鼎與雙線隧道關系

2 數(shù)值模擬分析

2.1 模型建立

在模擬過程中取基坑深度18m，雙線隧道中心線間距16.1m，考慮到基坑開挖影響范圍為開挖深度的3～5倍，隧道開挖影響范圍為開挖洞徑D(6m)的3～5倍，綜合考慮模型尺寸為x=81m，y=50m，z=201m。其中，麗景門站基坑長60m、寬24m，東側(cè)端頭距九龍鼎30m，西側(cè)端頭距九龍鼎90m，整體模型如圖2所示。

圖2 整體模型

2.2 計算參數(shù)

模型土體采用Druker-Prager屈服準則，土體材料具體取值如表1所示。

表1 土體材料參數(shù)

九龍鼎自身及底層基礎、基坑開挖過程中的支護結(jié)構(gòu)、隧道開挖過程中的襯砌結(jié)構(gòu)及注漿層均采用彈性材料模擬，具體參數(shù)取值如表2所示，其中第1類鋼支撐為基坑施工中第2，4道鋼支撐，第2類鋼支撐為第3，5道鋼支撐。

表2 支護結(jié)構(gòu)材料參數(shù)

2.3 計算過程控制

先開挖麗景門站基坑，再進行隧道開挖，雙線隧道及基坑位置關系如圖3所示。

圖3 雙線隧道及基坑位置關系

1)麗景門站基坑開挖 通過單元的“殺死”與激活模擬基坑開挖與支護，模擬施工步驟為：冠梁及灌注樁自重應力平衡，第1道混凝土支撐施作，開挖區(qū)1開挖(3m)，第2道鋼支撐施作，開挖區(qū)2開挖(3.5m)，第3道鋼支撐施作，開挖區(qū)3開挖(3.5m)，第4道鋼支撐施作，開挖區(qū)4開挖(4m)，第5道鋼支撐施作，開挖區(qū)5開挖(4m)。

2)麗景門站—青年宮站區(qū)間隧道開挖 隧道開挖順序為左1隧道→左2隧道→右1隧道→右2隧道，由于管片幅寬為1.5m，計算中每個開挖步長均取兩環(huán)管片幅寬，即3m，每條線開挖46步，雙線共92步。具體模擬過程為：①地層自重固結(jié)沉降；②開挖兩環(huán)管片土體，釋放25%的地層荷載；③拼裝管片并脫出盾尾，釋放剩余75%的地層荷載；④管片脫環(huán)，6環(huán)范圍內(nèi)注漿層為未固化狀態(tài)，超出6環(huán)變?yōu)楣袒癄顟B(tài)。

2.4 監(jiān)測斷面及監(jiān)測點布置

1)監(jiān)測斷面布置 為準確得到砂卵石地層下基坑及隧道施工時地表橫、縱向的沉降規(guī)律，選取縱向監(jiān)測斷面1，2、橫向監(jiān)測斷面1，2進行監(jiān)測分析(見圖2)。

2)九龍鼎監(jiān)測點布置 在建筑物九龍鼎布設8個沉降監(jiān)測點，如圖4所示。

圖4 九龍鼎監(jiān)測點布置

2.5 車站施工沉降特性分析

2.5.1地表沉降

基坑開挖過程中縱向監(jiān)測斷面1，2的沉降變化趨勢相似，橫向監(jiān)測斷面1，2的沉降變化趨勢相似，以縱向監(jiān)測斷面2、橫向監(jiān)測斷面2為例，繪制地表沉降曲線，如圖5所示。由圖5a可知，縱向監(jiān)測點主要監(jiān)測沉降變形，隨基坑開挖深度的增加而增加，主要變形區(qū)距基坑邊緣0～30m(1.7H，H=18m)。靠近基坑圍護結(jié)構(gòu)端部的土體發(fā)生沉降，隨著距離基坑的水平位移增加，沉降值逐漸減小，在距基坑邊緣位置50m左右沉降變形逐漸趨于穩(wěn)定。由圖5b可知，橫向監(jiān)測斷面監(jiān)測沉降變形，曲線整體呈U形，靠近基坑圍護結(jié)構(gòu)中間部位沉降值最大，隨著橫向水平距離的增加，地表沉降值逐漸減小，橫向監(jiān)測斷面變形值均<4mm。

圖5 地表沉降曲線

2.5.2既有建筑物沉降

繪制九龍鼎各監(jiān)測點變形曲線，如圖6所示。

圖6 九龍鼎各監(jiān)測點變形曲線

由圖6a可知，開挖區(qū)1施作完成時，各監(jiān)測點均發(fā)生輕微沉降，其中監(jiān)測點B沉降值最大，為0.75mm。隨著基坑的開挖，各監(jiān)測點變形均有所增加，監(jiān)測點B，C距基坑位置相對于其他監(jiān)測點較近，故受基坑開挖施工影響相對較大，最大變形值分別為4.41，4.11mm。

由圖6b可知，隨著開挖深度的增加，監(jiān)測點A～E， B～F，C～G，D～H間的差異沉降逐漸增加，基坑開挖完成時，各監(jiān)測點差異沉降達到最大，分別為0.43，3.05，2.60，2.05mm，可見最大差異沉降位于監(jiān)測點B～F處，A～E處相對較小。

2.6 盾構(gòu)區(qū)間施工沉降特性分析

2.6.1地表沉降

橫向監(jiān)測斷面2隨盾構(gòu)隧道開挖沉降變化曲線如圖7所示。

圖7 橫向監(jiān)測斷面2隨隧道開挖沉降曲線

由圖7a可知，橫向監(jiān)測斷面2變形呈U形分布，主要沉降區(qū)域為左線中心線-21～15m(-3.5D～2.5D)。刀盤距橫向監(jiān)測斷面>18m時，各監(jiān)測點變形隨著開挖斷面的推進變化不大；刀盤距橫向監(jiān)測斷面2為12m時，橫向監(jiān)測斷面已產(chǎn)生沉降變形，且隨距左線隧道中心軸線距離的增加而逐漸減小，最終趨于穩(wěn)定；隨著刀盤的繼續(xù)推進，地表沉降增幅逐漸增大，且橫向影響范圍也逐漸擴大，當隧道掘進至橫向監(jiān)測斷面2正下方時，最大地表沉降值為3.05mm；當?shù)侗P穿出監(jiān)測點18m時，橫向監(jiān)測斷面2的沉降基本完成。在整個左2線施工過程中，左線隧道中心線正上方監(jiān)測點沉降值最大，監(jiān)測點距隧道中心線越遠，沉降越小，左線隧道貫通時，最大沉降值為5.48mm。

由圖7b可知，隨著隧道右2線的開挖，地表沉降U形分布曲線中心線逐漸向右側(cè)偏移。開挖面距橫向監(jiān)測斷面2為18m時，隧道右線附近地表沉降值明顯增大；開挖面位于橫向監(jiān)測斷面2正下方時，左、右線中心線處地表沉降值分別為6.75，5.53mm；刀盤穿出橫向監(jiān)測斷面2為18m時，地表沉降基本穩(wěn)定。右2線隧道貫通時，地表最大沉降值為8.53mm，位于雙線隧道中心位置，總體上看橫向影響范圍大致分布在隧道右線中心線-24～24m(-4D～4D)，此范圍為主要沉降區(qū)域。

2.6.2既有建筑物沉降

隧道掘進過程中，九龍鼎監(jiān)測點A～H隨開挖斷面變化變形曲線如圖8所示。

圖8 九龍鼎監(jiān)測點隨開挖斷面變化變形曲線

由圖8a可知，各監(jiān)測點位移變化存在時空差異，但變化趨勢基本一致，監(jiān)測點A，B，H受左2線隧道開挖斷面變化響應最顯著，其次是監(jiān)測點C，G。左2線隧道掘進初期，監(jiān)測點A，B，H沉降變化較小，在開挖斷面達到監(jiān)測點中心前18m時，曲線出現(xiàn)拐點，監(jiān)測點變形速率加快，開挖斷面通過監(jiān)測點中心點后18m，各監(jiān)測點變形趨于穩(wěn)定，最終值分別為0.45，2.27，-0.71mm，說明開挖斷面距監(jiān)測點中心-18～18m為各監(jiān)測點變形顯著區(qū)域。

由圖8b可知，右2線隧道正穿既有建筑物九龍鼎，故右2線盾構(gòu)掘進對各監(jiān)測點變形影響較左2線掘進大。右2線掘進過程中，各監(jiān)測點沉降曲線變化趨勢基本一致，右2線掘進初始階段，各監(jiān)測點變形均較小，掘進至距九龍鼎中心15m左右，變形速率開始增大，在穿越監(jiān)測點中心后15m左右變形達到最大，并逐漸趨于穩(wěn)定。監(jiān)測點H沉降值最大，從開始的-0.76mm 變化為左2線貫通時的-6.97mm， 產(chǎn)生6.21mm的豎向沉降。

3 現(xiàn)場監(jiān)測分析

3.1 監(jiān)測點布置

工程現(xiàn)場監(jiān)測點布設如圖9所示。

圖9 監(jiān)測點布置

3.2 地表沉降對比分析

根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，繪制監(jiān)測線1，2地表沉降曲線，如圖10所示。

圖10 監(jiān)測線1，2工后地表沉降曲線

由圖10可知，監(jiān)測線1，2在左線貫通后均出現(xiàn)U形沉降槽，在雙線貫通后出現(xiàn)W形沉降槽，而數(shù)值模擬結(jié)果表現(xiàn)為左線貫通時出現(xiàn)U形沉降槽，雙線貫通時U形槽加深、沉降區(qū)域擴展，與監(jiān)測規(guī)律并不完全一致；從施工沉降槽寬度來看，工程中實際沉降槽寬度為左線貫通時4D、雙線貫通時7D，對比數(shù)值模擬結(jié)果中左線貫通時6D、雙線貫通時8D，其吻合度較好；從工后最終沉降值來看，數(shù)值模擬結(jié)果在左線貫通、雙線貫通后的最大沉降值分別為5.45，8.53mm，監(jiān)測線2對應沉降值分別為3.8，4.4mm，與數(shù)值模擬結(jié)果相比較小。

3.3 九龍鼎沉降對比分析

組1，2，3監(jiān)測點環(huán)繞九龍鼎結(jié)構(gòu)物以間距4m均勻布置(見圖9)，前述關鍵工序下數(shù)值模擬結(jié)果與實際監(jiān)測點位工后沉降對比曲線如圖11所示。

圖11 監(jiān)測點工后沉降對比曲線

由圖11可知，由于基坑及隧道左線距九龍鼎較遠，數(shù)值模擬中對應沉降值較小，而九龍鼎結(jié)構(gòu)對隧道右線開挖較敏感，右線隧道貫通后，九龍鼎周邊監(jiān)測點位最大沉降值約6mm，較施工監(jiān)測數(shù)據(jù)略大，但數(shù)值模擬結(jié)果與施工監(jiān)測規(guī)律基本一致。

4 結(jié)語

1)基坑施作過程中，隨著基坑開挖深度的增加，縱、橫向監(jiān)測斷面各監(jiān)測點變形逐漸增大，且隨著與基坑圍護結(jié)構(gòu)距離的增加，影響越來越弱。在距基坑圍護結(jié)構(gòu)水平距離0～50m(2.8H，H=18m)時，地表表現(xiàn)為沉降變形，主要變形區(qū)段距基坑圍護結(jié)構(gòu)水平距離0～30m(1.7H)。

2)基坑開挖時，九龍鼎各監(jiān)測點均呈沉降變形，且隨開挖深度的增加而增大，同時各監(jiān)測點間的差異沉降也與開挖深度呈正相關，因此在實際施工過程中，應加強對既有建筑物的監(jiān)控量測。

3)雙線隧道開挖時，開挖斷面距橫向監(jiān)測斷面-21～15m(-3.5D～2.5D)時，各監(jiān)測點變形對開挖斷面變化響應顯著；雙線隧道貫通時，盾構(gòu)施工的沉降槽分布在雙線隧道中心線-24～24m(-4D～4D)，此區(qū)域為主要沉降區(qū)域，因此在刀盤通過既有建筑物前3.5D、后2.5D，可適當降低施工速度，增大盾尾注漿量來控制既有建筑物變形，同時加強雙線隧道中心-4D～4D監(jiān)測點的監(jiān)控量測。

4)左2線及右2線施工導致九龍鼎各監(jiān)測點產(chǎn)生沉降變形，主要變形區(qū)段為通過前10環(huán)、通過后15環(huán)；在左2線及右2線貫通過程中，D～H的差異沉降均為最大，建議在主要區(qū)段加強監(jiān)控量測且采取相應的變形控制措施。