盾構(gòu)下穿施工中土體損失和左右線施工間距對(duì)站房變形影響的數(shù)值模擬

沙俊玲，劉 洋，劉旭鵬，王 磊，劉志濤

(1.安徽建筑大學(xué) 建筑結(jié)構(gòu)與地下工程安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230601；2.安徽建筑大學(xué) 安徽省城市建設(shè)和地下空間工程技術(shù)研究中心，安徽 合肥 230601；3.中鐵隧道局集團(tuán)路橋工程有限公司，天津 300300)

為緩解地面交通壓力，實(shí)現(xiàn)快速分流，在地鐵建設(shè)過程中主要以下穿城市主干道和人口聚集地為主，這就不可避免的需要盾構(gòu)穿越火車站站房等高風(fēng)險(xiǎn)建筑。在盾構(gòu)施工過程中會(huì)對(duì)隧道周圍土體進(jìn)行卸載和重新注漿加壓等過程，打破地層原有的應(yīng)力平衡，引起隧道周圍土體擾動(dòng)和變形[1]，進(jìn)而誘發(fā)地表發(fā)生不均勻沉降和上部結(jié)構(gòu)變形。為減小盾構(gòu)施工過程對(duì)于周圍土體的擾動(dòng)，保證上部建筑物的安全[2]，需對(duì)盾構(gòu)過程中的掌子面壓力、左右線前后施工間距、注漿壓力等因素進(jìn)行嚴(yán)格控制。并且在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，由于盾構(gòu)施工暫停、盾尾注漿不及時(shí)以及小半徑盾構(gòu)推進(jìn)導(dǎo)致超挖等因素都會(huì)使得盾構(gòu)隧道挖土體積要大于實(shí)際建成隧道體積，它兩之差被稱為土體損失[3]。盾構(gòu)土體損失是引起地表發(fā)生沉降變形的主要因素之一[4-5]，我們通常用土體損失率來表示，即單位土體損失體積和單位盾構(gòu)隧道體積之比[6]。因此對(duì)于盾構(gòu)施工影響因素的控制量分析具有較大意義。

楊瀟[7]基于地層損失，并根據(jù)土體極限平衡原理和隧道周圍統(tǒng)一土體移動(dòng)模型得出盾構(gòu)掘進(jìn)土體變形修正Loganathan公式。魏綱[8]在考慮多因素情況下所造成土體變形對(duì)于土體水平位移的影響，得出盾構(gòu)隧道周圍土體的水平位移主要由土體損失引起的。王建秀[9]以地層損失為介質(zhì)，建立盾構(gòu)參數(shù)與預(yù)測地表沉降的關(guān)系，以達(dá)到控制地表沉降的目的。吳鋒波[10]收集了大量在建項(xiàng)目，統(tǒng)計(jì)分析了軟土、黏性土、砂卵石地層、風(fēng)化巖層以及黃土等的雙線隧道地層損失率平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，為預(yù)測隧道開挖影響范圍和施工提供科學(xué)依據(jù)。丁智[11]基于半無限飽和土的初值解結(jié)合相關(guān)算例，考慮了隧道先行和后行不同位置對(duì)土體擾動(dòng)的影響，得出平行隧道間距越小，二次擾動(dòng)越明顯。歐孝奪[12]基于Peck公式的基礎(chǔ)上，研究雙線隧道相互影響，并引入左右線影響系數(shù)，從而提出一種盾構(gòu)開挖引起地表沉降預(yù)測模型。

由于目前國內(nèi)外學(xué)者對(duì)于左右線盾構(gòu)施工間距影響地表沉降和建筑物變形的研究較少，本文以合肥一號(hào)線盾構(gòu)下穿合肥火車站為背景，利用Plaxis3D軟件進(jìn)行雙線隧道相隔不同掘進(jìn)環(huán)數(shù)以及用隧道收縮模擬不同地層損失率等不同工況下對(duì)站房底板變形、地表沉降進(jìn)行模擬分析。

1 工程概況和工程控制標(biāo)準(zhǔn)

1.1 工程概況

合肥一號(hào)線三期工程合肥站-瑤海公園站區(qū)間，全長采用地下盾構(gòu)法施工，其下穿合肥站房是1號(hào)線三期工程的控制節(jié)點(diǎn)。

合肥站站房為2層框架混凝土結(jié)構(gòu)，底板下基礎(chǔ)為獨(dú)立基礎(chǔ)和混凝土灌注樁，獨(dú)立基礎(chǔ)底標(biāo)高為23.75m，樁徑為1m，樁長7.1m，樁底標(biāo)高為21.75m。區(qū)間隧道正穿火車站站房與隧道位置關(guān)系如圖1所示，盾構(gòu)隧道頂距獨(dú)立基礎(chǔ)底約5.683～8.135m，盾構(gòu)隧道頂距人工挖孔樁底6.153m。

圖1 站房與隧道位置關(guān)系圖

該項(xiàng)目所采用的盾構(gòu)機(jī)為土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，并進(jìn)行雙線開挖掘進(jìn)，盾構(gòu)隧道直徑6m，左右線隧道中心間距15m。

合肥火車站地層分布主要是如圖2所示，以雜填土、黏土以及砂巖為主，其中黏土層主要是第四系全新世沖洪積層和第四系晚更新世沖洪積層，并且其含有鐵錳結(jié)核及灰白色高嶺土。

圖2 站房地層分布剖面圖

1.2 工程控制標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)CJJ/T 202-2013《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范》[13]以及合肥市黏性土層施工的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)得出合肥站站房變形嚴(yán)格控制標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 合肥站房變形控制標(biāo)準(zhǔn)

2 模型建立

2.1 數(shù)值模型和計(jì)算參數(shù)

本模型雙線隧道內(nèi)直徑6m，管片厚度0.3m，掘進(jìn)總長度約90m，左右線隧道軸心距15m，隧道中心埋深約18m，獨(dú)立基礎(chǔ)長寬高為2.4m×2.4m×3m。

建立的土體三維模型尺寸為300m×100m×50m，土體采用摩爾庫倫模型，該模型以一環(huán)管片長度為一個(gè)施工步驟(每環(huán)管片長度為1.5m)，單個(gè)隧道模擬60環(huán)施工管片，三維計(jì)算模型如圖3所示。

圖3 模型立面圖

結(jié)構(gòu)單元采用實(shí)體模型，站房現(xiàn)澆注底板和盾構(gòu)管片采用板單元模擬，站房立柱采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)錨桿模擬，為充分貼近實(shí)際，采用線彈性單元模擬站房下的基礎(chǔ)。相關(guān)地層物理性質(zhì)參數(shù)如表2和表3所示。

表2 地層參數(shù)

表3 結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.2 模擬因素及工況選取

(1)由于合肥火車站的特殊性，其每天的人員流通量巨大，對(duì)于盾構(gòu)施工工期要求在保證安全的情況下，盡可能的壓縮工期。所以模擬左右線相隔不同掘進(jìn)環(huán)數(shù)(相隔環(huán)數(shù)為10、20、40、60環(huán))，并分析其對(duì)于地表沉降和站房變形的影響，在保證施工安全的情況下，盡可能的縮短施工工期，予以實(shí)際工程指導(dǎo)。

(2)趙坤[14]對(duì)于合肥地區(qū)地層主要為黏土和軟巖地層，盾構(gòu)施工產(chǎn)生的地層損失率范圍取0.2%～1.0%。所以該模型取地層損失率為0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%等進(jìn)行模擬。

(3)模型按照實(shí)際工程進(jìn)行分工況分析，如表4所示，主要分為3個(gè)施工工況，初始工況是在已建成的新舊拼接而成的車站情況下，土體地層經(jīng)過長時(shí)間固結(jié)沉降形成較為穩(wěn)定的初始地應(yīng)力場，第二工況和第三工況主要是開始進(jìn)行盾構(gòu)左、右線的開挖，在開挖過程中主要是盾構(gòu)隧道周圍土體產(chǎn)生擾動(dòng)，然后再次達(dá)到應(yīng)力平衡狀態(tài)，主要模擬在盾構(gòu)過程中隧道開挖、管片安裝、盾尾注漿以及盾構(gòu)隧道收縮等過程。

表4 工況敘述

3 模擬結(jié)果分析

3.1 不同地層損失率對(duì)地表沉降影響

3.1.1 地層損失率理論分析

Peck[15]認(rèn)為在不考慮土體的固結(jié)排水作用下，盾構(gòu)隧道掘進(jìn)引起地面沉降的體積與地層土體損失相等，其橫向地表沉降經(jīng)驗(yàn)公式為：

(1)

由公式(1)可知橫向地表沉降經(jīng)驗(yàn)公式主要取決于沉降槽和土體損失量的大小，公式(2)為沉降槽寬度，公式(3)為土體損失量。

(2)

Vi=V1πR2

(3)

式中：S(x)—距離隧道軸心為x的地面沉降量/m；

Smax—隧道軸線上方隧道最大沉降量/m；

i—地面沉降槽寬度/m；

Vi—盾構(gòu)隧道單位長度地層損失量/(m3/m)；

V1—地層損失率；

H—隧道軸線上覆土厚度/m；

r—隧道半徑/m；

R—隧道外徑/m；

φ—各土層內(nèi)摩擦角加權(quán)平均/(° )。

可由公式(1)、(2)、(3)得出地表最大沉降量與地層損失率的關(guān)系為：

(4)

由公式(4)可知，影響地表最大沉降量因素有很多，如隧道半徑、覆土層厚度、土層內(nèi)摩擦角以及土體損失率等，在一定的項(xiàng)目中，隧道相關(guān)參數(shù)為確定量，如圖4中曲線所示，地表最大沉降量與土體損失率成正比關(guān)系，且由Peck公式推演得出，其正相關(guān)系數(shù)一定。并在圖4理論數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)Smax與V1關(guān)系對(duì)比圖中可看出，模擬出的數(shù)據(jù)離散分布在理論曲線附近，表明模擬與理論相符合。

圖4 理論數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)Smax與V1關(guān)系比對(duì)圖

3.1.2 模擬分析

由圖5可知在雙線隧道間距15m時(shí)，對(duì)于隧道半徑為3m的地表沉降為“W”型沉降槽，當(dāng)模擬土體損失增大時(shí)，地表最大沉降量也同時(shí)增大，并且可看出當(dāng)雙線隧道間距保持不變時(shí)，隨著土體損失的增大，兩隧道對(duì)中間區(qū)域影響就越明顯，其表征是隧道中間的沉降在不斷發(fā)生改變，當(dāng)土體損失足夠大時(shí)，其地表將會(huì)形成“V”型沉降槽。

如圖5所示，當(dāng)土體損失率達(dá)到0.4%時(shí)，地表最大沉降量達(dá)到3.74mm，土體損失達(dá)到0.6%時(shí)，地表最大沉降量達(dá)到6.31mm，為保證地表結(jié)構(gòu)安全以及符合相應(yīng)規(guī)范，應(yīng)控制土體損失率在0.4%左右較好。

圖5 不同土體損失下沉降圖

3.2 不同地層損失率分析雙線隧道的相互影響

在基于地層損失率的基礎(chǔ)上分析雙線隧道掘進(jìn)開挖的相互影響，如圖6所示，當(dāng)土體損失為0.2%時(shí)，右線開挖對(duì)于左線中軸線上幾乎無影響，并不會(huì)使得左線隧道中心線的地表沉降加大，只影響兩隧道之間部分的地表土體。

圖6 不同土體損失率下雙線隧道地表沉降圖

當(dāng)土體損失為0.4%時(shí)，右線隧道開挖對(duì)于左線已開挖形成的沉降槽，具有明顯的加大現(xiàn)象。

當(dāng)土體損失達(dá)到0.6%時(shí)，右線隧道的開挖對(duì)于左線已形成的沉降槽的影響略微減小。

左線隧道中心地表沉降大于右線隧道中心地表沉降，其原因在于右線隧道上部存在樁基礎(chǔ)，減小了隧道開挖對(duì)地表的影響，并且土體損失率越大，樁基礎(chǔ)對(duì)于減小地表沉降的作用越明顯。

3.3 地層損失率對(duì)站房變形影響

地表土體發(fā)生沉降和變形將會(huì)引起上部建筑物產(chǎn)生附加應(yīng)力，附加應(yīng)力將會(huì)導(dǎo)致上部建筑物發(fā)生變形、傾斜以及損壞等不良現(xiàn)象[16]。如圖7所示的左線隧道中心上部地板豎向變形可知。

圖7 不同損失率底板豎向變形

(1)隨著土體損失率增大，底板豎向變形也成階梯型增大。

(2)對(duì)于土體性質(zhì)較差的土層，損失率的改變對(duì)其影響很大，當(dāng)土體損失率達(dá)到0.4%時(shí)，站房底板的豎向沉降以達(dá)到4.66mm，為符合合肥市站房變形控制標(biāo)準(zhǔn)，需要控制地層損失率為0.4%左右。

3.4 掘進(jìn)環(huán)數(shù)對(duì)地面沉降影響

如圖8所示土體損失率為0.4%時(shí)的右線隧道中心沉降曲線可知在不同相隔環(huán)數(shù)情況下，地表沉降均是以相同沉降變形速率增大的，表明左右線以不同環(huán)數(shù)掘進(jìn)，并不會(huì)影響地表沉降的最終值，當(dāng)左右線相隔環(huán)數(shù)越大時(shí)，發(fā)生沉降變形所需計(jì)算步長越長，滯后性就越長，就可以有更多的時(shí)間觀測地表變形是否超出規(guī)定便于及時(shí)加固。

圖8 不同間隔環(huán)數(shù)隧道中點(diǎn)沉降曲線

由橫向沉降圖9可知該沉降槽為“W”型，影響區(qū)域約為24m，是雙線隧道盾構(gòu)直徑的兩倍，其沉降槽最大處分別是左右線隧道中心出現(xiàn)。先工況1左線隧道開始開挖直至40環(huán)時(shí)，地表開始因左線開挖發(fā)生沉降，形成如圖9(a)所示的單隧道沉降槽，其對(duì)應(yīng)的地層沉降云如圖9(b)所示。沉降達(dá)到最大3.57mm。然后工況2右線隧道開始開挖，形成如圖9(c)所示一大一小的沉降槽，其對(duì)應(yīng)的地層沉降云如圖9(d)所示。由于右線的開挖不僅使得右線隧道影響區(qū)域地表發(fā)生下沉，還使得兩隧道中心處發(fā)生一定沉降，但是右線的盾構(gòu)掘進(jìn)并不會(huì)對(duì)左線已開挖部分的沉降有太大的影響。直至右線隧道貫穿，如圖9(e)所示，地表沉降形成了兩個(gè)較為相等的沉降槽，，其對(duì)應(yīng)的地層沉降云如圖9(f)所示這里是因?yàn)樽笥揖€隧道中心相距較大，相互并不會(huì)發(fā)生較為明顯的影響。

(a)右線未開挖橫向沉降

3.5 掘進(jìn)環(huán)數(shù)對(duì)站房結(jié)構(gòu)變形影響

由于站房是現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)，自身彈性模量較大，在盾構(gòu)開挖過程中，站房的中板和頂板未發(fā)現(xiàn)明顯變形，只有底板隨著地面沉降發(fā)生了較大形變，如圖10所示，給出對(duì)于地層損失率為0.6%時(shí)，和左右線相隔環(huán)數(shù)為10環(huán)、20環(huán)、40環(huán)、60環(huán)時(shí)，兩隧道之間上方站房底板的豎向變形曲線，可見：

圖10 不同環(huán)數(shù)底板沉降豎向變形

(1)隨著盾構(gòu)掘進(jìn)進(jìn)程加深，站房底板沉降在隨著施工計(jì)算步長在逐漸增大，最終趨于平穩(wěn)，在左右線不同相隔環(huán)數(shù)情況下，底板最終變形都約為6.95mm；

(2)在左線隧道開挖時(shí)，不同相隔環(huán)數(shù)下底板變形均有先趨于平穩(wěn)的階段，相隔環(huán)數(shù)越大，平穩(wěn)階段的步長越長，這表明相隔環(huán)數(shù)越大，右線開挖對(duì)于底板變形的影響就越滯后；

(3)在右線開挖后，底邊變形速率明顯增大，這表明左右線的同時(shí)掘進(jìn)將加大底板變形，不利于底板保持穩(wěn)定，如果變形速率過快，變形量過大，可能會(huì)導(dǎo)致站房總體結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定。

4 結(jié)論

本文主要對(duì)合肥1號(hào)線盾構(gòu)穿越合肥火車站進(jìn)行分析，由于左右線掘進(jìn)環(huán)數(shù)的不同，以及在不同地層損失率下對(duì)于地表沉降和站房底板變形的影響，得到的主要結(jié)論如下：

(1)因左右線隧道中心距較大，左右線相隔不同的掘進(jìn)環(huán)數(shù)對(duì)于地表最終沉降影響不大，但對(duì)于其沉降速率影響較大，相隔環(huán)數(shù)越小，其沉降變形速率越大，對(duì)于控制沉降變形就越困難；

(2)左右線相隔環(huán)數(shù)越大，其沉降滯后性就越大，給予施工參數(shù)調(diào)整、二次補(bǔ)充注漿加固地層的時(shí)間就越長，由于該工程為重要施工節(jié)點(diǎn)和交通樞紐，其工期緊張，在保證地表沉降和站房變形安全的情況下，左右線最少需要相隔20環(huán)以上才能同時(shí)施工，并且在施工過程中應(yīng)采取相應(yīng)控制地表沉降的措施，如控制盾構(gòu)施工參數(shù)等，盡可能的減小盾構(gòu)開挖對(duì)土體的擾動(dòng)；

(3)土體損失率對(duì)于地表沉降的影響較大，通過控制相關(guān)盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)如，刀盤轉(zhuǎn)速、扭矩、土倉壓力以及同步注漿和二次補(bǔ)充注漿等措施控制土體損失率在0.4%以內(nèi)將符合合肥市站房變形控制標(biāo)準(zhǔn)；

(4)當(dāng)雙線隧道的土層損失越大時(shí)，左右線相互影響越明顯，對(duì)于合肥土層情況而言，控制土層損失率在0.2%以內(nèi)，可使得后掘進(jìn)隧道對(duì)于先掘進(jìn)隧道幾乎沒有影響；

(5)當(dāng)土體損失達(dá)到0.6%以上時(shí)，對(duì)于本項(xiàng)目而言，后開挖隧道對(duì)于先開挖隧道的影響相比于土體損失對(duì)于隧道的影響反而減小可得出，當(dāng)土體損失較大時(shí)，在形成“W”型沉降槽情況下，雙線隧道的影響反而在減小。如若土體損失足夠大，雙向隧道地表沉降將形成“V”型沉降槽，其先行開挖隧道和后行開挖隧道將不會(huì)對(duì)對(duì)方最大沉降造成影響，反而共同作用影響于兩隧道中心位置。