地鐵隧道盾構(gòu)施工對既有博物館樁基影響的數(shù)值分析

劉俊衡

(中鐵十四局集團隧道工程有限公司，山東 濟南 250014)

0 引 言

近年來，我國城市地下軌道交通得到了快速發(fā)展，地鐵等城市軌道交通對于緩解城市公共交通壓力，促進城市發(fā)展具有重要的意義。由于受到地下空間不足和設(shè)計規(guī)劃線路的影響，城市地鐵隧道經(jīng)常需要從既有建筑物附近穿過，其施工過程不可避免地會對鄰近建筑物樁基產(chǎn)生影響，導(dǎo)致建筑物產(chǎn)生沉降或傾斜，影響使用安全。隧道施工對鄰近建筑物的影響分析是城市隧道工程領(lǐng)域中的一個重要課題。

國內(nèi)外許多學(xué)者對隧道盾構(gòu)施工對鄰近建筑物的影響進行了研究：Loganathan等[1]通過離心試驗得到了不同隧道埋深情況下隧道開挖對鄰近樁基礎(chǔ)的影響；丁智等[2]采用二維有限元方法對不同位置建筑物工況下的隧道盾構(gòu)施工進行了研究，得出當(dāng)建筑物和盾構(gòu)隧道之間的距離在0.5～2倍隧道直徑時，建筑物受到的影響較大；任銳等[3]研究了地鐵盾構(gòu)對高層建筑的影響，提出樁柱的連接處是高層建筑在盾構(gòu)過程中的一個易損點；楊曉杰等[4]、賀美德等[5]、馬少坤等[6]分別使用有限差分法、有限元法和模型試驗法對建筑物樁基受鄰近隧道開挖的影響進行了研究。

以廣州某新建城市地鐵雙線盾構(gòu)隧道下穿既有博物館建筑為項目背景，采用數(shù)值分析方法分析隧道盾構(gòu)施工對臨近既有建筑物樁基的影響。

1 工程概況

廣州地鐵十八號線琶洲西區(qū)站—冼村站區(qū)間雙線隧道采用盾構(gòu)法施工，盾構(gòu)管片外徑為8.50 m，管片厚度為0.4 m，單環(huán)管片寬度為1.60 m，隧道頂最小埋深約18.8 m，最大埋深約31.2 m，左右線隧道軸線間距約14.6 m。隧道在某博物館樁基礎(chǔ)下方穿過，博物館基礎(chǔ)為預(yù)應(yīng)力管樁基礎(chǔ)，樁長15～20 m，承臺高1 m。博物館下方隧道的中心埋深約27.5 m，樁基與隧道管片最小凈距約為2.37 m。

2 工程地質(zhì)條件

本工程場地地貌屬于珠江三角洲沖積平原，地處珠江三角洲腹地。根據(jù)地鐵區(qū)間下穿博物館處最不利位置的鉆孔柱狀圖，該處地質(zhì)從地面往下依次為2.8 m的素填土<1-2>，7.2 m的淤泥質(zhì)粉細(xì)砂<2-2>，1.0 m的淤泥質(zhì)土<2-1B>，1.9 m的淤泥質(zhì)粉細(xì)砂<2-2>，5.6 m的強風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖<7-3>，8.5 m的中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖<8-3>，再往下為微風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖<9-3>。盾構(gòu)隧道洞身全部處于中風(fēng)化及微風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖中，且洞身上方有8.5 m的中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖。

3 三維數(shù)值分析模型的建立

根據(jù)該博物館管樁布置，盾構(gòu)隧道施工參數(shù)和材料參數(shù)以及博物館與盾構(gòu)隧道的空間立體關(guān)系，運用有限元分析軟件midas GTS建立三維有限元計算模型。模型示意圖如圖1所示。

圖1 有限元模型示意圖

施工場地周邊地層的力學(xué)性質(zhì)對盾構(gòu)隧道施工過程中博物館樁基的受力和變形起著關(guān)鍵作用，為此，進行三維模擬分析計算時須充分結(jié)合本工程的地層分布特點合理選取計算參數(shù)。本文中有限元計算模型中的地層主要根據(jù)現(xiàn)場工程地質(zhì)資料適當(dāng)進行簡化，各地層的計算參數(shù)取值主要依據(jù)相關(guān)工程地質(zhì)勘察資料和工程經(jīng)驗綜合分析確定。盾構(gòu)隧道管片使用板單元模擬，博物館樁基礎(chǔ)的模擬使用梁單元。各材料參數(shù)取值見表1所示。

表1 材料參數(shù)取值表

有限元模型的邊界條件設(shè)置為：約束模型底部x方向、模型前后面y方向、模型左右面z方向，約束樁繞z向旋轉(zhuǎn)自由度。

4 主要計算結(jié)果

隧道完全下穿后樁基豎向位移云圖如圖2所示，由圖可知，隧道盾構(gòu)施工引起的樁基最大豎向位移為-0.73 mm，發(fā)生較大豎向位移的樁基主要位于在隧道正上方，距離隧道較遠(yuǎn)的樁基位移變化較小。

圖2 樁基豎向位移云圖(單位:m)

選取受隧道盾構(gòu)施工影響較大的樁基的樁頂豎向位移進行分析，樁基編號如圖3所示，其中3#、9#、18#、19#、20#、21#樁為兩樁基礎(chǔ)，15#樁為3樁基礎(chǔ)，17#樁為四樁基礎(chǔ)，16#樁為六樁基礎(chǔ)。各樁樁頂最大豎向位移見表2所示，由表可知，在隧道盾構(gòu)施工過程中，樁頂?shù)淖畲筘Q向位移為-0.59 mm，發(fā)生在5#樁處。

圖3 主要樁基編號

5#樁在隧道盾構(gòu)施工過程中樁頂豎向位移變化曲線圖如圖4所示，由圖可知，隨著盾構(gòu)掘進，樁頂豎向位移的變化先緩后急再緩，圖中標(biāo)注位置對應(yīng)的施工步正在進行5#樁正下方的管片拼裝，該處樁頂豎向位移曲線的斜率絕對值最大。

表2 各樁樁頂最大豎向位移匯總表

圖4 5#樁樁頂豎向位移變化曲線圖

該博物館為鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，根據(jù)《廣東省建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(DBJ 15-31—2016)，框架結(jié)構(gòu)相鄰樁基沉降差的允許值為0.002l，l為相鄰樁基的中心距。相鄰樁基沉降差驗算見表3所示，相鄰樁基最大沉降差為0.19 mm，遠(yuǎn)小于規(guī)范要求，因此可判斷隧道盾構(gòu)施工不危及該博物館安全。

表3 相鄰樁基沉降差計算表

5 結(jié) 論

針對廣州地鐵十八號線琶洲西區(qū)站—冼村站區(qū)間盾構(gòu)隧道下穿既有博物館建筑，采用數(shù)值模擬方法分析了隧道盾構(gòu)施工對既有建筑物樁基的影響，得出以下結(jié)論。

隨著盾構(gòu)掘進，樁頂豎向位移的變化表現(xiàn)為先緩后急再緩， 當(dāng)樁基正下方的管片進行拼裝時， 樁頂豎向位移曲線的斜率絕對值最大。

隧道盾構(gòu)施工引起博物館樁基礎(chǔ)最大豎向位移為-0.73 mm，最大樁頂豎向位移為-0.59 mm，相鄰樁基最大沉降差為0.19 mm，小于《廣東省建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(DBJ 16-31—2016)對建筑物地基變形的允許值。