小半徑曲線隧道盾構(gòu)近距下穿既有建筑物影響研究

陳 攀，劉臻煌，谷云秋，匡渝陽，寧英杰

(1.北京城建勘測設(shè)計研究院有限責(zé)任公司寧波華東分院，浙江 寧波 315000；2.湖南建工集團總承包公司，長沙 410029；3.寧波市公路與運輸管理中心，浙江 寧波 315040；4.浙江交工新材料有限公司，杭州 311400；5.浙江大盈建設(shè)有限公司，杭州 311203)

隨著我國城市軌道交通等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速發(fā)展，地鐵與城際交通隧道工程與日俱增。但城市建筑物密集，新建隧道的線形選擇和空間布局受限條件諸多，下穿既有建筑物的工程案例[1-3]日益增多。采用盾構(gòu)隧道下穿建筑物時，會對周圍土體和建筑物產(chǎn)生一定影響，嚴重時會使建筑物出現(xiàn)開裂甚至破壞[4-5]。目前，許多學(xué)者對盾構(gòu)施工時建筑物結(jié)構(gòu)和隧道本身的安全問題進行了大量研究。

吳迪等[6]采用現(xiàn)場實測和有限元分析法對曲線隧道盾構(gòu)施工進行全過程模擬，分析了隧道曲率半徑和千斤頂不平衡推力對隧道周邊土體位移的影響；丁慧文[7]針對軟巖地層中小半徑曲線隧道施工存在的問題進行分析，并提出了相應(yīng)的解決方案和措施；張瓊方等[8]針對軟土地區(qū)盾構(gòu)隧道下穿地鐵施工過程進行現(xiàn)場監(jiān)測，分析了下穿施工對已建隧道位移的影響過程和變形特點；王忠昶等[9]以大連地鐵隧道盾構(gòu)工程為背景,采用Adina程序建立了隧道-土體-基礎(chǔ)-建筑物的共同作用模型，模擬了隧道開挖造成隧洞周圍地層損失和應(yīng)力的重分布，獲得了建筑結(jié)構(gòu)的位移及內(nèi)力變化規(guī)律。從以上研究可以看出，學(xué)者在盾構(gòu)直線隧道對構(gòu)筑物的影響研究較多[10-12]。然而，受城市規(guī)劃的制約或既有建筑的影響，部分路段在修建地鐵時，隧道盾構(gòu)掘進路線不得已采用小半徑曲線模式。相較直線隧道，小半徑曲線盾構(gòu)隧道受既有建筑、地下水滲流、巖土介質(zhì)等周邊環(huán)境因素的影響更大，掘進過程中，周圍建筑物損壞風(fēng)險增高。因此，本文以某小半徑曲線隧道盾構(gòu)轉(zhuǎn)彎下穿既有建筑物為例，分析盾構(gòu)施工對地層變形及建筑物的影響規(guī)律。

1 工程概況

1.1 盾構(gòu)隧道及既有建筑物

某線路區(qū)間為雙洞單線隧道，區(qū)間起訖里程為CK29+336.343～CK30+727.092，最小圓曲線半徑350 m，區(qū)間隧道頂部埋深約為18.1 m～29.9 m，采用2臺Φ6.34 m土壓平衡式盾構(gòu)機施工。盾構(gòu)法區(qū)間襯砌管片外徑為6.2 m，內(nèi)徑為5.5 m，管片厚度為35 cm，環(huán)寬1.2 m，襯砌環(huán)錯縫拼裝。在里程CK30+430～CK30 +550段盾構(gòu)連續(xù)下穿和側(cè)穿構(gòu)筑物。其中酒店和生活小區(qū)高層建筑物與雙線盾構(gòu)的平面位置關(guān)系如圖1所示。酒店(高20 m)和生活小區(qū)高層建筑物(高45 m)主體均為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)采用直徑為0.9 m的鉆孔灌注樁，樁長15 m。

圖1 隧道與建筑物平面位置Fig.1 Plane position of tunnel and building

1.2 地質(zhì)條件

根據(jù)地勘資料，本區(qū)段盾構(gòu)穿越地層主要為：粘質(zhì)粉土夾粉砂、粘質(zhì)粉土夾粉質(zhì)粘土、粉砂、粘土、粉質(zhì)粘土。另外，工程北部靠近長江，南部靠近湖泊，該區(qū)有著非常龐大的地表水系，本區(qū)段的地下水為上層滯水和承壓水。

1.3 施工難點

在本工程中，盾構(gòu)下穿酒店和高層建筑物的難度較大，主要表現(xiàn)在：1) 穿越處地層多為粉質(zhì)粘土，土層含水量大，地層變形沉降值大。盾構(gòu)隧道距灌注樁距離較近，最小水平間距為5.4 m，豎向凈距最小約2.46 m，貿(mào)然施工會對既有建筑物基礎(chǔ)產(chǎn)生嚴重擾動，嚴重威脅既有建筑物安全；2) 由于盾構(gòu)下穿處地層多為粉質(zhì)粘土，土層含水量大，盾構(gòu)過程中存在刀盤堵塞風(fēng)險；3) 在曲線轉(zhuǎn)彎處，由于管片的特殊受力狀態(tài)，管片與管片之間存在斜向應(yīng)力，使前方管片內(nèi)側(cè)角和后方管片外側(cè)角形成2個薄弱點，可能導(dǎo)致管片之間產(chǎn)生相對位移，形成錯臺，嚴重時會引起管片破裂。

2 盾構(gòu)下穿變形控制措施

2.1 建筑物及地表沉降控制

為減小盾構(gòu)下穿過程中對建筑物及地面的擾動，在盾構(gòu)開始之前對隧道周圍土體采用二重管無收縮WSS功法進行注漿加固，注漿厚度為2 m。注漿孔采用跳注梅花形布置，如圖2所示。

2.2 管片安裝與間隙控制

在小半徑曲線段，盾構(gòu)機轉(zhuǎn)彎速度較大時，隧道外側(cè)盾尾間隙就會降低。而如果管片由于楔形量的因素出現(xiàn)提前轉(zhuǎn)彎時，那么隧道內(nèi)側(cè)盾尾間隙也會縮小。因此，在難以利用盾構(gòu)推進與管片拼裝的手段來實現(xiàn)盾尾間隙調(diào)節(jié)時，選用楔形管片與直線型管片交換的模式來實現(xiàn)盾尾間隙的調(diào)節(jié)。

單位：m圖2 注漿加固布置Fig.2 Layout of grouting reinforcement

2.3 盾構(gòu)姿態(tài)控制

地鐵隧道盾構(gòu)機在施工過程中，在軟弱圍巖段掘進中易出現(xiàn)因自重導(dǎo)致“栽頭”現(xiàn)象，以及左右轉(zhuǎn)彎時盾構(gòu)機姿態(tài)控制易出現(xiàn)不精確現(xiàn)象，特別是小半徑曲線段轉(zhuǎn)彎過程施工極為困難。因此，為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，選用了一種帶有姿態(tài)調(diào)整裝置的地鐵隧道盾構(gòu)機，如圖3所示。該機通過對各液壓缸撐頂距離的協(xié)調(diào)調(diào)整，來增加掘進過程中盾構(gòu)機某方向的掘進超前量，從而實現(xiàn)盾構(gòu)機姿態(tài)調(diào)整。

(a) 姿態(tài)調(diào)整裝置結(jié)構(gòu)示意

2.4 既有建筑物變形控制標準

盾構(gòu)隧道距灌注樁較近，施工難度較大，參考國內(nèi)其他地區(qū)類似項目，并結(jié)合《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(GB 50007—2011)[13]相關(guān)要求及工程實際特點[14-15]，確定建筑物變形控制標準為：地表沉降速率≤1 mm/d，累計沉降≤20 mm，建筑物局部傾斜≤0.002。

3 數(shù)值模擬

為探明小半徑曲線隧道盾構(gòu)下穿既有建筑物過程中對建筑物本身產(chǎn)生的影響，以及采取加固控制措施后盾構(gòu)下穿既有建筑物是安全的，采用Midas GTS NX軟件進行建模分析。

3.1 模型概況

考慮到盾構(gòu)施工引起的邊界效應(yīng)，根據(jù)相關(guān)文獻并結(jié)合實際工程[16]，模型水平方向尺寸取盾構(gòu)隧道位置深度的3～5倍、豎向取2～4倍，確立計算模型尺寸為長200 m×寬150 m×高60 m。土體采用三維實體單元，樓板、隧道管片采用板單元，鋼筋混凝土柱和樁基礎(chǔ)采用梁單元，地表注漿后與土層成為一個整體，用實體單元模擬，通過改變參數(shù)實現(xiàn)其作用。三維有限元精細化模型如圖4所示。模型上表面邊界設(shè)為自由邊界，底面約束其全位移，各側(cè)向約束其法向位移，土體采用修正的摩爾-庫侖彈塑性本構(gòu)模型，建筑物及地鐵區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)構(gòu)件采用彈性本構(gòu)模型。

單位：m圖4 三維有限元模型Fig.4 3D finite element model

3.2 模型參數(shù)選取

根據(jù)巖土工程勘察報告和地鐵與建筑物的設(shè)計資料，材料力學(xué)參數(shù)取值如表1和表2所示。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of soil layers

表2 結(jié)構(gòu)材料力學(xué)參數(shù)Table 2 Mechanical parameters of structural materials

3.3 盾構(gòu)隧道施工過程模擬

在隧道盾構(gòu)施工中，為減少開挖引起的地層變形，需對盾構(gòu)尾部空隙進行同步注漿，如圖5所示。地鐵盾構(gòu)開挖模擬過程可分為3個階段：1) 先施作盾殼，同時刀盤施加掘進壓力，每環(huán)推進2 m，隨后挖出開挖區(qū)的土體。2) 推進4環(huán)后，施加頂推力，并將管片安裝至相應(yīng)部位。3) 當管片安裝好后，把盾殼移除，同時對盾尾進行注漿并施加注漿壓力，由于注漿凝固需要一段時間，因此將注漿壓力延后3個階段施加。在模擬時，對初始階段進行位移清零。

3.4 數(shù)值計算結(jié)果分析

3.4.1 地表沉降分析

地表沉降位移是表征隧道施工對地表擾動影響的一個重要指標，且與施工過程、施工方法和支護結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。盾構(gòu)過程中，對周圍土體產(chǎn)生一定擾動，施工結(jié)束后地表位移如圖6所示。由圖6可知，左線隧道掘進至酒店底部(CK30+490)時，建筑物地表沉降達到最大，為9.2 mm，并在左線盾構(gòu)起始位置(CK30+370)地表出現(xiàn)一定程度的隆起，地表隆起豎向位移最大值為5.3 mm；施工完成后，隧道洞內(nèi)上方地表土體均產(chǎn)生了向雙線隧道中心靠攏的趨勢，建筑物地表水平位移在CK30+500處達到最大，為3.2 mm。由于左線隧道位于酒店下方，盾構(gòu)施工對地層和建筑物影響均較大，故在盾構(gòu)施工過程中，應(yīng)加強對左線隧道上方建筑物的監(jiān)測。

為探明研究盾構(gòu)施工過程中對各地層產(chǎn)生的影響，選取典型斷面CK30+050各地層的沉降值進行分析。各地層沉降量如圖7所示。由圖7可知，左線隧道施工對地表沉降橫向影響范圍大約距隧道中心20 m，拱頂上方3 m、6 m地層位移及地表位移變化規(guī)律均沿隧道中線呈V字型分布，沉降最大值出現(xiàn)在隧道中軸線正上方，并向兩側(cè)沉降逐漸減小，在約3倍隧道管片外徑范圍以外，趨于0；在拱頂上方3 m處地層位移最大，為15.2 mm。

(a) 原狀土

(a) 地表豎向位移

圖7 CK30+050斷面各地層的沉降值Fig.7 Settlement values of various layers at CK30+050

3.4.2 建筑物沉降分析

分別選取盾構(gòu)雙線開挖面接近建筑物、在建筑物下方、穿越建筑物及盾構(gòu)施工完成后的4種典型工況，對建筑物的沉降變形進行分析。各工況下建筑物的位移云圖如圖8、圖9所示。

由圖8可知，對比4個工況下建筑物的豎直位移，變化如下：隨著盾構(gòu)掘進至酒店和生活小區(qū)高層建筑物，沉降過程中位移降值逐漸增大，當盾構(gòu)雙線開挖面接近建筑物時，酒店和生活小區(qū)高層建筑物豎直方向的最大位移值分別為3.5 mm和1.4 mm；當盾構(gòu)雙線開挖面在建筑物下方時，二者豎向位移值分別為5.3 mm和3.2 mm；當盾構(gòu)施工完成后，二者豎直方向最大位移值分別為8.5 mm和4.6 mm。由圖9可知，盾構(gòu)施工完成后，酒店和生活小區(qū)高層建筑物頂部均表現(xiàn)為向靠近隧道方向一側(cè)偏移，酒店和生活小區(qū)高層建筑物最大水平位移分別為2.4 mm和4.3 mm，傾斜度分別為0.000 23、0.000 45。這與該區(qū)段地表沉降位移規(guī)律一致。

(a) 工況1

(a) 工況1

綜上分析，盾構(gòu)施工結(jié)束后，建筑物變形以沉降為主。當左線盾構(gòu)隧道下穿酒店下方時，掘進施工對酒店沉降影響較為嚴重，由于右線盾構(gòu)隧道在生活小區(qū)高層建筑物樁基礎(chǔ)一側(cè)，盾構(gòu)施工對其影響主要表現(xiàn)為傾斜度，其傾斜度接近酒店的2倍。據(jù)此建議，在實際施工過程中應(yīng)加強對酒店和生活小區(qū)高層建筑物的動態(tài)監(jiān)測。

3.4.3 建筑物應(yīng)力分析

以酒店和生活小區(qū)建筑物中樓柱為研究對象，研究其剪力變化規(guī)律，計算結(jié)果如圖10所示。從圖10可見，酒店和高層建筑物的剪力最大值均出現(xiàn)在裙樓樓柱，且隨樓層的增加，層間剪力逐漸減小，但在靠近頂層時剪力又出現(xiàn)增大，二者最大值分別為200 kN和520 kN。在建筑物的中心，剪力值普遍偏小，建筑物外圍樓柱的剪力值普遍偏大。高層建筑物各樓柱的剪力分布較為均勻，而酒店樓柱的剪力值分布不均勻，且普遍大于高層建筑物的剪力值。由圖10(b)可見，酒店和高層建筑物的軸力均隨樓層的增高依次減小，最大軸力出現(xiàn)在裙樓的樓柱。由于高層建筑上部荷載較大，隧道盾構(gòu)下穿施工過程中產(chǎn)生了較大軸力，最大值達到4 630 kN，較酒店樓柱所受軸力更大。

(a) 建筑物樓柱剪力

3.4.4 地表加固效果分析

為分析地表注漿加固措施的處治效果，沿建筑物靠近隧道一側(cè)布設(shè)監(jiān)測點，如圖11所示，同時建立不采取地表注漿的有限元模型，對比分析2種工況下既有建筑物的沉降狀況。

圖11 既有建筑物沉降測點布置Fig.11 Layout of settlement measuring points of existing buildings

2種工況下既有建筑物的沉降狀況結(jié)果如圖12所示。由圖12可知，地表注漿加固后，可有效減小盾構(gòu)對既有建筑物的擾動影響。酒店沉降最大值從13.2 mm減小至8.5 mm，減小幅度為35.6%；高層建筑物沉降最大值從9.1 mm減小至4.6 mm，減小幅度為50.5%。酒店測點1～3號、7～9號實測點沉降值為1 mm～7 mm，4號～6號實測點沉降值為7 mm～9 mm。距離隧道越近，測點的沉降值越大，建筑物向盾構(gòu)區(qū)間傾斜。高層建筑物沉降規(guī)律與酒店一致。

(a) 酒店沉降

此外，考慮到實際地層的復(fù)雜性，實測結(jié)果比數(shù)值模擬結(jié)果偏大，但建筑物最終沉降值表明，盾構(gòu)下穿既有建筑物是安全的。因此，根據(jù)工況分析，小半徑曲線隧道盾構(gòu)下穿既有建筑物的變形是可靠的。

4 結(jié)論

1) 盾構(gòu)下穿過程中，地層變形以沉降為主，且隧道上方土體產(chǎn)生了向雙線隧道中心靠攏的趨勢。數(shù)值計算表明，地表沉降最大值出現(xiàn)在左線隧道推進至酒店附近，為9.2 mm，在左線盾構(gòu)起始位置(CK30+430)地表出現(xiàn)一定程度的隆起，隆起最大值為5.3 mm，該處地層水平位移最大為3.2 mm。

2) 數(shù)值模擬及現(xiàn)場實測表明，盾構(gòu)施工對土體的擾動表現(xiàn)為建筑物地基土向盾構(gòu)區(qū)間移動及建筑物發(fā)生傾斜，且高層建筑物因其本身荷載較大，傾斜程度更為顯著。盾構(gòu)施工完成后，酒店和高層建筑物在豎直方向?qū)崪y最大位移值分別為8.5 mm和4.6 mm，最大傾斜度分別為0.000 23、0.000 45，以上各項指標均滿足規(guī)范限值。

3) 既有建筑物數(shù)值模擬受力結(jié)果表明，盾構(gòu)過程中高層建筑結(jié)構(gòu)受力較矮層酒店更大，因此，在實際施工過程中須加強對高層建筑物的應(yīng)力監(jiān)控。

4) 采用地表注漿加固措施可有效控制既有建筑物的沉降，酒店沉降最大值減小幅度為35.6%；高層建筑物沉降最大值減小幅度為50.5%，且地表注漿加固對減小高層建筑物沉降效果更好。既有建筑物沉降變形值數(shù)值模擬與實測結(jié)果基本一致，均滿足隧道變形控制標準，表明盾構(gòu)下穿過程中，可確保既有建筑物是安全的。