粉質(zhì)砂層地鐵盾構(gòu)下穿淺基礎(chǔ)房屋地表沉降控制研究

易鵬程

（中鐵十一局集團(tuán)城市軌道工程有限公司，湖北 武漢 430000）

隨著城市的快速發(fā)展，地鐵成為緩解交通擁堵的有效途徑，由城市內(nèi)環(huán)線向外環(huán)線形成交通閉環(huán)網(wǎng)，成為了城市地鐵發(fā)展的趨勢(shì)。然而，在外擴(kuò)地鐵線路的同時(shí)，不可避免地要穿越城郊一些老城區(qū)，在其不可拆除的情況下，盾構(gòu)下穿淺基礎(chǔ)房屋成為地鐵隧道施工地表沉降控制的重難點(diǎn)。

李梓亮，湯勁松等［1］通過(guò)有限元軟件探究不同影響因素對(duì)盾構(gòu)隧道下穿砌體結(jié)構(gòu)房屋的影響程度，得到隧道軸線與建筑物中心線間距是最主要影響因素，地層類型對(duì)房屋的影響最??；張學(xué)民，董宗磊等［2］通過(guò)注漿對(duì)上部建筑物變形特性及其損壞的影響研究，得到建筑物外側(cè)墻體變形由“前后向內(nèi)，兩側(cè)向外”向“前后向外，兩側(cè)向內(nèi)”轉(zhuǎn)化，然后逐漸減小最終趨于穩(wěn)定，建筑物裂縫以角部受剪裂縫居多，測(cè)試期間未發(fā)生明顯開展或閉合；孫杰，武科等［3］對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)下穿硬巖地層既有建筑物群變形的空間屬性效應(yīng)分析，得到建筑物沉降速率與隧道埋深及水平距離成反比，同時(shí)應(yīng)加強(qiáng)建筑物轉(zhuǎn)角及大型構(gòu)筑物旁的小型建筑物變形監(jiān)測(cè)；趙曉彥，張肖兵等［4］應(yīng)用FLAC3D數(shù)值模擬軟件模擬不同施工參數(shù)（掌子面支護(hù)壓力、等代層彈性模量）下對(duì)地層沉降的影響，提出合理的盾構(gòu)施工參數(shù)范圍。

上述文獻(xiàn)大多針對(duì)隧道下穿建筑物時(shí)，地層的沉降變形與施工參數(shù)控制措施的關(guān)系以及根據(jù)建筑物自身變形程度來(lái)推測(cè)建筑物破環(huán)的可能。然而，隧道下穿建筑物受地層及埋深、建筑構(gòu)造等多方面因素的影響，特別是一些特殊地層，單一的地層研究成果推廣具有局限性。同時(shí)對(duì)隧道下穿建筑物過(guò)程的沉降分析及建筑物中不同斷面地表不均勻沉降研究較少。本論述通過(guò)FLAC3D有限差分軟件模擬特殊粉質(zhì)砂性地層盾構(gòu)下穿淺基礎(chǔ)房屋，分析不同掘進(jìn)方式、施工參數(shù)在下穿過(guò)程不同斷面地表沉降規(guī)律，依此確定多維條件下的建筑物沉降措施。加強(qiáng)研究課題的實(shí)用性和準(zhǔn)確性，更好地服務(wù)于隧道建設(shè)。

1 工程概況

武漢某盾構(gòu)區(qū)間段，線路形式為單洞單線。該段所處地層主要分為粉質(zhì)黏性砂層。下穿經(jīng)過(guò)淺基礎(chǔ)密集磚混房屋，高低不一，地下水位埋深為1.5～13.2 m，隧道埋深約12～17 m。區(qū)間砂性土的滲透性較強(qiáng)，容易受擾動(dòng)形成富水砂層，地面沉降變形控制難度較大，地面建筑物易損壞。研究盾構(gòu)施工參數(shù)的動(dòng)態(tài)調(diào)整，對(duì)地面沉降的控制以及地表建筑物安全起到關(guān)鍵性作用。

2 盾構(gòu)下穿房屋模型建立

2.1 模型參數(shù)選擇

根據(jù)相關(guān)盾構(gòu)施工影響范圍資料及經(jīng)驗(yàn)，采取模型尺寸74 m×45 m×39 m（X×Y×Z），地鐵盾構(gòu)隧道外徑6.0 m，襯砌厚度0.3 m，隧道埋深14 m，建模的土層劃分及參數(shù)設(shè)置按照工程勘察的相關(guān)說(shuō)明進(jìn)行，采用位移邊界條件。隧道的掘進(jìn)方向沿Y軸正方向向前推進(jìn)。土體采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，模擬參數(shù)見(jiàn)表1所列。

表1 各材料及地層物理參數(shù)

根據(jù)FLAC3D軟件的局限性結(jié)合相關(guān)學(xué)者研究文獻(xiàn)［5］，盾尾注漿體采用均質(zhì)的等效層來(lái)模擬注漿壓力，泊松比取0.26，厚度取30 cm，彈性模量采用未凝固前注漿壓力，取0.3 MPa［6］。

隧道各地層模型網(wǎng)格劃分及轉(zhuǎn)換后如圖1、2所示。

圖1 盾構(gòu)隧道模型網(wǎng)格劃分

圖2 導(dǎo)入后FLAC模型圖

2.2 初始條件及應(yīng)力平衡計(jì)算

考慮淺基礎(chǔ)磚混民居群地表負(fù)重的影響，采用在隧道正上方地表建立2 m×12 m×30 m加40 kPa的Z方向均布荷載來(lái)模擬建筑物荷載影響。

地層土體自重及外部荷載作用下豎向位移云圖如圖3所示。

圖3 地層自重豎向位移云圖

3 盾構(gòu)掘進(jìn)不同施工參數(shù)對(duì)地表沉降的影響規(guī)律

盾構(gòu)施工地表沉降影響因素眾多，根據(jù)工程現(xiàn)場(chǎng)施工實(shí)際狀況及技術(shù)資料，考慮土倉(cāng)壓力、地面荷載以及注漿壓力3個(gè)關(guān)鍵的影響因素，同時(shí)數(shù)值模擬以開挖15 m為一階段，不同的開挖支護(hù)時(shí)步對(duì)地表的沉降分析同樣至關(guān)重要。

3.1 不同開挖方式

（1）通過(guò)分析左、右線不同開挖階段在不同時(shí)步下地表沉降規(guī)律；（2）通過(guò)左、右線同時(shí)開挖不同時(shí)步地表沉降的規(guī)律。模擬監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)曲線如圖4所示。

圖4 不同開挖方式下地表沉降曲線

根據(jù)圖4可以看到，地表沉降曲線在單線開挖時(shí)呈正態(tài)分布，在隧道正上方地表沉降值最大，由隧道向兩邊先迅速降低后趨于穩(wěn)定，主要沉降區(qū)域發(fā)生在隧道旁2.5D范圍；在雙線同時(shí)開挖時(shí)呈W形沉降曲線，在兩隧道正上方沉降值最大，隧道中間位置發(fā)生隆起。左線開挖完成后建筑物下方沉降達(dá)到20.72 mm，右線開挖會(huì)導(dǎo)致左線沉降完成的基礎(chǔ)上產(chǎn)生擾動(dòng)沉降，右線開挖完成，左線的建筑下方最終沉降值在22.33 mm，增加1.61 mm；左線開挖15 m時(shí)，左建筑物下方沉降達(dá)到15.22 mm，右線開挖15 m時(shí)，左建筑下方地表沉降為21.22 mm，右建筑下方沉降10.78 mm，而且沉降由左線逐漸向右線降低，沉降呈斜坡式，對(duì)建筑物的不均勻沉降影響嚴(yán)重；雙線開挖15 m時(shí)，雙線建筑下方沉降值為7.44 mm，沉降均勻。通過(guò)兩種開挖方式發(fā)現(xiàn)兩線全部貫通時(shí)，先左后右開挖最終最大沉降值為23.54 mm，同步開挖最終最大沉降值為22.35 mm，相差1.19 mm。在通過(guò)危險(xiǎn)磚混淺基礎(chǔ)建筑物時(shí)，盡量避免來(lái)回對(duì)地層擾動(dòng)，有利于控制地表沉降，對(duì)施工安全控制起到積極作用。

在研究分析不同開挖方式對(duì)建筑物地表沉降規(guī)律分析后，采用雙線同步開挖方式，研究不同施工參數(shù)對(duì)地表沉降影響規(guī)律，為盾構(gòu)施工提供參考依據(jù)。

3.2 不同建筑荷載

考慮穿越地層建筑加蓋嚴(yán)重，層數(shù)不一，研究20 kPa、40 kPa、60 kPa不同建筑荷載對(duì)地表沉降規(guī)律分析，能有效為沉降預(yù)測(cè)提供參考。模擬得到地表沉降曲線如圖5所示。

圖5 不同建筑荷載下地表沉降曲線

通過(guò)圖5分析可以看出，不同建筑荷載在相同開挖進(jìn)尺下，沉降規(guī)律基本相同，隨著建筑荷載的增加，建筑下方的沉降值逐漸增大，兩建筑物中間擠壓部分產(chǎn)生隆起值也隨著增加。20 kPa、40 kPa、60 kPa開挖完成最終沉降分別為20.69 mm、22.33 mm、23.77 mm，兩建筑中間沉降值分別為20.34 mm、21.15 mm、22.14 mm，隆起值分別為0.35 mm、1.18 mm、1.63 mm。

3.3 不同注漿壓力

粉質(zhì)砂層因其受刀盤擾動(dòng)敏感性較強(qiáng)，同步注漿的壓力及飽滿程度對(duì)地表沉降影響較大。對(duì)0.2 MPa、0.3 MPa、0.4 MPa注漿壓力盾構(gòu)數(shù)值模擬，得到不同注漿壓力下地表沉降曲線如圖6所示。

圖6 不同注漿壓力下地表沉降曲線

由圖6可知，在開挖15 m時(shí)離建筑正下方距離較遠(yuǎn)，不同注漿壓力對(duì)建筑下方地表沉降影響不明顯。隨著進(jìn)尺的逐漸推進(jìn)，沉降明顯加大。0.2 MPa、0.3 MPa、0.4 MPa最終地表最大沉降值分別為24.43 mm、22.33 mm、20.43 mm，建筑中間沉降分別在22 mm、20.15 mm、19.25 mm，隆起值分別為2.43 mm、2.18 mm、1.18 mm。通過(guò)合理的增加注漿壓力能夠減小建筑物間的不均勻沉降。

3.4 不同土倉(cāng)壓力

土壓平衡盾構(gòu)施工，良好的土倉(cāng)壓力能平衡掌子面土壓，防止水分流失，進(jìn)而控制地表沉降。對(duì)0.14 MPa、0.3 MPa、0.45 MPa土倉(cāng)壓力進(jìn)行模擬，得到不同注漿壓力下的地表沉降曲線如圖7所示。

圖7 不同注漿壓力下地表沉降曲線

通過(guò)圖7分析可知，0.14 MPa、0.3 MPa、0.45 MPa土倉(cāng)壓力最終最大地表沉降值分別為23.33 mm、22.46 mm、22.35 mm。不同注漿壓力在不同進(jìn)尺下對(duì)地表沉降影響不大。

分析圖8可得，0.14 MPa、0.3 MPa、0.45 MPa對(duì)應(yīng)的掌子面前影響范圍分別在1.25、2.25、3.25倍洞徑。在開挖面后方，土倉(cāng)壓力對(duì)其影響范圍較小，地表沉降來(lái)自土體應(yīng)力釋放和重新固結(jié)。適當(dāng)提高土倉(cāng)壓力的合理性，能避免開挖階段前方快速沉降引起的建筑物沉降過(guò)快等系列施工問(wèn)題。

圖8 不同注漿壓力在開挖進(jìn)尺22.5 m地表縱向沉降曲線

4 結(jié)論

對(duì)某粉質(zhì)砂層盾構(gòu)下穿淺基礎(chǔ)房屋造成地表沉降展開研究，通過(guò)不同開挖方式、施工參數(shù)對(duì)比分析，得到以下結(jié)論：

（1）通過(guò)對(duì)比分析先左后右、同步開挖兩種開挖方式在不同時(shí)步地表沉降規(guī)律，先左后右開挖地表沉降呈正態(tài)分布，同步開挖呈W型分布。分線開挖相對(duì)同步開挖對(duì)地層擾動(dòng)更明顯，右線到達(dá)建筑物正下方時(shí)沉降差為10.44 mm，對(duì)建筑物產(chǎn)生傾斜裂縫可能較大，應(yīng)提前進(jìn)行地層加固處理。

（2）不同建筑荷載在相同開挖進(jìn)尺下，沉降規(guī)律基本相同，隨著建筑荷載的增加，建筑下方的沉降值逐漸增大，兩建筑物中間擠壓部分產(chǎn)生隆起值也隨著增加。

（3）不同注漿壓力對(duì)地表沉降影響明顯，隨著注漿壓力的增大，地表最大沉降值降低，建筑物間的不均勻沉降得到控制。

（4）不同土倉(cāng)壓力在不同進(jìn)尺下對(duì)地表沉降影響不大，對(duì)掌子面前方土體影響范圍較明顯，0.14 MPa、0.3 MPa、0.45 MPa土倉(cāng)壓力影響范圍分別在1.25、2.25、3.25倍洞徑。適當(dāng)提高土倉(cāng)壓力，能避免掌子面前方建筑物沉降過(guò)快而引起的系列施工問(wèn)題。