太原地鐵盾構(gòu)施工對(duì)地表及建筑物沉降影響分析

賈寶宏， 王冰涵， 許貴陽， 王朋飛

(1.太原軌道交通集團(tuán)有限公司, 山西 太原 030002; 2.太原理工大學(xué) 土木工程學(xué)院, 山西 太原 030024;3.城市軌道交通車輛服役性能保障北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100044;4.太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院, 山西 太原 030024)

0 引言

隨著中國(guó)城鎮(zhèn)化的推進(jìn)，軌道交通建設(shè)快速發(fā)展?？紤]到客流量等因素，地鐵線路大部分需穿過建筑物密集地段，故城市鐵路隧道多采用盾構(gòu)法施工，但施工所造成的地面沉降是不可避免的。為控制地層變化對(duì)地表建筑物的影響，在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中對(duì)臨近建筑物和關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析、模擬，并根據(jù)分析結(jié)果對(duì)該地區(qū)建筑物進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)監(jiān)測(cè)，采用相應(yīng)加固措施，這對(duì)建筑物的保護(hù)具有深遠(yuǎn)意義。

目前研究盾構(gòu)施工對(duì)鄰近建筑物所造成的沉降影響的方法主要包括解析法[1]、模型試驗(yàn)法[2]、經(jīng)驗(yàn)公式法以及數(shù)值模擬法。解析法主要考慮盾構(gòu)的施工特點(diǎn)以及土體的力學(xué)性質(zhì)，采用物理數(shù)學(xué)模型研究地表變形以及地層沉降規(guī)律，其特點(diǎn)利于分析初始地質(zhì)問題，但對(duì)復(fù)雜地質(zhì)應(yīng)用受限。模型試驗(yàn)法是依據(jù)實(shí)際工程背景建立縮小版的現(xiàn)實(shí)三維模型，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬盾構(gòu)施工所造成的地層變形以及地表沉降情況，其特點(diǎn)是與實(shí)際工程契合度高，但其制作成本高。經(jīng)驗(yàn)公式法是Peck[3]在傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)理論基礎(chǔ)上，將自身理論分析與實(shí)踐推斷有機(jī)結(jié)合起來，將在實(shí)際工程中的理論實(shí)踐和經(jīng)驗(yàn)量化形成一種能夠很好地適用現(xiàn)場(chǎng)和實(shí)際工程情況的計(jì)算方法,對(duì)于地表沉降物數(shù)據(jù)進(jìn)行具有科學(xué)和邏輯性的綜合分析和歸納，其特點(diǎn)是簡(jiǎn)單易操作，但受限于土體特性。數(shù)值模擬法是伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷提高而逐漸完善的一種方法，可以應(yīng)用分析盾構(gòu)施工中對(duì)地表沉降、地層變化以及周襯砌變形等問題，通過限制土層等因素不變，研究某一因素變化而造成的影響。Rowe et al[4]通過計(jì)算機(jī)編程將隧道盾構(gòu)施工參數(shù)化，對(duì)施工過程進(jìn)行優(yōu)化,研究分析土體應(yīng)變情況。周健等[5]對(duì)武漢地鐵開挖斷面進(jìn)行研究，利用有限差分軟件FLAC3D，預(yù)測(cè)隧道開挖對(duì)地層及周圍建筑物變形影響，提出地層損失率控制量結(jié)論。 后期郭幪[6]以及盧岱岳等[7]采用數(shù)值模擬法運(yùn)用于實(shí)際工程案例中，得出與理論推導(dǎo)相吻合的研究數(shù)據(jù)，證實(shí)數(shù)值模擬的可靠性。

數(shù)值模擬法可反映實(shí)際工程情況，在建模時(shí)可根據(jù)實(shí)際設(shè)定相應(yīng)的參數(shù)，模擬研究盾構(gòu)施工過程對(duì)周圍地層土體以及建筑物所造成的影響[8-9]，故采用此研究方法，利用ANSYS軟件進(jìn)行數(shù)值模擬分析。目前，太原地鐵所規(guī)劃的路線正在建設(shè)中，其中地鐵一、二號(hào)線聯(lián)絡(luò)段較為特殊，采用盾構(gòu)法施工，利用ANSYS軟件對(duì)該區(qū)段進(jìn)行數(shù)值模擬分析[10]，研究盾構(gòu)施工通過建筑物時(shí)所造成的地層及建筑變化，通過與實(shí)地監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析對(duì)比，得出其變化規(guī)律，為盾構(gòu)隧道施工過程中保護(hù)建筑物提供理論依據(jù)[11]。

1 工程概況

由2號(hào)線大南門站南端引出的地鐵2號(hào)線與1號(hào)線聯(lián)絡(luò)線區(qū)間，以半徑200 m的平面圓曲線下穿迎澤公園后接入1號(hào)線大南門站東端。聯(lián)絡(luò)線設(shè)計(jì)范圍起點(diǎn)里程L21K-0+000.000，終點(diǎn)里程L21K-0+386.406，全長(zhǎng)386.406 m。施工總平面圖如圖1所示，圖2為聯(lián)絡(luò)區(qū)間工程示意圖。

圖1 聯(lián)絡(luò)段總平面圖

圖2 工程示意圖

聯(lián)絡(luò)線位于迎澤公園內(nèi)，不影響周邊道路。其中L21K-0+107.269～L21K-0+255.559，采用盾構(gòu)法施工，其余部分采用明挖法施工。盾構(gòu)段長(zhǎng)148.29 m，全線呈單坡，坡度33.00‰，區(qū)間埋深13.5～17.2 m。盾構(gòu)區(qū)間在L21K-0+130.000～L21K-0+230.000里程范圍迎澤閣最小水平距離為5.92 m。隧道工程特點(diǎn)為曲率大、坡度大，且所處位置地質(zhì)條件復(fù)雜敏感。

研究盾構(gòu)區(qū)間里程范圍內(nèi)施工過程對(duì)周邊地層以及建筑物所造成的影響?？紤]到本隧道所處地質(zhì)條件、位置以及聯(lián)絡(luò)段端的施工方法，對(duì)隧道的進(jìn)口端、出口端以及保護(hù)建筑物進(jìn)行監(jiān)測(cè)。進(jìn)出口端沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置、建筑物與隧道的相對(duì)位置以及計(jì)算階段如圖3所示，進(jìn)口端和出口端各布置8個(gè)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)地表下沉，從左至右布置，其分布情況如圖4所示。

圖3 建筑物位置及監(jiān)測(cè)點(diǎn)

圖4 進(jìn)出口端地表沉降測(cè)點(diǎn)分布(單位：mm)

2 模型建立

盾構(gòu)施工過程中，其范圍內(nèi)的建筑物也會(huì)對(duì)工程產(chǎn)生一定的影響，主要包括2方面：①建筑物的基礎(chǔ)與地層土體的相互作用影響；②建筑物的自重通過基礎(chǔ)向土體進(jìn)行擴(kuò)散，會(huì)對(duì)盾構(gòu)施工過程中的應(yīng)力場(chǎng)重分布產(chǎn)生影響。

采用ANSYS軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，先用CAD軟件對(duì)隧道整體輪廓線進(jìn)行3D繪制，隨后導(dǎo)入ANSYS中的Spaceclaim模塊進(jìn)行隧道實(shí)體建模。

2.1 模型基本假定

考慮到上述的2個(gè)影響因素，所建立的計(jì)算模型，將建筑物基底壓力轉(zhuǎn)化為均勻分布荷載模擬，建筑物的基礎(chǔ)采用實(shí)體模型模擬，考慮實(shí)際因素，經(jīng)查閱資料,建筑物的均布荷載選取為120 kPa[12-13]，建筑物基礎(chǔ)、隧道管片、注漿層以及地層土體采取實(shí)體單元模擬，選取Mohr-Coulomb模型作為土體本構(gòu)模型，見圖5，土體的破壞多以剪切破壞存在，故Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則對(duì)土體的破壞形式能夠準(zhǔn)確反映，該準(zhǔn)則是剪應(yīng)力屈服準(zhǔn)則,認(rèn)為材料某平面剪應(yīng)力達(dá)到某一特定值時(shí)就進(jìn)入屈服，其準(zhǔn)則方程為

圖5 Mohr-Coulomb準(zhǔn)則示意圖

τf=C+σtanφ

(1)

式中，C為土的黏聚強(qiáng)度；φ為內(nèi)摩擦角。用普通三軸試驗(yàn)，可測(cè)定發(fā)生在某破壞面時(shí)主應(yīng)力表達(dá)的破壞準(zhǔn)則。如果已知三軸試件內(nèi)破壞面與小主應(yīng)力方向之間的傾角為φ，則由普通三軸試驗(yàn)的莫爾圓，將破壞面上的剪應(yīng)力與法向應(yīng)力代入庫(kù)侖破壞準(zhǔn)則，得到Mohr-Coulomb準(zhǔn)則

σ1-σ2=2Ccosφ+(σ1+σ3)sinφ

(2)

通過研究該區(qū)間的地質(zhì)勘察報(bào)告可得，本區(qū)間所揭露巖土地層分布較為穩(wěn)定，均為第四系(Q)地層。地表多為第四系人工填土(Q4ml)，其下為第四系全新統(tǒng)沖洪積(Q4al+pl)黏質(zhì)粉土、砂(粉)類土、圓礫土及上更新統(tǒng)(Q3al+pl)粉質(zhì)黏土、砂類土等組成。具體參數(shù)如表1所示。

表1 地層土工參數(shù)表

2.2 模型邊界

采用ANSYS對(duì)太原地鐵2號(hào)線與1號(hào)線聯(lián)絡(luò)線區(qū)間風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)值分析模擬，以盾構(gòu)區(qū)間需保護(hù)的迎澤閣作為研究對(duì)象，所選取計(jì)算模型尺寸為：橫向(x)×縱向(y)×豎向(z)=80 m×150 m×37 m。將水平位移約束作用于土體模型的左右側(cè)面，豎向約束作用于土體模型底面，隧道地層土體以及建筑物基底計(jì)算模型如圖6所示。

圖6 三維模型圖

3 建筑物沉降分析

盾構(gòu)隧道施工過程中，隨著盾構(gòu)的臨近、側(cè)鄰以及離開，建筑物與地表的沉降值也在不斷發(fā)生變化，這一沉降值的大小對(duì)于建筑物的安全與否具有直接影響，故在其施工中應(yīng)該予以嚴(yán)格控制。通過模擬太原一、二號(hào)聯(lián)絡(luò)線盾構(gòu)開挖過程，分析盾構(gòu)隧道施工時(shí)，建筑物與地表的沉降量隨著盾構(gòu)到達(dá)建筑物之前(階段1)、盾構(gòu)掘進(jìn)至建筑最近一點(diǎn)(階段2)以及盾構(gòu)離開建筑物(階段3)3種情況的變化規(guī)律。

3.1 隧道掘進(jìn)通過迎澤閣前后各監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降變化規(guī)律

圖7所示為各監(jiān)測(cè)點(diǎn)在隧道臨近、側(cè)鄰以及離開迎澤閣3個(gè)階段的沉降變化，圖7中的數(shù)據(jù)為現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)儀器在各階段的監(jiān)測(cè)數(shù)值，以下圖中縱坐標(biāo)正值為沉降狀態(tài)，負(fù)值為隆起狀態(tài)，其中監(jiān)測(cè)點(diǎn)JC01-01、JC01-03以及JC01-04在3個(gè)階段處于沉降狀態(tài)，而JC01-02處于隆起狀態(tài)，建筑物整體向隧道一側(cè)傾斜，其中JC01-02、JC01-03位于同一側(cè)，兩者發(fā)生不同變化，會(huì)導(dǎo)致建筑物的另一側(cè)開裂，故應(yīng)做好加固措施，保護(hù)建筑物。

圖7 隧道掘進(jìn)前后建筑物測(cè)點(diǎn)沉降變化

圖8、圖9所示為各監(jiān)測(cè)點(diǎn)在隧道臨近、側(cè)鄰以及離開迎澤閣3個(gè)階段的沉降變化，圖8、圖9中的數(shù)據(jù)為現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)儀器在各階段的監(jiān)測(cè)數(shù)值。由圖8可知，進(jìn)口端監(jiān)測(cè)點(diǎn)在前2個(gè)階段發(fā)生一定變化，但隨著盾構(gòu)逐漸遠(yuǎn)離，后2個(gè)階段各監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降變化減小，說明在盾構(gòu)開始階段對(duì)洞口端加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，防止意外；相反，對(duì)于出口端的監(jiān)測(cè)要隨著盾構(gòu)掘進(jìn)靠近，增強(qiáng)監(jiān)測(cè)頻率，做好防護(hù)準(zhǔn)備。

圖8 隧道掘進(jìn)前后進(jìn)口端測(cè)點(diǎn)沉降變化

圖9 隧道掘進(jìn)前后出口端測(cè)點(diǎn)沉降變化

以下主要對(duì)保護(hù)建筑物迎澤閣在3個(gè)階段的具體情況采用ANSYS軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，并對(duì)比各階段模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)值。

3.2 盾構(gòu)抵達(dá)迎澤閣前

本階段隧道開挖面開挖至離洞口水平距離30 m處，此時(shí)進(jìn)行模擬沉降運(yùn)算，得出模型地層沉降云圖如圖10所示。

圖10 迎澤閣前地層沉降云圖

通過模型沉降云圖，對(duì)迎澤閣監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)歸納，并將計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比，如圖11所示，監(jiān)測(cè)點(diǎn)JC01-01、JC01-02以及JC01-04處出現(xiàn)較大的差異沉降。此時(shí)迎澤閣整體向前以及向靠近隧道一側(cè)傾斜。

圖11 階段1迎澤閣各監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降對(duì)比

3.3 盾構(gòu)掘進(jìn)至迎澤閣正側(cè)方

本階段隧道掘進(jìn)至離洞口水平距離80 m處，開挖面已離開離迎澤閣最近點(diǎn)，盾構(gòu)整體還處于最近點(diǎn)附近，沉降最大值出現(xiàn)在盾尾附近，此時(shí)進(jìn)行模擬沉降運(yùn)算，得出模型地層沉降云圖如圖12所示。

圖12 盾構(gòu)掘進(jìn)至迎澤閣地層沉降云圖

通過模型沉降云圖，對(duì)迎澤閣監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)歸納，并將計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比，如圖13所示，監(jiān)測(cè)點(diǎn)JC01-01和JC01-02處出現(xiàn)較大的差異沉降。此時(shí)迎澤閣各監(jiān)測(cè)點(diǎn)相對(duì)于階段1抵達(dá)迎澤閣前差異沉降進(jìn)一步擴(kuò)大，整體向著隧道一側(cè)的傾斜度進(jìn)一步增大。

3.4 盾構(gòu)遠(yuǎn)離迎澤閣后

本階段隧道掘進(jìn)至離洞口水平距離130 m處，盾構(gòu)整體已掘進(jìn)離開離迎澤閣最近點(diǎn)，了解此階段隧道的平穩(wěn)狀態(tài)，各測(cè)點(diǎn)發(fā)生變化。此時(shí)進(jìn)行模擬沉降運(yùn)算，得出模型地層沉降云圖如圖14所示。

通過模型沉降云圖，對(duì)迎澤閣監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)歸納，并將計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比，如圖15所示，監(jiān)測(cè)點(diǎn)JC01-01、JC01-02以及JC01-03處出現(xiàn)較大的差異沉降。此時(shí)迎澤閣各監(jiān)測(cè)點(diǎn)相對(duì)于階段2抵達(dá)迎澤閣前差異沉降進(jìn)一步擴(kuò)大，容易發(fā)生建筑傾斜，尤其當(dāng)盾尾遠(yuǎn)離時(shí)，施工時(shí)應(yīng)加以控制。

圖15 階段3迎澤閣各監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降對(duì)比

3.5 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬計(jì)算數(shù)據(jù)差異分析

通過上述數(shù)據(jù)對(duì)比分析，仿真模型計(jì)算數(shù)值已很貼近盾構(gòu)施工所引起的地層以及附近建筑物的沉降態(tài)勢(shì)，其誤差值大部分處于合理范圍內(nèi)。計(jì)算模型所呈現(xiàn)的地層位移變化、地層變形波及范圍及沉降速率、鄰近建筑物沉降能夠較為理想地反映實(shí)際工程施工情況。總體上看，出現(xiàn)差異主要原因如下[14-15]:

(1)假定建立的地層模型所滿足的水平分布狀況，其無法完全模擬實(shí)際工程現(xiàn)狀。

(2)在模擬工程實(shí)際施工過程中，盾構(gòu)的推進(jìn)壓力以及注漿壓力都在不斷變化，因此，仿真模擬時(shí)只能選取一定范圍內(nèi)的平均數(shù)值，故也會(huì)造成一定偏差。

(3)各土層具體參數(shù)大部分由室內(nèi)試驗(yàn)獲得，其與現(xiàn)場(chǎng)土層仍存在一定差異；除此之外，計(jì)算模型假定地下水已處理完畢，處于理想狀況未考慮地下水的影響。

(4)對(duì)于實(shí)際地層分布狀況難以量化的變量將其看作為勻質(zhì)、等厚的替代層，依據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)以及室內(nèi)試驗(yàn)得出的數(shù)據(jù)，對(duì)各模型材料參數(shù)進(jìn)行選定，因此計(jì)算求解不夠精確，也會(huì)造成一定誤差。

4 結(jié)論

(1)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)為全自動(dòng)監(jiān)測(cè)，采用壓力式靜力水準(zhǔn)儀、計(jì)算機(jī)外部收集模塊以及數(shù)傳模塊將采集到的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過5G信號(hào)上傳至網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，相比較于傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)更精確，更穩(wěn)定以及更全面，能夠及時(shí)反饋數(shù)據(jù)變化。

(2)在大坡度盾構(gòu)隧道施工過程中，隨著坡度的提升，覆土厚度逐漸減小，與此同時(shí)地表沉降值增大，應(yīng)采取工程措施，減少開挖對(duì)地表可能造成的不良影響。這對(duì)于大坡度盾構(gòu)施工具有一定的理論指導(dǎo)意義。

(3)所研究的隧道具有大曲率的特點(diǎn)，分析表明盾構(gòu)在掘進(jìn)進(jìn)程中，機(jī)身只能不斷調(diào)整角度才能完成轉(zhuǎn)彎過程，管片的拼裝錯(cuò)縫值增大，支護(hù)強(qiáng)度降低，為保證施工安全，應(yīng)增強(qiáng)注漿強(qiáng)度，彌補(bǔ)管片錯(cuò)縫影響，降低地表沉降，保證建筑物穩(wěn)定。這對(duì)于大曲率隧道施工具有一定的理論指導(dǎo)意義。