杭州香積寺路盾構(gòu)隧道施工對鄰近建筑物影響分析

錢文彪，蔣云剛

（杭州運河辰祥工業(yè)遺址綜合保護(hù)開發(fā)有限公司，浙江 杭州 311122）

1 概述

隨著城市交通建設(shè)的飛速發(fā)展，許多城市交通線路大部分要穿越建筑密集地段，城市交通向著深廣方向發(fā)展，盾構(gòu)隧道施工近距離穿越既有建筑物施工案例不可避免。盾構(gòu)隧道施工時引起地層變形，引起鄰近建筑物發(fā)生傾斜、不均勻沉降、開裂乃至破壞等，造成重大安全隱患[1-3]，因此，合理評估盾構(gòu)隧道施工對鄰近建筑物變形和結(jié)構(gòu)的影響至關(guān)重要。周健等[4]對武漢地鐵開挖斷面進(jìn)行研究，利用有限差分軟件FLAC預(yù)測隧道開挖對地層及周圍建筑物變形影響，提出地層損失率控制結(jié)論；彭學(xué)軍等[5]通過優(yōu)化盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)、控制盾構(gòu)掘進(jìn)速率和預(yù)埋袖閥管等保護(hù)措施對長沙地鐵5號線區(qū)間內(nèi)建筑物進(jìn)行了針對性的保護(hù)措施；賈寶宏等[6]利用有限元軟件ANSYS 和現(xiàn)場監(jiān)測相結(jié)合對太原地鐵一、二號線聯(lián)絡(luò)段盾構(gòu)施工引起的地表及建筑物沉降進(jìn)行了分析；劉祥勇等[7]選取基于角變形和水平應(yīng)變的主應(yīng)變作為建筑物受盾構(gòu)施工影響程度的評價指標(biāo)，通過數(shù)值模擬分析了盾構(gòu)施工對鄰近密集建筑群結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律。由于隧道—地層—建筑物之間復(fù)雜的相互作用關(guān)系，數(shù)值模擬法可反映工程實際情況，模擬盾構(gòu)隧道施工過程中對周圍土體以及建筑物所造成的影響，目前研究盾構(gòu)隧道施工對周邊建筑物影響評價主要通過數(shù)值模擬分析來進(jìn)行[8-9]。

本文以杭州市香積寺路西段盾構(gòu)隧道段為工程背景，利用三維有限差分軟件FLAC3D 進(jìn)行數(shù)值計算分析，對盾構(gòu)隧道開挖過程進(jìn)行了動態(tài)模擬，分析了盾構(gòu)隧道施工對鄰近建筑物的影響，為同類地下工程設(shè)計施工提供借鑒和參考。

2 工程概況

2.1 香積寺路隧道總體布置與工程地質(zhì)條件

根據(jù)《杭州市城市總體規(guī)劃(2001-2020年）》（2016年修訂），本工程西起教工路，東至德苑路，從余杭塘路（莫干山路—湖墅北路）向東延伸與現(xiàn)狀香積寺路相接，道路性質(zhì)為城市次干路，全長2.65km。隧道主線始于莫干山路以西，終于大關(guān)苑路以東，全長2293m，隧道在莫干山路以西布置一對進(jìn)出口（雙向四車道規(guī)模）；在上塘路以西設(shè)置一對平行匝道（進(jìn)、出口匝道均為單向單車道規(guī)模）、上塘路以東設(shè)置一對出入口（雙向兩車道規(guī)模）。隧道含3段明挖、2段盾構(gòu)，盾構(gòu)段總長1170m（圖1）。

圖1 隧道總體布置示意圖

本工程穿越不同時代的地層，根據(jù)勘探孔揭露的地層結(jié)構(gòu)、巖性特征、埋藏條件及物理力學(xué)性質(zhì)，結(jié)合周邊建筑物詳勘地質(zhì)資料，盾構(gòu)隧道土層自上而下分別是①0-1雜填土、①0-2素填土、②1-1粘質(zhì)粉土、②1-2淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、④1-1粉質(zhì)粘土、④1-2粉質(zhì)粘土夾粉土和⑩1-1全風(fēng)化凝灰?guī)r，具體見圖2。

圖2 工程地質(zhì)剖面圖

2.2 盾構(gòu)隧道與臨近建筑物相互位置關(guān)系

擬建香積寺路西延工程主要沿余杭塘路、香積寺路敷設(shè)，沿線兩側(cè)建筑物密集，盾構(gòu)鄰近施工將對周邊建筑物有一定的影響。根據(jù)資料調(diào)查、現(xiàn)場踏勘等方法對隧道周邊受影響建筑物進(jìn)行梳理，盾構(gòu)隧道南線K0+750處鄰近某小區(qū)住宅樓最為典型，該建筑物主要以5～7 層磚混結(jié)構(gòu)為主，沿開挖方向長64m，豎向高21m，根據(jù)鄰近同期建筑物推測基礎(chǔ)主要采用沉管灌注樁，其與南線隧道結(jié)構(gòu)間最小凈間距為1.5m，圖3為鄰近某小區(qū)住宅樓與盾構(gòu)隧道之間的平面和橫斷面內(nèi)的相對關(guān)系。

3 數(shù)值計算

3.1 計算模型與參數(shù)

根據(jù)上述最不利工況建立三維分析模型，共67366個單元，70707 個節(jié)點，X軸為寬度方向，Y方向為隧道軸線方向，Z軸為深度方向。模型X方向長100m，Y方向長120m，Z方向深40m。模型3個方向尺寸選取的原則是把隧道開挖影響范圍都包含在模型范圍之內(nèi)。建筑物共7層，層高3m，尺寸詳見圖4。

圖4 三維有限元計算模型

為了提高計算速度，沿橫向距離隧道軸線方向越遠(yuǎn)網(wǎng)格越稀疏，同樣沿豎向距離隧道底部越遠(yuǎn)網(wǎng)格越稀疏。土體各側(cè)面分別設(shè)垂直于該側(cè)面的水平約束，底面設(shè)豎向約束，上表面自由，采用Mohr-Coulomb理想彈塑性模型進(jìn)行模擬，詳細(xì)物理力學(xué)參數(shù)見表1?；A(chǔ)為樁基礎(chǔ)，樁類型為沉管灌注樁，采用Pile 單元進(jìn)行模擬，樁頂與建筑物底面固結(jié)在一起。建筑物與樁基參數(shù)見表2。

表1 隧道通過土層土力學(xué)性質(zhì)表

表2 建筑物與沉管灌注樁參數(shù)表

3.2 加固措施

為了綜合分析不同加固措施下盾構(gòu)施工對臨近建筑物的影響，本報告對三種不同工況進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，分別是：

（1）不加固：盾構(gòu)正常施工，不采取加固措施；

（2）洞內(nèi)加固：施工前采取洞內(nèi)加固措施，通過預(yù)注漿在隧道周邊形成一圈3m的加固圈；

（3）洞內(nèi)加固+洞外加固：施工前通過預(yù)注漿在隧道周邊形成一圈3m 的加固圈和在建筑物進(jìn)行袖閥管預(yù)加固，如圖5所示。

圖5 不同加固措施示意圖

4 數(shù)值計算分析

4.1 隧道施工引起的變形場分析

根據(jù)以上材料參數(shù)，分別建立土體自重下的初始應(yīng)力場，以及加入磚混建筑物后的初始應(yīng)力場，之后依次開挖盾構(gòu)隧道南線和北線，計算盾構(gòu)施工對臨近鄰近某小區(qū)的影響。圖6～圖7為上述三種不同工況下的Z向位移和X向位移。

圖6 三種工況下Z向位移

圖7 三種工況下X向位移

結(jié)果表明，Z向位移均隨著盾構(gòu)施工逐步增加，地表最大變形點從開始的盾構(gòu)軸線的正上方轉(zhuǎn)移至建筑物下方。這是因為盾構(gòu)直徑較大，且建筑物與盾構(gòu)距離僅為1.5m，建筑物處于盾構(gòu)施工的主要影響范圍內(nèi)，在建筑自重與開挖卸荷的共同作用下，建筑物的沉降很可能超過隧道中軸線上方的地表沉降。此外，建筑物本身出現(xiàn)了一定程度的不均勻沉降。

X向位移主要發(fā)生在隧道兩側(cè)，由于建筑物下方樁基大于隧道埋深，在隧道施工過程中起到了較強(qiáng)的抗傾斜作用，故盾構(gòu)施工對建筑物的側(cè)向位移的影響較小。因此，在隧道穿越鄰近某小區(qū)時，應(yīng)以沉降控制為主，側(cè)向傾斜控制為輔，并在施工過程中應(yīng)及時進(jìn)行監(jiān)測，防止事故的發(fā)生。

從三種工況下盾構(gòu)隧道施工引起的地層豎向沉降和側(cè)向位移來看，洞內(nèi)注漿加固和洞外袖閥管加固能有效地降低地層變形，且加固措施越多，效果越明顯。因此，對于盾構(gòu)隧道施工通過鄰近建筑的加固措施，推薦采用洞內(nèi)預(yù)注漿加固和洞外袖閥管加固相結(jié)合的方式。

4.2 建筑物變形分析

計算過程中，分別對三種不同工況下建筑物的變形進(jìn)行了監(jiān)測，這里取建筑物變形云圖中X或Z位移最大處的四個測點（P1～P4）來分析，測點位置如圖8 所示，計算結(jié)果見表3。

表3 各工況下建筑物變形統(tǒng)計表

圖8 建筑物監(jiān)測點布置

由以上結(jié)果可以看出，由于隧道開挖卸荷引起周邊土體損失，建筑物的沉降量及側(cè)向傾斜逐漸增大，兩線盾構(gòu)掘進(jìn)完成之后，不采取任何加固措施時，建筑物的最大沉降量將達(dá)到36.08mm，沿開挖方向最大差異沉降為18.08mm，沿豎向最大側(cè)向位移為2.698mm，考慮到建筑物沿開挖方向長64m，豎向高21m，房屋的最大傾斜率為0.28‰，小于4‰的控制標(biāo)注，但最大沉降量超出了《建（構(gòu)）筑物托換技術(shù)規(guī)程》（CEC 295-2011）相關(guān)控制標(biāo)準(zhǔn)要求的30mm閾值；采用洞內(nèi)預(yù)注漿加固時，建筑物的最大沉降量將達(dá)到23.86mm，沿開挖方向最大差異沉降為10.34mm，沿豎向最大側(cè)向位移為0.791mm，房屋的最大傾斜率為0.16‰，房屋傾斜率和沉降值未超過房屋沉降控制值；采用洞內(nèi)加固與洞外加固相結(jié)合的措施時，建筑物的最大沉降量將達(dá)到14.72mm，沿開挖方向最大差異沉降為6.01mm，沿豎向最大側(cè)向位移為0.296mm，房屋的最大傾斜率為0.09‰，房屋傾斜率和沉降值未超過房屋沉降控制值。實際施工過程中，采用地層預(yù)加固+洞內(nèi)長管注漿+洞外袖閥管跟蹤加固+嚴(yán)格施工控制，盾構(gòu)掘進(jìn)完成后建筑物最大沉降為14.12mm，小于建筑物的沉降控制值，建筑物最大傾斜率為0.09‰，小于建筑物的傾斜控制值，與數(shù)值計算結(jié)果基本一致。

5 結(jié)論

針對香積寺路西延工程盾構(gòu)隧道通過鄰近某小區(qū)住宅的情況，通過連續(xù)介質(zhì)有限元整體模型數(shù)值分析得出如下結(jié)論：①隨著盾構(gòu)隧道南線和北線依次開挖，地層Z向位移均隨著盾構(gòu)施工逐步增加，地表最大變形點從開始的盾構(gòu)軸線的正上方轉(zhuǎn)移至建筑物下方，可造成建筑物本身出現(xiàn)一定程度的不均勻沉降；②隨著盾構(gòu)隧道南線和北線依次開挖，地層X向位移主要發(fā)生在隧道兩側(cè)，由于建筑物下方樁基大于隧道埋深，在隧道施工過程中起到了較強(qiáng)的抗傾斜作用，故盾構(gòu)施工對建筑物的側(cè)向位移的影響較?。虎鬯淼篱_挖卸荷引起周邊土體損失，建筑物的沉降量及側(cè)向傾斜逐漸增大，兩線盾構(gòu)掘進(jìn)完成之后，不采取任何加固措施時，建筑物的最大沉降量將達(dá)到36.08mm，超出了規(guī)范要求的30mm的控制值；④三種工況下盾構(gòu)隧道施工引起的地層豎向沉降和側(cè)向位移來看，洞內(nèi)注漿加固和洞外袖閥管加固能有效地降低地層變形；⑤對于盾構(gòu)隧道施工通過鄰近建筑的加固措施，從經(jīng)濟(jì)的角度推薦使用洞內(nèi)加固措施通過該建筑物，并在施工過程中應(yīng)及時對房屋進(jìn)行監(jiān)測、檢測，防止事故的發(fā)生，從安全的角度，推薦采用洞內(nèi)預(yù)注漿加固和洞外袖閥管加固相結(jié)合的方式通過建筑物。

整體而言，根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》GB5007-2011 中表5.3.4 和《建（構(gòu)）筑物托換技術(shù)規(guī)程》（CEC 295-2011）的相關(guān)要求，采用地層預(yù)加固+洞內(nèi)長管注漿+袖閥管跟蹤加固+嚴(yán)格施工控制，盾構(gòu)掘進(jìn)完成后建筑物最大沉降為14.12mm，小于建筑物的沉降控制值，建筑物最大傾斜率為0.09‰，小于建筑物的傾斜控制值。因此，采用此加固措施進(jìn)行盾構(gòu)隧道施工可確保工程沿線建筑物的安全。