盾構(gòu)隧道下穿既有建筑施工監(jiān)控分析

楊 軍 黃 鈔

(中國水利水電第七工程局成都水電建設(shè)工程有限公司 成都 611130)

在地下空間開發(fā)利用規(guī)模與需求日益增加的背景之下,地下軌道交通的發(fā)展得到愈來愈多的重視[1-2]。隨著城市地鐵線路的增加,難免出現(xiàn)隧道下穿既有建筑物的情況。而盾構(gòu)法作為常用的地鐵施工方法,其推進過程對土體的擾動會導致地面發(fā)生一定程度變形,對地面建筑物產(chǎn)生影響。因此,為了避免地面變形對地面建筑物及盾構(gòu)工程本身帶來事故,研究盾構(gòu)下穿既有建筑物過程具有重要意義。

針對盾構(gòu)下穿問題,已有不少學者進行了研究。朱蕾等[3]總結(jié)軟土地區(qū)盾構(gòu)下穿已建成隧道的研究現(xiàn)狀,監(jiān)測分析了實際工程中既有隧道的變形數(shù)據(jù),并認為盾構(gòu)在縱向推進方向影響范圍為3D～5D間。楊成永[4]、馬文輝等[5]等結(jié)合數(shù)值模擬與現(xiàn)場監(jiān)測等手段,分析不同地層條件下盾構(gòu)穿越既有盾構(gòu)隧道的變形規(guī)律,總結(jié)了施工控制經(jīng)驗。胡高明[6]、譚貝等[7]通過數(shù)值模擬研究了盾構(gòu)下穿過程中高速公路路基的沉降變化。劉勇等[8]采用幾何相似比1∶5的模型試驗,模擬盾構(gòu)下穿高鐵路基,探究不同埋深對軌道沉降的影響規(guī)律,且認為盾尾脫出是引起沉降的主要因素。宋鋼[9]總結(jié)土壓平衡盾構(gòu)下穿淺基礎(chǔ)房屋的主要風險與房屋加固措施,并針對掘進過程中的盾構(gòu)參數(shù)、注漿方法,以及渣土改良等技術(shù)提出了建議。文獻[10-11]依托不同地鐵盾構(gòu)工程,采用數(shù)值模擬方法研究盾構(gòu)施工對地面建筑物的影響規(guī)律,并提出了可行的加固措施。

上述研究較多針對盾構(gòu)穿越過程中的地層沉降及建筑物加固措施,而對于發(fā)生在砂卵石泥巖復合地層的下穿及管片結(jié)構(gòu)本身受力特性的研究還存在空白。本文擬以成都地鐵19號線二期工程盾構(gòu)下穿某公安局為研究背景,提出下穿工程的施工控制措施,并通過數(shù)值模擬分析施工過程中地層、管片和建筑物的受力特性,以為實際工程提供參考。

1 工程概況

1.1 基本概況

成都地鐵19號線二期工程雙線盾構(gòu)隧道下穿某機場公安分局,其相對位置見圖1。

圖1 盾構(gòu)下穿公安局相對位置圖

下穿段盾構(gòu)直徑8.3 m,穿越密實砂卵石與中風化泥巖復合地層。在此種上軟下硬地層中掘進時,容易發(fā)生開挖面失穩(wěn)、盾構(gòu)姿態(tài)偏移等問題。此外,由于上、下部分掘進效率的差異,軟土部分容易超挖,從而引起較大的地表沉降。建筑物及基礎(chǔ)采用C30混凝土,隧道管片、注漿材料采用C50混凝土,各地層及建筑材料物理力學性質(zhì)見表1。

表1 地層及建筑材料物理力學參數(shù)

機場公安局為6層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu),其基礎(chǔ)為AB400的PHC管樁,樁基最深9 m。盾構(gòu)隧道頂部距離基礎(chǔ)底部最小距離約14.9 m。在復合地層掘進時各地層間作用復雜,加之砂卵石地層原有狀態(tài)容易破壞,可能存在既有建筑物基礎(chǔ)下沉、開裂及傾斜等風險,故盾構(gòu)下穿該公安局屬超規(guī)模危大工程。

1.2 注漿加固

在穿越既有建筑物前,采用增加注漿孔的加強型管片,在穿越時必須進行二次注漿,以彌補同步注漿填充不足。同時,采用直徑×壁厚為42 mm×3.5 mm鋼花管進行洞內(nèi)深孔注漿加固。地層及注漿加固斷面圖見圖2。

如圖2,深孔注漿深度上部范圍為3 m,下部范圍為0.5 m,注漿終壓0.2～0.4 MPa,注漿材料一般采用水泥漿液,注漿體材料參數(shù)見表1。結(jié)合地面監(jiān)測,特殊情況下可采用水泥-水玻璃雙液漿,其中水泥漿水灰比為0.8～1.0,水玻璃濃度為38～40°Bé,水泥漿水玻璃混合體積比為1.0～2.0,控制初凝時間在20 s內(nèi)。

2 數(shù)值模擬

采用ANSYS有限元軟件建立數(shù)值模型。考慮到軌道交通3號線及基坑降水開挖的影響范圍,模型尺寸定為141 m(橫向)×53 m(豎向)×114 m(縱向),見圖3。模型邊界條件為:隧道軸線方向,模型前后兩面邊界結(jié)點施加水平縱向約束;隧道橫向方向,模型左右兩面邊界結(jié)點施加水平橫向約束;模型底面結(jié)點施加豎向約束。

圖3 地層-結(jié)構(gòu)模型示意圖

為簡化計算,假設(shè)各土層為均質(zhì)層狀,地層本構(gòu)采用摩爾-庫侖模型。建筑物、基礎(chǔ)、襯砌材料則采用線彈性本構(gòu)模型。

下穿既有建筑物形狀整體呈“工”字形,選取其基礎(chǔ)不同位置管樁作為沉降監(jiān)測點,見圖4,以探究其沉降及傾斜狀況。

圖4 建筑物沉降監(jiān)測點布置圖

模擬開挖時,使用ANSYS中單元的“生死”控制模擬土體開挖及支護過程,即開挖土體時在模型中“殺死”相應部分的單元,而安裝管片和盾尾注漿時則激活相應的單元。單個開挖步開挖6 m,并分為3個時間步。在每一開挖步內(nèi),計算注漿層、土體、管片系統(tǒng)的應力、應變,并在考慮邊界條件影響的條件下得到土層、管片的位移、應力等重要數(shù)據(jù)。左、右線分別開挖,共計循環(huán)開挖38步,直至隧道開挖結(jié)束。

3 數(shù)值計算結(jié)果分析

3.1 地表沉降

右線下穿開挖完成后,地層最終豎向位移見圖5。選取右線正上方地表中心點作為監(jiān)測點,其沉降值隨開挖距離變化曲線見圖6。

圖5 地層豎向位移圖

圖6 地表監(jiān)測點沉降變化曲線

如圖6所示,隨著基坑開挖進行,地表沉降逐漸增大,在隧道掘進完成后達到最大沉降量19.539 mm。地表沉降速度整體呈現(xiàn)先增大,達到最大之后逐漸放緩并趨于穩(wěn)定。開挖50～70 m處時,盾構(gòu)下穿既有建筑物,開挖60 m處,地表沉降速度最大達到10.5%,而在模型邊界處地表沉降速度穩(wěn)定為1.9%左右。原因在于隧道掘進到達建筑物前由于地表荷載增加,隧道開挖導致的地表沉降逐漸加快并在隧道穿越建筑物重心正下方時數(shù)值達到最大。隨著遠離建筑物,地表沉降速度逐漸減小并回歸正常趨勢。

3.2 管片襯砌變形

隧道掘進至既有建筑物下方時,建筑物自重將對管片結(jié)構(gòu)受力產(chǎn)生一定影響。開挖完成后,管片襯砌結(jié)構(gòu)的豎向、水平沉降云圖見圖7。由圖7a)可知,管片在既有建筑物作用下,豎向位移為負,即結(jié)構(gòu)整體向下沉降。但由于底部存在地層反力,管片下部沉降相較于上部較小,位移為2～3 mm。在隧道縱向上,既有建筑物正下方管片上部結(jié)構(gòu)沉降相對其余位置管片上部結(jié)構(gòu)沉降較大。由圖7b)可知,管片結(jié)構(gòu)遠離對向隧道的一側(cè)向內(nèi)位移,對側(cè)位移方向相反且更小。結(jié)構(gòu)整體豎向位移相較水平位移明顯較大,且上部管片變形更為明顯。

圖7 管片位移云圖

管片豎向及水平最大位移值變化曲線見圖8。

圖8 管片結(jié)構(gòu)豎向及水平最大位移值變化曲線

由圖8可知,管片豎向最大位移沿開掘距離呈增大趨勢,增長速度先逐漸增加且在下穿建筑物時達到最大,之后逐漸減緩并趨于穩(wěn)定,最大位移值為7.419 mm。而管片最大水平位移在開挖后增大至峰值0.882 mm,在下穿建筑物后逐漸減小。在50～70 m的下穿段間,結(jié)構(gòu)位移變化趨勢顯著,進行盾構(gòu)施工時需要注意觀察監(jiān)測隧道管片的位移變形,以免發(fā)生工程事故。

3.3 既有建筑物沉降及傾斜變形

開挖完成后,管樁豎向位移見圖9。

圖9 管樁豎向位移云圖

如圖9所示,由于開挖位置靠近建筑物右側(cè),右側(cè)管樁沉降整體較左側(cè)更大。其中,開挖正上方管樁受影響較大,其沉降較其它位置更大。圖10為各監(jiān)測點縱向沉降隨雙線隧道不同掘進距離變化曲線。

圖10 監(jiān)測點沉降曲線

由圖10曲線可知,隨著盾構(gòu)掘進的進行,初期沉降緩慢,隨盾構(gòu)掘進到監(jiān)測點所在監(jiān)測面,依次產(chǎn)生明顯向下沉降,并隨盾構(gòu)遠離機場公安局建筑物,沉降逐漸趨于穩(wěn)定。其中,靠近盾構(gòu)開挖線路的7號監(jiān)測點沉降值最大,達-16.8 mm;12號監(jiān)測點離隧道最遠,其沉降值與沉降速率較小;2號監(jiān)測點由于位于建筑物角部,穿越完成后仍具一定沉降速率,施工過程中需重點關(guān)注。

由于盾構(gòu)掘進方向與既有建筑物存在一定夾角,利用1、6、7、12號4個角部管樁沉降值計算建筑物最大傾斜率,即

Qmax=ABS(Hmax-Hmin)/D

(1)

式中:Qmax為建筑物的最大傾斜率;Hmax為建筑物最大角部管樁沉降;Hmin為建筑物最小角部管樁沉降;D為最大和最小沉降角點的直線距離。

建筑物傾斜曲線見圖11。由于在盾構(gòu)掘進到建筑物前對施工方向前端的地層造成的推力,加之建筑物荷載,形成了復雜應力場,其下部基礎(chǔ)會產(chǎn)生一定程度的不均勻隆起。由圖11可見,隨盾構(gòu)開挖到44～84 m,位于建筑物正下方時,距離開挖線路近處的角點產(chǎn)生更大縱向位移變形,導致了明顯的傾斜變形。隨著盾構(gòu)遠離,開挖所造成的沉降疊加效果逐漸減小,建筑物傾斜變形趨于穩(wěn)定,最終傾斜率約為0.075%,滿足設(shè)計規(guī)范,傾斜規(guī)律符合實際情況。

圖11 建筑物傾斜曲線

4 施工監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

4.1 掘進參數(shù)控制

盾構(gòu)掘進過程中,堅持以“控制擾動,安全、連續(xù)、快速均衡通過”的原則進行掘進段參數(shù)預設(shè)定,具體參數(shù)設(shè)置見表2。施工時,及時根據(jù)地面監(jiān)測數(shù)據(jù)對盾構(gòu)參數(shù)進行調(diào)整。

表2 下穿段預設(shè)盾構(gòu)參數(shù)

右線盾構(gòu)于1 320～1 330環(huán)下穿公安局,穿越過程中掘進參數(shù)見圖12。

圖12 右線盾構(gòu)下穿過程掘進參數(shù)

由圖12a)可見,盾構(gòu)掘進至1 320環(huán)時,為避免大幅擾動地層,掘進速度減慢,在結(jié)合地面監(jiān)測點數(shù)據(jù)后,快速、均勻通過下穿段,平均掘進速度為57.7 mm/min。如圖12b)所示,為控制地面沉降,掘進時同步注漿量與掘進速度相匹配,且不低于11.8 m3/環(huán),下穿段平均注漿量為12.6 m3/環(huán)。刀盤推力受地層性質(zhì)、埋深等因素影響,在下穿過程中,其變化與掘進速度有相反趨勢,平均推力為25 727 kN。

4.2 實測沉降數(shù)據(jù)分析

取公安局地表沉降變形監(jiān)測點JGC101-30～JGC101-34進行分析,監(jiān)測點布置見圖13。

圖13 監(jiān)測點布置圖

左、右線各監(jiān)測點沉降變形時程曲線見圖14,右線于28-29日穿越建筑物正下方,左線于14-15日穿越建筑物正下方。由圖14a)可見,右線盾構(gòu)下穿過程中建筑物沉降變形可分為“微小隆起-開始沉降-趨于穩(wěn)定”3個階段。盾構(gòu)開始下穿時地表略有隆起;下穿過程中地表沉降加大,期間最大沉降值為-3.14 mm;下穿通過后,地表沉降變形保持穩(wěn)定,各監(jiān)測點整體變形值為0.5～-3 mm。由圖14b)可見,左線7號盾構(gòu)穿越時,在穿越建筑物正下方后3 d內(nèi)持續(xù)沉降,最大沉降值為-6.40 mm,沉降規(guī)律基本與8號盾構(gòu)一致。實測沉降值總體相對模擬值較小,說明模擬結(jié)果偏保守,但實測數(shù)據(jù)變化規(guī)律與模擬數(shù)據(jù)基本一致。建筑物沉降與傾斜率變化量與變化速率均小于控制值,滿足施工監(jiān)測要求。

圖14 監(jiān)測點沉降時程曲線

5 結(jié)論

文中對復雜地層下盾構(gòu)穿越既有機場公安局全過程進行數(shù)值模擬研究,并結(jié)合施工實測數(shù)據(jù)進行論證,研究得到以下結(jié)論。

1) 地層沉降量在掘進完成后達到最大值19.539 mm,且在盾構(gòu)掘進至建筑物下方時,沉降速率最大。

2) 盾構(gòu)下穿過程中,靠近建筑物下方的管片沉降更大,管片最大豎向與水平位移分別為7.419,0.882 mm,在開挖50～70 m下穿段位移變化趨勢顯著。

3)“工”字形建筑物在靠近盾構(gòu)開挖線路位置沉降最大達到-16.8 mm,且兩端的監(jiān)測點最終位移更大;盾構(gòu)掘進至建筑物正下方時,其傾斜變形最為明顯,最終傾斜率為0.075%。

4) 施工監(jiān)測中,及時根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)控制盾構(gòu)參數(shù),做到了同步注漿量與掘進速度相匹配,快速均勻通過建筑物;左線下穿施工時監(jiān)測點整體變形值相較右線更大;沉降實測值較模擬更小,但沉降規(guī)律基本一致,且滿足施工監(jiān)測要求。