馬笑遇

(杭州市地鐵集團有限責任公司,杭州 310020)

在地鐵隧道施工中,由于盾構(gòu)法對隧道周圍土體擾動較小,利于地面建(構(gòu))筑物和地下管線的保護,更減小了對城市秩序的影響,實現(xiàn)快速、安全、可靠施工目的,因此逐漸成為目前我國城市地鐵建設(shè)的主要施工方法。然而在杭州、上海等沿海城市,由于地下水位高、土質(zhì)軟弱,工程性能差等不利因素,在采用盾構(gòu)法施工時一般會導致地下水位降低,進而導致地面沉降過大,引起地表路面或建筑物的開裂,從而會對建筑物的使用、甚至安全構(gòu)成威脅[1]。因此在地鐵施工過程中,必須控制地層的變形以減少地下結(jié)構(gòu)開挖對地表及建筑物造成的影響[2]。

目前,國內(nèi)外關(guān)于隧道與建筑物相互作用及風險分析方面的研究文獻主要有:

L.T.Chen,H.Gpoulos[3]等人(1999)利用兩階段方法對隧道施工引起的樁基變形特性進行了研究;N.Loganathan,H.G..Poulos[4](2000)利用離心模型試驗對因隧道施工引起的單樁和群樁應(yīng)力與變形特性的影響進行了初步研究;Mroueh等[5](2003)采用三維有限元方法模擬了在隧道施工中考慮了建筑物的存在以及忽略了建筑物存在兩種情況下土體的位移;Lee等[6](2005)分析了擬建隧道通過已經(jīng)構(gòu)建的樁基時對樁承載力的影響;劉波,陶龍光等[7](2006)基于沉降預(yù)測理論及FLAC3D研究了地鐵盾構(gòu)隧道穿越建筑基礎(chǔ)誘發(fā)地層變形的空間效應(yīng)問題;馮慧君,范井越等[8](2009)采用FLAC3D對盾構(gòu)隧道近距離旁穿越地面建筑物進行了模擬;但這些研究結(jié)果大都缺少實測數(shù)據(jù)的驗證。

自 20世紀 70年代美國 Einstein.H.H在隧道與地下工程中引入風險分析以來,風險評估方法及風險管理的研究在歐美國家取得了一定的研究成果。Einstein.H.H曾撰寫多篇文獻論述隧道工程風險分析的特點和應(yīng)遵循的理念[9];R.Stuzk等將風險分析技術(shù)應(yīng)用于斯德哥爾摩環(huán)形公路隧道,得到了一些規(guī)律性的結(jié)論[10];此外,我國黃宏偉、陳龍等學者也在這方面做了一定的研究[11～13]。

1 工程概況

在建的杭州地鐵 1號線某盾構(gòu)區(qū)間,線路右線、左線總長為2478.967m,該盾構(gòu)法隧道穿越房屋段隧道埋深 11.3～8.7m,本區(qū)間最小曲線半徑 400m,隧道最大坡度 25‰,襯砌管片類型為鋼筋混凝土管片,外徑6200mm、內(nèi)徑 5500mm,寬度1200mm,厚度 350 mm。該區(qū)間沿線影響范圍內(nèi)共有房屋 25幢,其中下穿 15幢,具體情況如表1所示。

表1 區(qū)間沿線房屋情況

該區(qū)間隧道盾構(gòu)穿越范圍內(nèi)的土層從上到下依次為:①2素填土、②2黏質(zhì)粉土、④2淤泥質(zhì)黏土、⑥2淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土。

2 模型建立

2.1 計算模型

根據(jù)施工情況說明和地質(zhì)資料,采用 FLAC3D建立三維模型,如圖1所示。選取隧道上方 1幢 3層建筑物為研究對象,基礎(chǔ)類型為條形基礎(chǔ),在建立模型時,柱子和梁采用 beam單元。每層活荷載按規(guī)范取值,頂層活荷載為 0.5kPa,其他層活荷載取平均值 2.25 kPa,考慮傳遞到框架梁上的墻體重力,每層樓板面上所加荷載為 4.9kPa。

模擬計算采用如下假設(shè):(1)地表和各層土均呈均質(zhì)水平層狀分布;(2)忽略地下水的滲透作用,土體本身變形與時間無關(guān);(3)土體為各向同性、連續(xù)的彈塑性材料,服從 Mohr-Coulomb屈服準則;(4)建筑物與基礎(chǔ),基礎(chǔ)與土體采用變形協(xié)調(diào)計算的方法。

2.2 模擬工況

盾構(gòu)隧道掘進包括工作面開挖、管片環(huán)拼裝和盾尾同步注漿 3個步驟。盾構(gòu)開挖輪廓如圖1所示。注漿材料按典型的雙液注漿考慮,并取最終的彈性模量,注漿層的厚度主要受盾尾空隙的影響,取值為 0.2m。盾構(gòu)區(qū)間管片襯砌外徑 6.2m,厚 0.35m,為 C50鋼筋混凝土,考慮到接頭對管片襯砌結(jié)構(gòu)的影響,采用剛度折減的方法來模擬,剛度折減系數(shù)為 0.8。

圖1 盾構(gòu)隧道計算模型

土體的開挖進尺為 1.2m(管片幅寬)一循環(huán)。盾構(gòu)機的推進阻力主要有 3部分:機殼摩阻力、刀盤灌入阻力和刀盤開口處的土壓力,對盾構(gòu)機施加的總推力為三者之和。因為盾構(gòu)機的頂進力將對前方地層損失量和由此產(chǎn)生的地層隆沉起到關(guān)鍵作用,因此在這里根據(jù)計算選取了12000kN(工法 1)、16000kN(工法2)、20000kN(工法 3)3種不同頂進力,來模擬盾構(gòu)掘進對地層穩(wěn)定性和建筑物變形的影響。

2.3 關(guān)鍵點位移

對于工法 1、工法 2、工法 3,在施工過程中一些關(guān)鍵點位移分別如表2所示。

表2 一些關(guān)鍵點的位移 mm

通過表2中數(shù)據(jù)可知。

(1)先開挖隧道對后開挖隧道的沉降也有一定的影響,如工法 1中右線開挖和左線開挖完后埋深 1.5D(拱頂)最大位移分別為 19.21mm和 25.24mm;二者相差 6.03mm。

(2)不同頂進力對地層沉降影響較大,比如工法1、工法 2和工法 3中,隧道開挖完后地表最大沉降值分別為 12.8、8.99mm和 6.56mm。

(3)隨著推力增大,盾構(gòu)機前方土體在 y方向位移逐漸增大,以工法 1、工法 2和工法 3為例,盾構(gòu)機推力由 12000kN增加到 16000kN,由 16000kN增加到 20000kN,盾構(gòu)機前方土體在 y方向的移動分別增加了 10.1mm和 19.3mm。

(4)從地表到拱頂,地層沉降逐漸增大,如在工法1中,施工完成后地表、埋深 1D和拱頂處沉降量分別為:12.8、19.56mm和 25.24mm。

(5)從地層沉降和掌子面前方位移這兩個因素綜合考慮,為了較好地控制前方地層隆沉和地層整體沉降,盾構(gòu)機頂進力施加到 16000kN(即工法 2)較為適宜。

2.4 地層沉降槽及三維沉降曲面

根據(jù)上節(jié)研究成果,在本節(jié)中以工法 2為例,分析隧道開挖引起不同深度地層的橫向沉降曲線和開挖完地表位移等值線(斷面 y=24)和地表三維沉降規(guī)律,如圖2～圖5所示。

據(jù)圖2和圖5可知。

圖2 地表橫向沉降曲線(右線)

圖3 地表橫向沉降曲線(左線)

圖4 地表沉降等值線

圖5 地表三維沉降曲面

(1)根據(jù)不同深度下地層沉降曲線可以看出,在地表沉降槽的形態(tài)較為緩和,而且分布范圍較大,隨著深度增加(在拱頂以上),沉降槽變得更加陡峭,而且分布范圍變窄。

(2)在右線施工完畢后地表最大沉降達到 7.1 mm,位于 10m處,橫向影響范圍距中心線約 10～15 m;左線施工完畢后,地表出現(xiàn)兩個較大的沉降量:8.1 mm和 13.2mm,分別位于 -11m和 +10m處,即隧道左軸線和右軸線附近。由于兩條隧道相距較遠(22 m),約 3.6D,兩隧道中間沉降較小,施工完成后僅地表沉降約 3.7mm。

(3)通過地表三維沉降曲面可以非常明顯的看出整個地表沉降面成雙凹槽的現(xiàn)象,左側(cè)凹槽中心線與左線隧道軸線基本重合,右側(cè)凹槽中線偏離右線隧道軸線左側(cè) 0.7～1.0m,且在建筑物所在位置沉降量要比對應(yīng)左線位置沉降量大,這表明由于隧道 -土 -建筑三者相互作用,使得建筑物附近地表的沉降受到了建筑物的影響。

(4)在建筑物周圍等值線比較密集,由于建筑物的整體輪廓與右線隧道成斜交,說明在隧道開挖過程中地表沉降曲線受建筑物基礎(chǔ)的影響,改變了其原有的擴散狀態(tài)。

2.5 建筑物沉降分析

為了更好地分析盾構(gòu)通過對房屋變形的影響,在本節(jié)中選取工法 1和工法 2進行分析,以建筑物的 4個角點(A、B、C和 D)作為沉降分析點,分析它們的沉降值隨著盾構(gòu)掘進變化的規(guī)律(僅分析右線),如圖6、圖7所示,其中 I區(qū)表示盾構(gòu)尚未到達,Ⅱ區(qū)表示盾構(gòu)正在通過,Ⅲ區(qū)表示盾構(gòu)已經(jīng)穿越了建筑物。

圖6 工法 1建筑物沉降

圖7 工法 2建筑物沉降

根據(jù)計算可得以下結(jié)論。

(1)由于受到盾構(gòu)機頂進力作用,隨著盾構(gòu)機臨近建筑物,4個監(jiān)測點會在不同時間發(fā)生相應(yīng)的隆起,且隨著盾構(gòu)機切削面的臨近,隆起量逐漸增加,比如在工法 1中 B點和 C點在盾構(gòu)機掘進到 13m左右隆起值達到最大約為 1.3mm,此時切削面離 B點和C點的距離約為 2D;隨后監(jiān)測點隆起開始逐漸減少,當盾構(gòu)機掘進到 20m(離 B點、C點約為 0.75D)時,監(jiān)測點開始沉降;當盾構(gòu)機到達監(jiān)測點時,監(jiān)測點沉降完成總沉降的 25%左右,當盾尾通過監(jiān)測點時,監(jiān)測點沉降量約為總沉降的 53%左右,當盾尾通過監(jiān)測點后 2D時,監(jiān)測點沉降約為總沉降的 85%。

(2)從圖中可以看出基礎(chǔ)的沉降主要發(fā)生在Ⅱ區(qū)間段內(nèi),而且沉降速度和沉降量均比較大,在Ⅲ區(qū)內(nèi)基礎(chǔ)沉降已經(jīng)基本穩(wěn)定。

(3)不同的頂進力對盾構(gòu)機前方的土層影響不同,比如工法 1和工法 2的頂進力分別為12000kN和16000kN,兩圖中所反映的監(jiān)測點最大隆起量也不同,分別約為1.2mm和 1.7mm,因此通過調(diào)整盾構(gòu)機的頂進力可以控制前方土層的隆沉。

(4)盾構(gòu)掘進完后,工法 1中 B、A兩點的沉降差為 7.4mm,B、C兩點的沉降差為 1mm;D、C兩點的沉降差為 5mm,D、A兩點的沉降差為 1.4mm。根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》[14]中關(guān)于框架結(jié)構(gòu)沉降差允許值的相關(guān)規(guī)定(表3),按中壓縮土考慮,則[Δ]BA=7.4 mm＜0.002×LBA=0.002×12000=24mm,[Δ]BC=1.0mm＜0.002×LBC=0.002×7900=15.8mm,同理經(jīng)計算,[Δ]DC和[Δ]DA,以及工法 2中 4個角點之間的沉降差也均滿足規(guī)范安全要求。

表3 框架結(jié)構(gòu)沉降差允許值 mm

3 數(shù)值模擬與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)比較

3.1 監(jiān)測點布置

在盾構(gòu)隧道穿越地面建筑物段,在建筑物的 4角設(shè)沉降觀測點。沿隧道軸線按間距 5m設(shè)監(jiān)測點,每30m布置一個監(jiān)測橫斷面,在此選擇 y=24m監(jiān)測斷面(即建筑物附近)進行分析,以便與數(shù)值模擬結(jié)果進行對比。

3.2 預(yù)警值的確定

根據(jù)理論計算,以及與杭州市房管所取得聯(lián)系,確定以下報警、警戒值。

(1)報警值:房屋單次沉降超過 +2～-3mm,累計沉降 +3～-10mm,差異沉降 5mm;地表 ±3mm/d,累計沉降 +10～-30mm;

(2)警戒值:地面(房屋)明顯隆起或下沉,房屋出現(xiàn)裂縫等。

3.3 監(jiān)測數(shù)據(jù)及結(jié)果分析

根據(jù)圖8和圖9數(shù)據(jù)可知:

(1)斷面 y=24m監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)值計算結(jié)果相差最小值為 0.40mm,最大值為 1.5mm,表明數(shù)值模擬結(jié)果與實測較為接近,建筑物監(jiān)測數(shù)據(jù)也同數(shù)值模擬結(jié)果相差不大,不過整體值要偏大一些。

(2)盾構(gòu)通過房屋后,建筑物 4個角點 A、B、C、D的沉降值分別為 3.5、9.3、8.1mm和 4.6mm,房屋和地表的單次沉降值和累計沉降值均在預(yù)警值范圍內(nèi),只有B點與 A點的差異沉降值約為 5.8mm,超過了預(yù)警值(5mm)約 0.8mm;同上,根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》[14],4個角點的沉降差 [Δ]BA=5.8mm＜0.002×LBA=0.002×12000=24mm,[Δ]BC=1.2 mm＜0.002×LBC=0.002×7900=15.8mm,同理經(jīng)計算,[Δ]DC和[Δ]DA也均滿足規(guī)范安全要求。

(3)根據(jù)盾構(gòu)機刀盤前方地層的動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)可知,為了減小盾構(gòu)穿越房屋時對房屋的影響,刀盤前方地層始終保持 0.4～1.2mm的隆起量,數(shù)值模擬結(jié)果表明在盾構(gòu)機到達房屋前,監(jiān)測點的最大隆起值約為1.3mm,與刀盤前方地層隆沉動態(tài)監(jiān)測值較為吻合,實踐證明,這對控制房屋沉降起到了很大的作用。

圖8 斷面y=24m地表橫向沉降曲線

圖9 建筑物沉降監(jiān)測曲線

4 施工風險因素分析及控制措施

4.1 風險因素

針對該區(qū)間的工程情況,在施工過程中可能存在以下潛在的施工風險因素:

(1)當作用在正面土體的推應(yīng)力大于或小于原始側(cè)向應(yīng)力,都有可能造成盾構(gòu)機上方地層隆沉,從而造成地層損失;

(2)在盾構(gòu)暫停推進中,若推進千斤頂漏油回縮而引起盾構(gòu)后退;

(3)土體擠入管片與盾構(gòu)之間的建筑空隙;

(4)盾構(gòu)施工中改變推進方向;

(5)管片的變形和隧道的沉降;

(6)隧道同時切割軟硬不同土性層,易產(chǎn)生的軟弱層超挖、排土過多引起的地面下沉和盾構(gòu)偏離。

這些風險因素的存在導致了在實際施工過程中可能造成的地表沉降過大,進而導致隧道及隧道上方建筑物產(chǎn)生變形甚至開裂,對隧道本身及地表建筑物的安全產(chǎn)生較大影響。

4.2 控制措施

針對這些存在的風險因素,在實際施工過程中主要采取了以下一些措施:

(1)控制好盾構(gòu)姿態(tài),加強出土量和軸線的控制,盡量減小盾構(gòu)糾偏量以減小對周圍土體的擾動,確保盾構(gòu)的順利掘進;

(2)及時調(diào)整盾構(gòu)施工參數(shù),減少盾構(gòu)的超挖和欠挖,以免造成盾構(gòu)前方地面土體發(fā)生坍塌或隆起,具體參數(shù)見表4。

表4 盾構(gòu)掘進施工參數(shù)

(3)在掘進過程中嚴格進行同步注漿作業(yè),充分填充盾尾后隧道外建筑空隙,以減少隧道周圍土體的水平及垂直位移而引起的地表沉降,具體參數(shù)見表5。

表5 同步注漿參數(shù)

(4)在盾構(gòu)穿越后,為抵制盾構(gòu)通過后房屋的后期沉降,我們在下穿房屋段隧道內(nèi)進行了二次注漿,每環(huán) 6個孔均壓注,具體配合比及注漿壓力如下。

①水泥∶水玻璃∶水 =0.8∶0.04∶1;②注漿壓力:0.3～1.0MPa。

(5)派技術(shù)人員跟班作業(yè),及時指導、校正掘進參數(shù)。

(6)加強監(jiān)測,發(fā)現(xiàn)問題及時匯報、處理。

5 結(jié)論

本文通過對數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比分析主要得出以下結(jié)論。

(1)先開挖隧道對后開挖隧道的沉降也有一定的影響,但和兩隧道之間中心距離有較大的關(guān)系,按照單孔隧道設(shè)計思想設(shè)計的平行隧道,其合理間距最好大于 0.7D,本文中兩隧道的間距約為 3.6D,因此施工期間相互影響不是很大。

(2)施工完后,整個地表沉降面出現(xiàn)“雙凹槽”的現(xiàn)象,且由于建筑物的存在,右側(cè)凹槽中線(即沉降較大位置)偏離右線隧道軸線左側(cè)約 0.7～1m。此外,通過地表沉降等值線也可以發(fā)現(xiàn)建筑物所在區(qū)域等值線較為密集,這主要是由于建筑物的存在改變了其原有的擴散狀態(tài)。

(3)根據(jù)建筑物監(jiān)測點的數(shù)值計算和監(jiān)測結(jié)果可發(fā)現(xiàn),地表沉降主要發(fā)生在盾構(gòu)機前方 1D和后方 2D的范圍內(nèi),其中,盾構(gòu)機離監(jiān)測點的距離約為 2D,前方隆起達到最大,隨后監(jiān)測點隆起開始逐漸減少,當盾構(gòu)機掘進到距離監(jiān)測點約 0.75D時,監(jiān)測點開始沉降;當盾構(gòu)機到、通過和離開監(jiān)測點 2D時,監(jiān)測點沉降占總沉降的比例分別為 25%、53%和 85%左右。

(4)根據(jù)現(xiàn)場施工情況可知,及時調(diào)整盾構(gòu)施工參數(shù)、同步注漿參數(shù),并對下穿房屋段隧道內(nèi)進行了二次注漿,可以較好地控制地層沉降和建筑物變形。

(5)隧道穿越房屋施工是一個復雜的三維過程,但是通過建立合理的結(jié)構(gòu) -土體 -隧道模型,還是可以較好地預(yù)測隧道施工周圍地層和鄰近建筑物的影響,并且可以為現(xiàn)場實際施工提供一些預(yù)測性的建議;此外,根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)反饋分析,及時調(diào)整施工參數(shù)和采取一些預(yù)加固措施,可以將施工風險降到最小。

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