涂智溢

(中鐵隧道勘測設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300133)

0 引言

盾構(gòu)法修建地鐵隧道，已成為我國城市地鐵隧道施工的一種主要方法;但是在軟土層中采用盾構(gòu)法施工，由于周圍環(huán)境和巖土介質(zhì)的復(fù)雜性及施工質(zhì)量的不確定性，施工不可避免地引起地層移動(dòng)而造成不同程度的地表沉降，當(dāng)?shù)乇沓两颠_(dá)到一定程度時(shí)，就會影響周圍地面建筑的正常使用，這種現(xiàn)象在含水的松軟土層或其他不穩(wěn)定地層中表現(xiàn)尤為顯著［1－3］。無錫地鐵1號線大部分區(qū)間采用盾構(gòu)法施工，在該城市中采用盾構(gòu)法施工尚屬首次，沒有相關(guān)工程及此類地質(zhì)條件的施工經(jīng)驗(yàn)，隧道施工對建筑物的影響也沒有相關(guān)數(shù)據(jù)可以參考。本工程中某區(qū)間隧道穿越城市中心地帶，其建筑物密集、地質(zhì)情況復(fù)雜、施工條件受限制，在隧道施工中確保建筑物安全成為本工程重點(diǎn)和難點(diǎn);因此，在隧道施工前，對沿線建筑在盾構(gòu)施工時(shí)的沉降變形做準(zhǔn)確的預(yù)測和分析，然后根據(jù)地質(zhì)條件及工程特點(diǎn)，選擇合適的施工技術(shù)和施工設(shè)備，并制定完善的措施，對工程的順利實(shí)施尤為重要［4－5］。建筑物沉降預(yù)測與分析通常采用經(jīng)驗(yàn)法、數(shù)值法和隨機(jī)理論模型預(yù)測等理論計(jì)算法及實(shí)測數(shù)據(jù)分析法進(jìn)行分析。本文采用有限元FLAC2D和Peck經(jīng)驗(yàn)理論對沿線建筑在盾構(gòu)施工時(shí)的沉降變形進(jìn)行預(yù)測和分析。

1 工程概況

無錫地鐵1號線北起堰橋南至雪浪，本區(qū)間位于無錫市主城區(qū)，下穿交通繁忙的中山路、永豐路和清揚(yáng)路，建筑物密集(如圖1所示)。其基礎(chǔ)形式大部分為條形基礎(chǔ)和柱下獨(dú)立基礎(chǔ)，其中主要建(構(gòu))筑物有南洋花園、大橋中學(xué)宿舍樓、木樨苑、耕讀新村、古運(yùn)河及耕讀河等，區(qū)間沿線主要建筑物與地鐵隧道的關(guān)系如表1所示。區(qū)間隧道線間距15 m，最小平曲線半徑350 m，隧道頂覆土為8.6～15.7 m。區(qū)間隧道采用盾構(gòu)法施工，襯砌采用圓形混凝土，內(nèi)徑5.5 m，環(huán)寬1.2m，厚0.35m，共分為6塊，采用錯(cuò)縫拼裝形式襯砌結(jié)構(gòu)。

隧道場地地貌單元屬長江三角洲太湖沖湖積平原，區(qū)域內(nèi)第四紀(jì)沉積物覆蓋廣泛且連續(xù)，層序清晰，地表水系發(fā)育，第四系覆蓋層厚度較大，各土層水平向分布較穩(wěn)定。隧道范圍的地層為第四系全新統(tǒng)、上更新統(tǒng)沖湖積相沉積物，穿越的地層為軟黏土地層，其主 要物理力學(xué)指標(biāo)如表2所示。

圖1 隧道與建(構(gòu))筑物關(guān)系平面圖Fig.1 Relationship between tunnel and main buildings and structures

表1 主要建(構(gòu))筑物與隧道關(guān)系表Table 1 Relationship between tunnel and main buildings and structures

表2 主要物理力學(xué)指標(biāo)Table 2 Physical and mechanical parameters

2 建筑物沉降數(shù)值分析

盾構(gòu)法隧道施工的力學(xué)研究主要分為理論研究、試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬3部分［6］，本次分析采用二維有限元模型模擬盾構(gòu)法隧道施工，應(yīng)用應(yīng)力釋放法對建成后的隧道進(jìn)行數(shù)值分析。計(jì)算時(shí)選取具有一定代表性建筑物進(jìn)行分析，采用FLAC2D進(jìn)行數(shù)值計(jì)算時(shí)，假設(shè)施工區(qū)間各層間的介質(zhì)均勻，雙線隧道的中心在同一高程;襯砌管片為均質(zhì)結(jié)構(gòu)(其物理力學(xué)指標(biāo)如表3所示)，不考慮隧道與襯砌間的空隙作用;巖土介質(zhì)簡化為連續(xù)的理想塑性介質(zhì)，采用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則，管片采用shell單元模擬。樓層荷載按15 kPa/層考慮，施工工序?yàn)橄染蜻M(jìn)右線再掘進(jìn)左線。

表3 襯砌管片物理力學(xué)指標(biāo)Table 3 Physical and mechanical parameters of lining segment

大橋中學(xué)宿舍樓主樓為10層混凝土結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)形式為筏板基礎(chǔ)，基礎(chǔ)底埋深約4 m，基礎(chǔ)底至隧道結(jié)構(gòu)頂部約11.88 m，其計(jì)算模型如圖2所示，變形位移云圖如圖3所示;南洋花園7號樓混凝土結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)形式為柱下獨(dú)立基礎(chǔ)，基礎(chǔ)底至隧道結(jié)構(gòu)頂部約8 m，變形位移云圖如圖4所示;耕讀新村2號樓混凝土結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)形式為條形基礎(chǔ)，基礎(chǔ)底埋深約3 m，基礎(chǔ)底至隧道結(jié)構(gòu)頂部約12 m，變形位移云圖如圖5所示。

圖2 計(jì)算模型圖Fig.2 Calculation model

從圖3—5可以看出:單一隧道先掘進(jìn)時(shí)，建筑物的沉降最大值在先掘進(jìn)隧道的中心線上方;當(dāng)一條隧道施工完成后，掘進(jìn)其相鄰的隧道時(shí)，后掘進(jìn)隧道對先掘進(jìn)隧道的對應(yīng)的地層產(chǎn)生二次擾動(dòng)，致使上部建筑物的沉降發(fā)生在先掘進(jìn)隧道的臨近2條隧道間的側(cè)上方，且先掘進(jìn)隧道的圍巖塑性區(qū)范圍比后掘進(jìn)隧道的圍巖塑性區(qū)范圍大。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，各種工況下建筑物沉降的最大位移發(fā)生在先行隧道的上方，其計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)Table 4 Statistics of calculation results

考慮管片與土體之間的空隙以及注漿的滯后效應(yīng)，地應(yīng)力釋放率分別取20%和30%進(jìn)行比較計(jì)算［7］。圖6(a)為地層應(yīng)力釋放率取20%時(shí)的建筑物沉降曲線，圖6(b)為地層應(yīng)力釋放率取30%時(shí)的建筑物沉降曲線。從計(jì)算結(jié)果可以看出:地層初始應(yīng)力釋放率的大小，直接影響計(jì)算分析結(jié)果，當(dāng)?shù)貞?yīng)力釋放率增加時(shí)，建筑物的沉降增大;當(dāng)?shù)貞?yīng)力釋放率減小時(shí)，建筑物的沉降相應(yīng)地減小。

根據(jù)GB 50007—2002《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，建筑物的地基變形允許值取其局部傾斜率為0.002，沉降差為0.002l(l為相鄰基礎(chǔ)間距)。

根據(jù)滬建建(97)第0594號《多層住宅建筑設(shè)計(jì)地基容許變形值控制補(bǔ)充規(guī)定》，基礎(chǔ)容許沉降量要求最嚴(yán)格時(shí)為15 cm。

將計(jì)算結(jié)果與規(guī)范規(guī)定對比分析，當(dāng)?shù)貙拥膽?yīng)力釋放率控制在30%以內(nèi)時(shí)，地基沉降值及地基的傾斜率均小于規(guī)范規(guī)定的建筑物的地基變形允許值;因此，在盾構(gòu)施工條件下，地鐵沿線地面建筑物是安全的。

3 沉降經(jīng)驗(yàn)估算

Peck通過對隧道地表面沉降槽形狀的觀察以及對大量的實(shí)測數(shù)據(jù)分析，R B Peek在1969年的國際土力學(xué)會議上，提出了著名的沉降槽計(jì)算公式，Peck假定:1)地層損失在隧道長度上均勻分布;2)地面沉降在橫向?yàn)檎龖B(tài)曲線分布;3)施工引起的地面沉降是在不排水條件下發(fā)生的，即沉降槽的體積與地層損失相等。沉降槽的形狀為正態(tài)分布曲線，通過對大量地表沉降數(shù)據(jù)和有關(guān)工程資料的分析后，得出沉降槽寬度系數(shù)

式中:H為地面至隧道中心的深度;φ為土的內(nèi)摩擦角。

Peck的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)大部分來源于氣壓盾構(gòu)施工資料，見表5。根據(jù)計(jì)算公式推算沉降槽寬度的精度大概范圍如下:在巖層、固結(jié)黏土、砂土中約±35%;在軟黏土－硬黏土中約±20%［8］。于1969年在墨西哥土力學(xué)及地基基礎(chǔ)工程國際會議上首次提出了地表沉降曲線近似呈概率中的正態(tài)分布曲線的概念，認(rèn)為施工中引起的地表沉降是在不排水的條件下發(fā)生的，所以沉降槽的體積應(yīng)等于地層的損失量，并認(rèn)為地表沉降橫向分布的估算公式為:

式中:S(x)為橫向、距離隧道中心線x處的沉降量，m; x為所求沉降點(diǎn)距盾構(gòu)中心線的水平距離，m;V1為盾構(gòu)掘進(jìn)引起的沿隧道中線單位長度的地層損失量，m3/m;i為沉降槽寬度系數(shù)，即隧道中心線至沉降曲線反彎點(diǎn)的距離;Smax為沿盾構(gòu)掘進(jìn)中線的最大地面沉降，m。

無錫地鐵1號線盾構(gòu)隧道外徑為6.2 m，刀盤外徑為6.34 m。根據(jù)上海、南京經(jīng)驗(yàn)，k=i/H的取值為0.34～0.74，地層損失率v的取值為0.39%～0.89%［9］。

表5 Peck計(jì)算統(tǒng)計(jì)表Table 5 Statistics of calculation results by means of Peck theory

圖7 Peck沉降估算曲線Fig.7 Curves of settlement predicted by means of Peck theory

從圖7可以看出:隧道地表沉降量的大小與隧道的埋深有關(guān)，在同等地層條件下，當(dāng)隧道埋深較小時(shí)，地表的沉降量比較大，反之，地表沉降量比較小;隧道頂?shù)貙拥某两蹬c隧道上方的超載有關(guān)，當(dāng)?shù)貙优c覆土相同，超載越大，地層沉降就越大，反之，地層沉降較小。本次采用Peck進(jìn)行估算的結(jié)果，地表最大沉降在先行隧道上方，其最大沉降量為25.2 mm，地表沉降變化趨勢與數(shù)值計(jì)算結(jié)果一致。從Peck公式估算結(jié)果與規(guī)范規(guī)定對比分析來看，地基沉降值及地基的傾斜率均小于規(guī)范規(guī)定的建筑物地基變形允許值。

4 結(jié)論

1)根據(jù)數(shù)值分析及Peck沉降估算，地表沉降及建筑傾斜均滿足相關(guān)規(guī)范要求，在本工程的地質(zhì)條件下，采用盾構(gòu)法施工時(shí)隧道沿線的地面建筑物是安全的;因此，本區(qū)間從保護(hù)建筑物安全的前提下采用盾構(gòu)法施工是可行的。

2)本次采用 FLAC2D進(jìn)行數(shù)值計(jì)算的結(jié)果及Peck沉降估算結(jié)果，可以作為工法選擇的依據(jù)，為后期區(qū)間施工及建筑保護(hù)提供參考。

3)由于數(shù)值計(jì)算的與初始地應(yīng)力的取值關(guān)系較大，下階段可以通過三維進(jìn)行分析，并采用施工監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行反演，更加準(zhǔn)確地確定各種圍巖條件下，不同施工工況的地層應(yīng)力釋放率，從而更好地進(jìn)行圍巖穩(wěn)定分析，以指導(dǎo)現(xiàn)場施工。

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