羅 勇

(軌道交通工程信息化國家重點實驗室(中鐵一院),西安 710043)

隨著城市軌道交通修建規(guī)模的不斷擴大，修建過程中不可避免地會出現(xiàn)地鐵上跨或下穿既有建(構)筑物的情況[1-5]，而有時建筑物結構自身往往存在著某些病害，正處于待修復或是待加固的狀態(tài)，而地鐵由于線位或是工期等原因，不得不下穿既有病害建筑物，而如何確保地鐵盾構施工期間既有病害建筑物的安全，是地鐵施工亟需解決的問題，其中監(jiān)控量測手段是關鍵，只有及時的發(fā)現(xiàn)問題，才能防患于未然[6-8]。

目前我國自動化監(jiān)測技術應用在地鐵中的工程案例還是比較多的[9-12]。劉振華通過對南寧地鐵1號線區(qū)間盾構隧道下穿居民樓工程，總結了在富水強滲透圓礫地層中盾構隧道施工對地表沉降和房屋變形的影響規(guī)律[13]。姚愛軍結合北京地鐵10號線盾構穿越既有建筑物工程，采用FLAC3D數值分析程序，研究了盾構掘進各個過程地表變形規(guī)律，并根據規(guī)范提出建筑物基礎的變形控制標準[14]。魏龍剛結合莞惠鐵路盾構隧道穿越老城區(qū)，通過現(xiàn)場對結構提前注漿、盾構機掘進參數優(yōu)化等措施，確保建筑物安全[15]。

盡管國內外已對各類地層條件下盾構隧道下穿工程做了大量的分析研究和現(xiàn)場監(jiān)測，總結了一些地表沉降規(guī)律和建筑物的變形規(guī)律，但是大多數工程案例都是隧道與建(構)筑物正交或斜交的情況，且近接施工長度較短。而某城市軌道交通區(qū)間盾構隧道下穿地下商貿城工程，為盾構法區(qū)間隧道長距離平行下穿建筑物的特例，區(qū)間平行下穿長度達320 m，國內外類似工程實例較少，其施工引起的周邊地層損失會導致埋置于其中的建筑物產生沉降及變形，況且商貿城結構自身存在一定病害，一旦施工過程中稍有不慎，可能會引起建筑物結構產生變形開裂，乃至垮塌。因此，本工程施工存在較高的工程風險和技術難度，需要對其施工導致的結構變形行為和控制措施進行重點研究，并對施工過程進行詳細監(jiān)測和精細控制。結合地鐵盾構長距離穿越地下商貿城工程案例，通過數值模擬分析和采用自動化監(jiān)控量測手段，探討信息化施工對控制建筑物變形及病害發(fā)揮的關鍵作用。

1 工程簡介

1.1 工程概況

某地鐵區(qū)間隧道地處城市中心繁華路段，沿道路下方南北向敷設，盾構從車站始發(fā)后，長距離平行下穿地下商貿城，而后到達接收。盾構區(qū)間上、下行線線間距約為12 m，隧道頂距地下商貿城底板凈距9.3～10.8 m，下穿段落長約320 m。為確保區(qū)間盾構下穿商貿城的安全性，首先，在管片設計時已考慮在下穿范圍內的隧道管片上預留了二次注漿孔，從隧道內部對拱部180°、深度1.5 m范圍土體及時進行二次注漿加固并嚴格控制注漿壓力。其次，在下穿地下商貿城之前100 m設置為盾構掘進試驗段，優(yōu)化盾構掘進參數，減少盾構施工對花園街商貿城的擾動。區(qū)間隧道與地下商貿城平、縱、橫剖面位置關系如圖1～圖3所示。表1統(tǒng)計了各地層的物理力學參數。

圖1 區(qū)間隧道與商貿城的平面關系(單位：m)

圖2 區(qū)間隧道與商貿城的縱剖面關系(單位：m)

圖3 區(qū)間隧道與商貿城的橫剖面關系(單位：m)

地層密度/(kg/m3)彈性模量/MPa黏聚力/kPa摩擦角/(°)泊松比填土19901520150.40黏土2010206113.90.32黏土夾粉土19602036180.32粉土19002215330.27粉土夾粉砂1920202520.10.31黏土2100216614.60.33粉質黏土2020205516.80.32

1.2 地下商貿城情況

1.2.1 地下商貿城結構形式介紹

地下商貿城為地下一層結構，由A區(qū)、B區(qū)、C區(qū)、D區(qū)、E區(qū)5個區(qū)組成，如圖4所示，平面呈“十”字形，總建筑面積為18 341.42 m2。該工程平時功能為地下商業(yè)街、人行過街。

圖4 地下商貿城分區(qū)平面示意(單位：m)

地下商貿城結構形式為帶柱帽的無梁樓蓋結構體系，采用獨立基礎形式，基本柱間距6.8 m×6.8 m，結構高度6.1 m，結構頂板、底板、側墻厚度均為0.4 m，結構柱尺寸0.5 m×0.5 m。頂板覆土厚1.4 m。結構沿花園街方向每隔約60 m設置1道變形縫。地下商貿城結構的橫剖面如圖5所示。

1.2.2 地下商貿城病害情況介紹

經現(xiàn)場踏勘檢查，地下商貿城結構在街道十字交叉區(qū)域病害比較嚴重，病害范圍如圖6所示。發(fā)現(xiàn)商貿城內部部分地磚出現(xiàn)空鼓、凹陷、開裂，結構頂板、側墻局部存在開裂、滲水等現(xiàn)象，如圖7所示。

圖5 地下商貿城結構橫剖面示意(單位：m)

圖6 地下商貿城結構病害區(qū)域

圖7 地下商貿城結構病害展示

鑒于地下商貿城結構的病害情況，地鐵公司已委托第三方鑒定評估單位對地下商貿城結構進行了檢測評估。評估結論為：目前地下商貿城結構的容許絕對沉降值為20 mm，差異沉降值為15 mm，盾構下穿過程中需采取措施，加強對商貿城結構變形的監(jiān)測。由于地鐵區(qū)間隧道平行下穿地下商貿城長度距離達320 m，地下商貿城結構變形控制嚴格，且該區(qū)域地質情況較為復雜，周邊建筑物密度高、交通量巨大、施工條件受限，因此如何在施工過程中嚴格控制由于盾構掘進所導致的建筑物變形，成為本工程亟需解決的主要問題。

2 盾構施工數值分析

在施工前，為預測盾構施工對地下商貿城的擾動程度及其變形規(guī)律，同時為建筑物變形監(jiān)控量測提供理論依據，采用數值計算軟件對下穿工程進行模擬分析。

2.1 基本假定

軟件模擬盾構施工過程中各個因素對結構沉降產生的影響需做一些假定，在同一條件基礎上進行假設，使計算步驟得到了簡化，所需要的計算時間最少，計算速度也得到了提高，具體假設情況如下：

(1)當地地形平坦，本模型假定地表及各層土都是均勻分層分布的；

(2)對管片采用線彈性材料模擬；

(3)通過在掌子面法向施加推力，來模擬盾構刀盤掘進過程中對前方土體產生的壓力；

(4)土體的剪切破壞符合摩爾庫倫曲屈服準則；

(5)通過改變注漿層的材料參數來模擬管片注漿效果。

2.2 三維計算模型

由于地下商貿城沿南北向全長近320 m，沿東西向全長近240 m，呈“十”字形排列，全長模擬計算過于緩慢，且地下商貿城結構存在施工縫和變形縫，沒有必要取全長模擬。因此選取地下商貿城十字交叉病害區(qū)域范圍進行建模分析。計算采用FLAC3D有限差分數值計算軟件?？紤]到盾構隧道直徑D為6.2 m，隧道埋深約17 m，左右線隧道凈距為12 m，因此三維計算模型結合地下商貿城結構變形縫的位置，橫向寬度為80 m(約14D)，沿隧道線路方向的長度選取60 m，深度選取上至地表，下至隧道底部以下30 m(約5D)。地下商貿城結構采用線彈性模型，用實體單元進行模擬。最終的數值計算模型如圖8所示，共有143 840個單元，151 453個節(jié)點。

圖8 數值模擬三維模型

結構參數見表2所示。

表2 結構的物理力學參數

2.3 盾構開挖模擬過程

在FLAC3D程序中，通常采用空單元法和剛度遷移法來實現(xiàn)盾構的掘進過程模擬[16]。對盾構掘進全過程進行三維數值模擬過程中，大部分重要環(huán)節(jié)將被考慮，以盡可能地模擬盾構施工對地層的擾動，這些環(huán)節(jié)如下。

(1)盾構機的模擬：對盾構施工過程進行模擬，模擬盾構機對開挖面的壓力，盾構殼體支撐力等作用。

(2)盾尾空隙的模擬：周圍地層移動主要是受到盾尾空隙引起的，通過臨空面的產生來模擬盾尾空隙，同時模擬漿液的注入，通過壓力的情況和硬化的程度等來模擬真實的情況。

(3)管片與注漿層的模擬：管片襯砌在注漿層硬化后產生支護作用，并考慮注漿層硬化的時效特性。

(4)后方臺車荷載。

土壓平衡式盾構掘進模擬的基本過程如圖9所示。

圖9 盾構掘進過程模擬示意

2.4 計算結果

2.4.1 隧洞開挖豎向位移場分析

隧洞開挖完成后所引起的土體和地下商貿城結構的豎向位移分析如下。

(1)土體豎向位移場分析(圖10)

圖10 土體沉降云圖(單位：m)

由圖10可以看出，土體沉降在隧道上方表現(xiàn)非常明顯，在2～3倍隧道洞徑范圍內均受到沉降影響。土體沉降在隧道盾構施工完畢后的最大值為21.03 mm。

(2)結構豎向位移場分析(圖11、圖12)

圖11 地下商貿城板墻三維沉降云圖(單位：m)

圖12 地下商貿城結構柱子沉降云圖(單位：m)

圖11藍色區(qū)域顯示為結構板、側墻沉降云圖最大區(qū)域，而從藍色區(qū)域到兩側紅色區(qū)域，結構板、墻的沉降值逐漸減小，紅色區(qū)域為最??；圖12藍色區(qū)域顯示為商貿城結構柱子的沉降云圖的最大區(qū)域，而同樣從藍色區(qū)域到紅色區(qū)域，結構柱子的沉降值逐漸減小，紅色區(qū)域為最小?？梢钥闯?，盾構隧道施工完成后，地下商貿城結構沉降在雙線隧道之間位置變形值相對較大，遠離隧道兩側變形值相對較小。

2.4.2 結構變形特征分析

(1)結構橫向變形特征分析

在分析的過程中選取縱向中間斷面結構(y=30對應的斷面)作為考察斷面。提取商貿城結構底板橫向沉降(隆起)數據，其統(tǒng)計曲線如圖13所示。橫坐標中“0”點對應左隧道拱頂中心在地表的投影，橫坐標中“12”點對應右線隧道拱頂中心在地表的投影，Y(6)、Y(12)、Y(18)、Y(24)表示隧道施工時工作面位置在考察斷面前方6，12，18，24 m處。

圖13 結構橫向沉降曲線

由圖13看出，商貿城結構橫向沉降在雙線隧道之間部位變形值比較大，最大沉降值約9.5 mm；往兩側逐漸減小，最小沉降值約0.5 mm，沉降差值為10 mm，均滿足監(jiān)測評估單位給出的指標。根據曲線可看出，隧道開挖引起的橫向沉降影響區(qū)域大概為隧道左、右線及兩側各20 m范圍，因而需對區(qū)間隧道上方及隧道外20 m范圍內的商貿城結構進行重點監(jiān)測。

(2)結構縱向(沿區(qū)間隧道長度方向)變形特征分析

提取商貿城結構底板縱向沉降(隆起)數據，其統(tǒng)計曲線如圖14所示。其中A(18)、A(24)、A(30)、A(36)、A(42)、A(48)分別表示隧道開挖工作面距初始開挖隧道口18，24，30，36，42，48 m處。

圖14 結構底板縱向沉降曲線

由圖14看出，隧道開挖時，由于盾構刀盤的推力作用，在刀盤掌子面前方約10 m范圍的商貿城底板產生一定的隆起，隆起值約1 mm；當盾構機通過時，開始由隆起逐漸沉降；盾尾脫離后，約到盾構隧道掌子面后方20 m(3D)時，商貿城結構沉降才開始趨于穩(wěn)定，最大沉降值約9.5 mm?？v向最大沉降差值約10.5 mm， 均滿足評估單位給出的指標。根據曲線可看出，隧道開挖引起的結構縱向(沿區(qū)間隧道長度方向)沉降影響區(qū)域大概為盾構隧道刀盤面前10 m范圍和盾尾后方已施工隧道范圍，因此，需對該范圍內的地下商貿城結構進行重點監(jiān)測。

3 自動化監(jiān)測技術的應用

3.1 自動化監(jiān)測的必要性

(1)地下商貿城為地下空間，內部光線昏暗，不便于人工測量。

(2)相對人工監(jiān)測，自動化監(jiān)測在數據采集頻率和精度、信息反饋方面都有很大優(yōu)勢。

由于地下商貿城結構自身存在病害，需在盾構下穿過程中時刻采集相關數據，及時掌握商貿城結構的變形情況，用現(xiàn)場監(jiān)測的結果反饋到設計及施工中，及時采取相應的施工技術措施，以實現(xiàn)動態(tài)設計，動態(tài)施工。故推薦采用自動化監(jiān)測技術。

3.2 自動化監(jiān)測系統(tǒng)及監(jiān)測范圍

本工程采用靜力水準自動化監(jiān)測系統(tǒng)，其主要是通過連通器的液體壓強原理和電容傳感器的工作原理，對每個測點進行測量，準確了解液面在每個容器內的變化情況，再計算求得各點相對于基點的相對沉降量[17-20]。靜力水準監(jiān)測原理如圖15所示。

圖15 靜力水準監(jiān)測原理示意

監(jiān)測范圍以前述數值分析計算結果為依據，在隧道下穿地下商貿城320 m范圍內，橫向對隧道上方及兩側20 m范圍內的地下商貿城結構墻、柱布置監(jiān)測點，對盾構刀盤前方10 m和后方20 m隧道縱向范圍上方的地下商貿城結構進行重點監(jiān)測。地下商貿城結構監(jiān)測點布置剖面如圖16所示。監(jiān)測項目匯總見表3。

圖16 地下商貿城結構監(jiān)測點布置示意

監(jiān)測項目監(jiān)測儀器數量/個商貿城結構沉降監(jiān)測靜力水準儀279商貿城結構傾斜監(jiān)測傾角儀173商貿城結構裂縫監(jiān)測測縫計122監(jiān)測頻率重點監(jiān)測范圍實時監(jiān)測,其余范圍每天3次

地下商貿城結構靜力水準儀和傾角儀的現(xiàn)場安裝情況如圖17所示。

圖17 監(jiān)測儀器現(xiàn)場安裝

3.3 監(jiān)測結果對比分析

為使結果對比具有代表性，選取十字交叉區(qū)域的監(jiān)測斷面做對比分析，即以里程為SK14+308處監(jiān)測斷面的地下商貿城結構橫向沉降量數據為例，將計算的模擬結果與實測的結果進行對比分析，如圖18所示。現(xiàn)場的實測數據最大沉降量為9.5 mm，和數值計算最大沉降量接近，且二者的曲線走勢大體相同，說明軟件計算結果能較好地反映工程實際，對提前進行監(jiān)控測點的布置起到很大作用。

圖18 數值模擬與實測結果對比

4 結論

以某市軌道交通區(qū)間隧道盾構下穿地下商貿城工程為例，利用FLAC3D數值分析軟件進行了盾構開挖模擬，并結合自動化監(jiān)測手段，得到如下結論。

(1)根據理論計算及實際監(jiān)測，盾構隧道施工對地下商貿城的影響范圍為隧道上方及兩側20 m橫向范圍。商貿城結構最大絕對沉降值約為9.5 mm<20 mm，最大差異性沉降值為10.5 mm<15 mm，均滿足評估單位給出的安全指標。

(2)為降低盾構施工造成的地層損失，及時對區(qū)間下穿地下商貿城段隧道拱部管片外側地層進行二次注漿加固是很有必要，但必須嚴格控制注漿壓力。

(3)為避免盾構盲目掘進，首先通過數值分析掌握盾構隧道下穿地下商貿城的變形規(guī)律，然后根據變形規(guī)律制定監(jiān)測方案，再結合自動化監(jiān)測手段，實時掌握地下商貿城的變形數據，然后將相關數據及時反饋到盾構機控制室，通過調整盾構推力、土倉壓力、掘進速度等掘進參數，實現(xiàn)了盾構的信息化施工，最大程度降低了對地下商貿城的擾動。該工程的成功實施，為今后類似下穿工程提供參考。