劉明高 李建林 陳仁東 陳卓

(1.北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司 100082;2.湖南大學(xué)土木工程學(xué)院 長沙410082)

引言

盾構(gòu)隧道在地層中掘進(jìn),不可避免地會(huì)對(duì)周邊土體產(chǎn)生不同程度的擾動(dòng),進(jìn)而產(chǎn)生地層位移和變形,位于掘進(jìn)影響區(qū)的建筑物基礎(chǔ)則會(huì)受到相應(yīng)的影響。針對(duì)盾構(gòu)隧道施工對(duì)地表建筑物的影響,國內(nèi)研究人員結(jié)合具體實(shí)踐工程開展了大量的研究工作,研究方法大致可歸納為經(jīng)驗(yàn)公式法、解析法、數(shù)值分析法和模型試驗(yàn)法[1-6]。其中利用數(shù)值分析方法能較為系統(tǒng)地計(jì)算盾構(gòu)隧道施工引起的地層位移、建筑應(yīng)力與變形情況,并據(jù)此預(yù)測盾構(gòu)隧道施工引起的地表沉降和建筑變形趨勢,因而是一種較為合理適用的方法。

本文結(jié)合深圳春風(fēng)隧道盾構(gòu)穿越既有住宅小區(qū)建筑物工程實(shí)踐,采用數(shù)值分析方法研究超大直徑盾構(gòu)隧道施工對(duì)鄰近建筑物樁基的影響,對(duì)擬采取的加固措施進(jìn)行了分析,為本工程設(shè)計(jì)及后續(xù)施工提供較好的技術(shù)指導(dǎo)。

1 工程概況

深圳春風(fēng)隧道工程路線全長約5.1km,其中地下道路(隧道)全長約4.3km,隧道盾構(gòu)段長3.58km。隧道采用單洞雙層結(jié)構(gòu),上下雙向通行,單方向設(shè)置2 車道加連續(xù)停車帶,采用盾構(gòu)法+ 局部明挖法施工。盾構(gòu)段隧道外徑15.2m,采用?15.8m 超大直徑泥水平衡盾構(gòu)進(jìn)行掘進(jìn),隧道埋深為24m～62m。線位途經(jīng)雨水水閘單身公寓及和平街市商住樓,其中雨水水閘單身公寓為1996年建筑房屋、8 層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu),基礎(chǔ)形式為樁基礎(chǔ),均為端承樁,樁長約24m～35m,樁基與盾構(gòu)隧道平面最小距離2.2m;和平街市商住樓為1988年建筑房屋、7 層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu),房屋基礎(chǔ)采用樁基礎(chǔ),均為錘擊沉管灌注樁,樁長約12m,樁基與盾構(gòu)隧道平面最小距離3.1m。該處隧道埋深29.39m,水位線標(biāo)高-0.26m,相對(duì)位置關(guān)系如圖1、圖2 所示。

圖1 盾構(gòu)隧道與建筑物位置關(guān)系平面示意Fig.1 Plane relationship between shield tunnel and building location

圖2 盾構(gòu)隧道與建筑物關(guān)系剖面示意(單位： m)Fig.2 Relationship between shield tunnel and building (unit: m)

工程場地位于老深圳河流域,屬海陸相的沖積平原,地層分布自上而下為: ①1素填土、①4人工填砂、③1-1淤泥、⑥5礫砂、⑥6卵石、⑥7粉質(zhì)粘土、⑩2強(qiáng)風(fēng)化碎裂巖,以及?糜棱巖地層,各土層物理力學(xué)參數(shù)[7]見表1。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)Tab.1 Physico-mechanical parameters of soil

2 數(shù)值分析模型

2.1 計(jì)算模型的建立

本文采用Plaxis 3D 有限元軟件進(jìn)行三維數(shù)值模擬,模型尺寸為160m ×160m ×60m,網(wǎng)格劃分如圖3 所示。邊界條件設(shè)定為: 模型底部及四周固定,允許豎向變形,模型尺寸長度足夠消除邊界效應(yīng)。數(shù)值模擬的第一環(huán)位置處,盾構(gòu)機(jī)刀盤距樁基20m,保證在盾構(gòu)開始影響樁基前進(jìn)行掘進(jìn)。盾尾遠(yuǎn)離樁基20m 后掘進(jìn)結(jié)束,保證樁基已經(jīng)脫離盾構(gòu)的影響范圍之外。

圖3 三維有限元模型Fig.3 Three dimensional finite element model

2.2 計(jì)算參數(shù)

1.材料參數(shù)設(shè)定

盾構(gòu)周圍土體由于施工擾動(dòng)以及盾殼與土體的相互作用而處于復(fù)雜的受力狀態(tài),因而掘進(jìn)層即強(qiáng)風(fēng)化碎裂巖和糜棱巖采用小應(yīng)變土體硬化模型(HSS 模型)[6]計(jì)算。該模型為高級(jí)彈塑性雙曲線本構(gòu)模型,不僅考慮了土體剛度的應(yīng)力相關(guān)性,同時(shí)還考慮了土的受荷歷史與剛度的應(yīng)變相關(guān)性,能夠準(zhǔn)確反映土體的復(fù)雜受力特性。國內(nèi)外研究證實(shí)其在模擬開挖方面具有其他模型無法比擬的優(yōu)越性,但是HSS 模型計(jì)算迭代時(shí)間較長?？紤]上覆土層距離開挖面較遠(yuǎn),盾構(gòu)掘進(jìn)過程中可認(rèn)為處于彈性狀態(tài),同時(shí)為了彌補(bǔ)HSS 模型計(jì)算時(shí)間較長的不足,因而采用莫爾庫倫(MC)模型模擬,從而在保證計(jì)算精度的同時(shí)盡可能縮短計(jì)算時(shí)間。盾構(gòu)機(jī)外殼材料采用shell單元模擬,隧道襯砌用實(shí)體單元模擬,考慮地質(zhì)條件,通過調(diào)整面收縮控制盾構(gòu)推進(jìn)地層損失率為0.3%。HSS 模型計(jì)算參數(shù)通過室內(nèi)土工試驗(yàn)確定,見表2。

表2 HSS 模型計(jì)算參數(shù)Tab.2 HSS model calculation parameters

2.施工參數(shù)

掌子面支護(hù)力以掘進(jìn)工作面穩(wěn)定的土壓力為準(zhǔn),其經(jīng)驗(yàn)公式為:

式中:K0為靜止土壓力系數(shù);γ′為土的有效重度;H為隧道拱頂上覆土厚度(m);pw為水壓力;20kPa 為波動(dòng)壓力。

根據(jù)靜止水土壓力與密封艙壓力相等的原則,注漿壓力中心壓力控制點(diǎn)取545kN/m2,梯度為16.7kN/m2/m。掌子面支護(hù)力示意如圖4所示。

圖4 掌子面支護(hù)力示意Fig.4 Schematic diagram of supporting force for face support

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 地表沉降與樁基位移分析

1.地表沉降

圖5為盾構(gòu)機(jī)通過風(fēng)險(xiǎn)源后監(jiān)測斷面的橫向地表沉降曲線。由圖可知盾構(gòu)隧道上方的土體產(chǎn)生沉降,最大達(dá)到23.74mm。同時(shí),沿隧道軸線方向不同位置地表土體豎向位移也會(huì)有一定的變化,在水平方向上地表沉降隨著距離隧道中線位置距離的增加而不斷減少,距隧道中線80m 外,盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)地表沉降基本無影響。

圖6為盾構(gòu)掘進(jìn)過程地表沉降發(fā)展曲線,由圖可知盾構(gòu)掘進(jìn)至距離監(jiān)測斷面約30m 處時(shí),監(jiān)測斷面地表開始出現(xiàn)沉降,這可能是由于盾構(gòu)開挖面支護(hù)力相對(duì)較小,僅為盾構(gòu)刀盤中心處土壓力的0.65 倍所致;當(dāng)盾構(gòu)機(jī)接近監(jiān)測斷面以及通過過程中,地表沉降增加速率明顯;最后在穿過距離監(jiān)測斷面40m 處后,地表沉降趨于穩(wěn)定。

2.樁基位移

選取距離隧道最近的雨水水閘單身公寓1號(hào)樁、和平街市商住樓2號(hào)樁作為研究對(duì)象(見圖1)。其中1號(hào)樁長35m,直徑1.8m,持力層為強(qiáng)風(fēng)化碎裂巖,2號(hào)樁長12m,直徑0.48m,持力層為粉質(zhì)粘土,計(jì)算結(jié)果如圖7a(豎坐標(biāo)為樁身對(duì)應(yīng)標(biāo)高)、圖7b(豎坐標(biāo)為樁身長度)所示。

由圖7a 可見,隧道頂位置土體豎向位移接近最大,在隧道頂以上樁豎向位移隨深度增加而增加,在隧道頂以下樁豎向位移隨深度增加而減小。1號(hào)樁最大水平位移發(fā)生在樁身17m 處,為10.6mm,樁頂水平位移6.1mm;最大豎向位移發(fā)生在樁身21m 處,為18.9mm,樁頂豎向位移18.5mm,大小基本一致。對(duì)于雨水水閘單身公寓,相鄰樁基差異沉降最大值為4.74mm。

受隧道與樁的相對(duì)位置關(guān)系影響,2號(hào)樁整體水平變形是朝同一個(gè)方向,但局部變形稍大,由于樁身剛度影響,導(dǎo)致變形較大位置下方有朝遠(yuǎn)端變形的趨勢,而樁端又存在約束,故樁身出現(xiàn)反彎點(diǎn),呈S 形曲線(圖7b)。2號(hào)樁最大水平位移發(fā)生在樁身4m 位置處,為6.3mm,樁頂水平位移5.6mm,位移方向均是朝向隧道。2號(hào)樁是整體豎向沉降,樁身壓縮量較小,考慮到隧道處于樁下方,因此隧道卸載主要影響樁端。最大豎向位移發(fā)生在樁底,為 18.8mm,樁頂18.7mm。對(duì)于和平街市商住樓,樁基差異沉降最大值為0.98mm。

圖5 監(jiān)測斷面橫向地表沉降曲線Fig.5 Transverse surface settlement curve of monitoring section

圖6 地表隨盾構(gòu)掘進(jìn)變化曲線Fig.6 Variation curve of ground surface with shield tunneling

圖7 樁水平位移Fig.7 Horizontal displacement

表3 計(jì)算工況Tab.3 Working condition table

圖8 地表沉降與掌子面支護(hù)力的關(guān)系Fig.8 Relationship between ground settlement and supporting force

根據(jù)現(xiàn)況建筑檢測及評(píng)估報(bào)告,雨水水閘單身公寓的沉降及水平位移控制最大值分別為15mm、10mm,差異沉降為 0.003L(L為6.4m),和平街市商住樓的控制最大值為30mm、10mm,差異沉降為0.002L(L為1.4m)。1號(hào)樁分析結(jié)果不滿足相關(guān)控制要求,故考慮對(duì)施工區(qū)域地層進(jìn)行加固。

3.2 施工參數(shù)影響

為分析盾構(gòu)掘進(jìn)施工參數(shù)對(duì)地層變形及樁基沉降的影響,選取不同施工參數(shù)如掌子面力、注漿壓力時(shí)進(jìn)行比較,分析工況見表3。注漿壓力施加于模擬盾構(gòu)機(jī)后方、管片外側(cè)。

圖8為工況1、工況2、工況3 獲得的掌子面力與地表沉降的關(guān)系圖。如圖所示,盾構(gòu)隧道掘進(jìn)過程中,隨著掌子面支護(hù)力增加,地層變形逐漸減小,掌子面支護(hù)力增加20%時(shí),最大沉降減小為15.3%。

圖9為工況1、工況4、工況5 獲得的注漿壓力與地表沉降的關(guān)系圖。當(dāng)掌子面支護(hù)力一定時(shí),注漿壓力增加20%,最大沉降可減小約13%。

3.3 地層加固影響分析

1.加固方案

圖9 地表沉降與注漿壓力的關(guān)系Fig.9 Relationship between surface settlement and grouting pressure

由于正常掘進(jìn)情況下,雨水水閘單身公寓的樁頂沉降偏大,超過預(yù)警值,故擬在隧道和樁基之間進(jìn)行袖閥管預(yù)注漿加固,注漿加固至隧道拱底位置,形成隔離墻,如圖2、圖10 所示。在兩幢建筑物旁布設(shè)注漿孔,注漿孔梅花形布設(shè),間距1m×1m;地表加固區(qū)域?qū)挾?m,在單身公寓處長度沿掘進(jìn)方向設(shè)為25m,在和平街市商住樓處長度沿掘進(jìn)方向設(shè)為43m,加固標(biāo)高均取至隧道底部,加固深度約為45m,樁基附近注漿管長度均打入糜棱巖巖層5m。有限元分析中,袖閥管注漿加固通過提高土體整體剛度和強(qiáng)度來實(shí)現(xiàn),注漿后參數(shù)為原始土層參數(shù)3 倍左右[5]。

圖10 加固模型Fig.10 Reinforcement model

2.計(jì)算結(jié)果分析

圖11為加固前后1號(hào)樁基的水平位移、豎向位移對(duì)比圖。1號(hào)樁的樁頂?shù)乃轿灰茷?4.7mm,較加固前水平位移明顯減小,減小幅度為18%;最大豎向位移發(fā)生在樁身22.5m 處,為14.89mm,相比加固前豎向位移也明顯減小,減小幅度為19%,加固效果明顯。

圖12為加固前后2號(hào)樁基的水平位移、豎向位移對(duì)比圖。2號(hào)樁最大水平位移發(fā)生在樁身4m 處,為6.17mm,與加固前相比水平位移有所減小,減小的幅度為2%,樁頂水平位移為6.0mm,較加固之前水平位移略有增大。2號(hào)樁的最大豎向位移發(fā)生在樁底,為14.59mm,較未加固前明顯減小,減幅為22%,樁頂豎向位移為14.2mm,較未加固前明顯較小,減幅為24%。

圖11 1號(hào)樁位移對(duì)比Fig.11 Displacement comparison of No.1 pile

圖12 2號(hào)樁位移對(duì)比Fig.12 Displacement comparison of No.2 pile

加固后雨水水閘單身公寓、和平街市商住樓樁基差異沉降最大值分別為4.59mm、0.53mm。加固前后的計(jì)算結(jié)果表明,通過袖閥管加固措施,利用隔離墻與地層之間的相互作用,阻斷或減弱了地層變形的傳遞,使地層附加應(yīng)力通過隔離墻傳遞到下部持力層,可以有效控制樁周土體及樁體的位移及沉降。

4 結(jié)論

1.盾構(gòu)穿越地層會(huì)對(duì)土體造成擾動(dòng),使地表產(chǎn)生沉降槽,影響范圍約80m,最大沉降量達(dá)到23.74mm。盾構(gòu)掘進(jìn)至距離監(jiān)測斷面約30m 處時(shí),監(jiān)測斷面處地表開始出現(xiàn)沉降,隧道地表沉降增加速率明顯;最后穿過距離監(jiān)測斷面40m 處后,地表沉降趨于穩(wěn)定。因此,盾構(gòu)下穿既有建筑物時(shí)監(jiān)控量測地表沉降布置范圍選取前后共計(jì)70m 范圍,橫向約80m 范圍,沿隧道軸線左右兩側(cè)對(duì)稱布置;在盾構(gòu)機(jī)下穿建筑物前30m 時(shí),全面檢修盾構(gòu)機(jī),徹底解決盾構(gòu)機(jī)存在的一些問題,為盾構(gòu)機(jī)過既有建筑物做好準(zhǔn)備。

2.盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù),如注漿壓力、掌子面支護(hù)力,對(duì)于地表沉降具有重要影響。掌子面支護(hù)力一定時(shí),注漿壓力增加20%時(shí),地表最大沉降量可減小13%;注漿壓力一定時(shí),掌子面支護(hù)力增加20%時(shí),最大地表沉降量減小15.3%。因此,對(duì)盾構(gòu)穿越既有建筑物段提出明確施工要求,需在穿越前設(shè)置合理掘進(jìn)參數(shù),嚴(yán)格控制盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài),注意控制掌子面壓力,及時(shí)調(diào)整泥水壓力,減小對(duì)土體的擾動(dòng),做到連續(xù)、均衡、平穩(wěn)推進(jìn)。

3.隧道和樁基之間進(jìn)行袖閥管預(yù)注漿加固,注漿加固至隧道拱底位置形成隔離墻,對(duì)樁體位移和建筑物沉降具有明顯的控制作用,樁頂?shù)呢Q向位移減小近19%～24%。因此,對(duì)既有建筑物四周一定范圍地層、尤其對(duì)盾構(gòu)隧道與建筑物之間的中夾地層進(jìn)行預(yù)注漿加固設(shè)計(jì),并需在盾構(gòu)穿越前一個(gè)月內(nèi)施工完成,確保盾構(gòu)穿越前達(dá)到注漿效果。