城市中心區(qū)大直徑盾構(gòu)施工擾動分析及控制方法研究

李新月

(黔張常鐵路有限責任公司，湖南 長沙 410000)

隨著我國城市化進程的加快以及高速鐵路時代的到來，越來越多的高鐵車站將設置在城市核心區(qū)[1]。鐵路往往以隧道形式進入市區(qū)，下穿既有建(構(gòu))筑物、地鐵等工程越來越多[2]，下穿施工不可避免地對周圍建筑物產(chǎn)生擾動[3]，新建隧道周圍環(huán)境安全成為重要研究內(nèi)容之一。

數(shù)值模擬是分析隧道施工對周圍建筑物影響的重要方法[4]。國內(nèi)外學者對此進行了大量研究工作。POTTS.D.M[5]、夏軍武[6]、丁智[7]、PECK.R.B[8]、FRANZIUS.J.N[9]、韓煊[10]等通過建立土體和建筑共同作用的力學模型，分析了盾構(gòu)掘進對周圍建筑的沉降規(guī)律；姜曉婷，路平[11]等結(jié)合天津地鐵2號線，建立了軟土地區(qū)盾構(gòu)施工與既有建造耦合作用計算模型，分析了隧道下穿施工對多層砌體建筑物變形的影響規(guī)律，并與現(xiàn)場實測資料相比較，驗證了模型的適用性。文獻[12-16]采用三維數(shù)值模擬，研究了不同工況下引起的地面建筑沉降規(guī)律。

本文基于廣深港高鐵益田路隧道、深港隧道的建設管理過程，采用FLAC 3D對隧道周圍建筑物進行建模分析，并結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測，研究了建筑物的變形和沉降規(guī)律，對加固效果進行了分析，以供類似工程參考。

1　工程概況和研究方法

1.1　工程概況

廣深港高鐵福田站由益田路隧道和深港隧道組成。根據(jù)工程條件的不同分別采用礦山法、明挖法及盾構(gòu)法施工，其中下穿深圳市城區(qū)段為單孔雙線隧道，設計襯砌外徑12.8 m，長度2 757 m(其中益田路隧道盾構(gòu)段長1 359 m，深港隧道盾構(gòu)段長1 398 m)，主要采用盾構(gòu)法施工是我國第一條穿越花崗巖地層的大直徑復合泥水平衡盾構(gòu)隧道。

本工程主要沿著城市繁華道路下穿，隧道周邊建筑物密集，兩側(cè)一倍洞徑范圍內(nèi)共分布有40棟建筑物，而且隧道上方的道路兩側(cè)分布大量市政管線。盾構(gòu)于2010年9月開始掘進，至2015年6月貫通。盾構(gòu)在掘進過程中遇到了地層軟硬差異大、風化槽突入、巖石強度高等難題，通過一系列的設計與專項研究，確保了城市中心大直徑盾構(gòu)隧道的施工安全。

1.2　工程地質(zhì)

擬建隧道區(qū)域內(nèi)為第四系松散沉積物所覆蓋，下覆基巖以燕山期花崗巖為主，局部為震旦系變質(zhì)砂巖。沿線主要地層包括：人工填土層、沖洪積積層(淤泥質(zhì)粘土層、中砂層等)、粉質(zhì)粘土層、基巖(全～弱風化花崗巖，全～弱風化變質(zhì)砂巖)，巖土基本參數(shù)如表1所示。

根據(jù)地下水的形成、賦存條件、水力特征及水理性質(zhì)，主要分為第四系松散巖類孔隙水以及燕山期、震旦系基巖裂隙水兩種類型。地下水位埋深在2～3 m左右。

表1　巖土設計參數(shù)表

1.3　研究方法

采用FLAC3D數(shù)值計算軟件進行數(shù)值模擬分析。模擬原則及方法如下：

1)考慮地面建筑，建立地上地下3維整體網(wǎng)格?？紤]地面建筑的剛度及等效換算密度。建筑的高度按照荷載等效原則根據(jù)層數(shù)換算。建筑及土體均以實體單元模擬。

2)計算模型左右兩側(cè)各取4D，D為盾構(gòu)隧道開挖直徑，隧道底部取2.5 D。模型長度取建筑或者加固范圍前后2.5～3 D。當建筑寬度較大時，邊界適當放大。側(cè)面邊界(包括建筑)法向約束位移，底部邊界約束固定，地表面及建筑頂面為自由表面。

3)建筑基礎，樁基考慮樁及承臺、承臺梁，以樁結(jié)構(gòu)單元pile和實體單元模擬。樁頂與承臺剛接。條形基礎以彈性實體單元模擬。

4)盾構(gòu)隧道管片以shell殼結(jié)構(gòu)單元模擬，盾尾注漿層以實體單元模擬，通過分階段改變注漿層參數(shù)來模擬凝固效果。

5)模擬工況：包括隧道開挖、掌子面支護、盾尾注漿、盾尾脫離。隧道開挖通過挖空單元實現(xiàn)，掌子面支護壓力根據(jù)水體靜止側(cè)向壓力取值。管片支護通過施加緊貼圍巖的shell結(jié)構(gòu)單元實現(xiàn)。

6)土體本構(gòu)關(guān)系采用摩爾庫倫模型。建筑及基礎(不含樁基)采用彈性模型?；贔LAC3D的局限性以及勘察報告的提供程度，不考慮全風化、強風化及弱風化巖的裂隙分布，僅考慮其強度情況。

7)袖閥注漿通過改變注漿范圍內(nèi)土體參數(shù)模擬，鉆孔灌注樁采用樁單元模擬，樁底冠梁采用彈性實體單元模擬，樁頂與冠梁剛接。

2　大直徑盾構(gòu)施工擾動分析

2.1　隧道開挖對監(jiān)管醫(yī)院的影響

監(jiān)管醫(yī)院位于隧道上方，醫(yī)院為6層磚混結(jié)構(gòu)，基礎為樁基，樁端距離隧道頂部約1 D，間隔土層為全風化花崗巖。加固方式為室外斜向袖閥管注漿預加固。平面、縱剖面及地質(zhì)剖面圖如圖1所示。監(jiān)管醫(yī)院及線路整體模型及細節(jié)如圖2所示。

2.1.1建筑物沉降規(guī)律

隧道盾構(gòu)施工對建筑的影響分為3個階段：抵達建筑前、通過建筑時和離開建筑后。對應三個影響階段選取7個不同開挖斷面進行分析，監(jiān)管醫(yī)院(位于距起點37.8 m至67.1 m)位移變化如圖3所示(圖中單位為mm,棕色箭頭為盾構(gòu)推進方向)。

圖1　平面位置關(guān)系及縱、平斷面圖

圖2　監(jiān)管醫(yī)院及線路整體模型

圖3　建筑沉降變化圖

如圖3所示，盾構(gòu)隧道開挖引起監(jiān)管醫(yī)院沉降規(guī)律如下：

1)隨著盾構(gòu)施工的推近，監(jiān)管醫(yī)院沉降值及沉降變形范圍逐漸擴大；

2)在盾構(gòu)抵達建筑物下方前，沉降增加幅度不大，由33 m推進至房屋前沿37.8 m最大沉降增幅在0.5 mm；在隧道通過建筑物時，沉降增幅逐漸增大，從進入至脫離，增幅達2.5 mm以上；在盾構(gòu)離開后，建筑物局部范圍沉降仍有增加，但增幅不大；

3)橫向上，隧道輪廓地面投影范圍內(nèi)建筑沉降較大，隨著遠離隧道軸線沉降逐漸減小并趨于為0；

由計算結(jié)果可以看出：

1)建筑物基礎底注漿部預加固能夠有效減小施工對地表及建筑物的影響；建筑物結(jié)構(gòu)能夠改變沉降槽形狀，使沉降槽寬度變大，深度變小。

2)隧道盾構(gòu)施工靠近及穿越既有建筑物時，引起地表沉降及建筑物變形較大，是沉降變形控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)；盾構(gòu)施工通過及遠離建筑物時，周圍巖體變形受管片支撐以及土體應力調(diào)整至新的平衡，此時引起的沉降較小，故而建筑位移較小。

3)隧道盾構(gòu)施工下穿既有建筑物的樁基礎會引起樁端土的松動，進而引起樁間土及樁體變形，由于材料的不同特性，樁間土的變形大于樁體變形，因此樁體可能產(chǎn)生負摩擦力。由于建筑物與樁基礎的協(xié)同作用，樁體受力將發(fā)生一定的變化，在沉降變形較大時樁體可能產(chǎn)生拉應力區(qū)，如圖4所示。由此可見，樁基礎底部采取注漿預加固非常必要。

圖4　隧道開挖初始監(jiān)管醫(yī)院樁基受力及位移對比圖

2.1.2建筑物角點位移

監(jiān)管醫(yī)院整體呈L型，窄處寬17.3 m，寬處寬45.1 m，總長30 m。設置5個監(jiān)測角點，如圖5所示，盾構(gòu)穿越方向及位置如箭頭所示。盾構(gòu)施工穿越數(shù)值模擬結(jié)果如圖6所示，由計算結(jié)果可以看出：

1)在隧道盾構(gòu)穿越建筑物前，角點位移與掘進面位置緊密相關(guān)，距離越近變形越大。隨著掘進面的推近，各角點沉降變形逐漸增大且增大幅度開始不同，靠近掘進區(qū)的角點增大幅度更大。

圖5　房屋角點位移

圖6　房屋沉降規(guī)律

2)在隧道盾構(gòu)穿越既有建筑物時，靠近隧道軸線的角點48 664、49 894沉降增幅較大，遠離軸線角點沉降增幅開始變小并趨緩，最大變形發(fā)生在靠近軸線的角點，其中角點48 664達到最大沉降5.33 mm。

3)遠離開挖區(qū)域的角點49 666和49 401受隧道盾構(gòu)施工影響較小，在隧道穿越建筑物時表現(xiàn)為輕微的隆起。

4)建筑物最大沉降差發(fā)生在角點48 664和49 401之間，達5.98 mm，傾斜度達0.000 13，遠小于控制標準0.004，因此隧道下穿施工能夠保證監(jiān)管醫(yī)院的安全。

2.1.3現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果

48 664號節(jié)點、49 894號節(jié)點、49 666號節(jié)點、49 401號節(jié)點現(xiàn)場監(jiān)測的最終沉降值分別為4.06 mm、3.61 mm、-0.68 mm、0.7 mm。

48 664和49 401點的差異沉降實測值為3.36 mm；房屋角點的沉降實測值略小于理論值，驗證了袖閥管注漿加固具有明顯的控制沉降作用。

2.2　隧道開挖對洞子張老火鍋店的影響

洞子張老火鍋店為14層框架結(jié)構(gòu)，寬17.78 m，長15.2 m，與隧道凈距在2.7～3.7 m。樁基礎形式，樁徑1.4 m，樁長20.2 m。隧道穿越地層為弱風化花崗巖，隧道與建筑之間采用Φ1 200×1 400 mm鉆孔灌注樁進行隔離保護，隔離樁樁長32 m，深入隧道中心以下。具體情況如圖7所示。

圖7　洞子張老火鍋店與隧道關(guān)系圖

2.2.1建筑物沉降規(guī)律

盾構(gòu)隧道側(cè)穿洞子張老火鍋店，斷面面積較小。沉降規(guī)律如圖8、圖9、圖10所示。

圖8　隧道開挖至33 m沉降圖

圖9　隧道開挖至41.69 m沉降圖

圖10　隧道開挖至72.2 m沉降圖

由數(shù)值分析結(jié)果可以看出：

1)建筑沉降主要發(fā)生在盾構(gòu)抵達前和盾構(gòu)通過時，降幅分別為1.1 mm及1.3 mm，盾構(gòu)通過遠離后，沉降變形不再發(fā)展，建筑最大沉降僅為2.6 mm。

2)最大沉降位置隨著盾構(gòu)的推進往前移動，從右下角點轉(zhuǎn)至右上角點，充分說明盾尾離開，管片起作用后，圍巖后續(xù)沉降較小。

3)由于房屋寬度小，均處在沉降范圍內(nèi)，故大部分地方沉降。

分析原因如下：

1)隧道穿越地層為弱風化變質(zhì)砂巖地層，洞周圍巖穩(wěn)定性較好。后期變形小。

2)采用鉆孔灌注樁進行了隔離，進一步縮小了沉降。

2.2.2房屋角點位移

如圖11所示，各角點在盾構(gòu)抵達前及通過時位移均表現(xiàn)為沉降，但沉降發(fā)展規(guī)律有所不同，角點29 578處產(chǎn)生的沉降變形值最大，達2.24 mm，發(fā)生在掌子面位于60 m處，此時角點29 515發(fā)生沉降變形最小，沉降差為2.1 mm，仍遠小于規(guī)范限值。

圖11　洞子張老火鍋店房屋角點位移

2.2.3現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果

本建筑物最大累積沉降值為11 mm，遠大于數(shù)值模擬結(jié)果。主要原因是由于在實際施工過程中，施工場地難以協(xié)調(diào)，無法施作鉆孔灌注樁隔離樁，進而采用了Φ108鋼花管隔離樁替代。由于鋼花管樁直徑限制及其剛度的局限性，引起實際施工過程中沉降變形過大，從中可以看出，鋼花管隔離樁效果不如鉆孔灌注樁隔離樁。

3　結(jié)論

由數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測資料分析可以得出如下結(jié)論：

1)城市中心大直徑隧道盾構(gòu)施工不可避免地對周圍環(huán)境產(chǎn)生擾動，采取可靠的預加固措施能夠有效降低施工對周圍建筑物的影響；

2)當隧道下穿既有建筑物，且穿越軟硬不均地層或軟土地層時，袖閥管注漿加固可以明顯控制沉降變形和不均勻沉降的發(fā)生，經(jīng)過數(shù)值計算，監(jiān)管醫(yī)院的傾斜達0.000 13，遠小于控制標準0.004，處于安全狀態(tài)；

3)當隧道側(cè)穿既有建筑物時，采用隔離樁法將既有建筑物區(qū)與隧道盾構(gòu)施工區(qū)進行隔離，可以有效降低隧道下穿施工對既有建筑物的擾動；

4)將既有建筑物與隧道施工區(qū)隔離時，鉆孔灌注樁隔離比鋼管樁隔離效果更好，隧道穿越洞子張老火鍋店時，采用灌注樁理論沉降值最大為2.6 mm，施作鋼管樁實際沉降達11 mm，遠大于預期。

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