數(shù)值分析結(jié)合自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)在地鐵下穿工程中的應(yīng)用

羅 勇

(軌道交通工程信息化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(kuò)大，修建過程中不可避免地會(huì)出現(xiàn)地鐵上跨或下穿既有建(構(gòu))筑物的情況[1-5]，而有時(shí)建筑物結(jié)構(gòu)自身往往存在著某些病害，正處于待修復(fù)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(gòu)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(cè)手段是關(guān)鍵，只有及時(shí)的發(fā)現(xiàn)問題，才能防患于未然[6-8]。

目前我國自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用在地鐵中的工程案例還是比較多的[9-12]。劉振華通過對(duì)南寧地鐵1號(hào)線區(qū)間盾構(gòu)隧道下穿居民樓工程，總結(jié)了在富水強(qiáng)滲透圓礫地層中盾構(gòu)隧道施工對(duì)地表沉降和房屋變形的影響規(guī)律[13]。姚愛軍結(jié)合北京地鐵10號(hào)線盾構(gòu)穿越既有建筑物工程，采用FLAC3D數(shù)值分析程序，研究了盾構(gòu)掘進(jìn)各個(gè)過程地表變形規(guī)律，并根據(jù)規(guī)范提出建筑物基礎(chǔ)的變形控制標(biāo)準(zhǔn)[14]。魏龍剛結(jié)合莞惠鐵路盾構(gòu)隧道穿越老城區(qū)，通過現(xiàn)場對(duì)結(jié)構(gòu)提前注漿、盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)參數(shù)優(yōu)化等措施，確保建筑物安全[15]。

盡管國內(nèi)外已對(duì)各類地層條件下盾構(gòu)隧道下穿工程做了大量的分析研究和現(xiàn)場監(jiān)測(cè)，總結(jié)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(shù)工程案例都是隧道與建(構(gòu))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(gòu)隧道下穿地下商貿(mào)城工程，為盾構(gòu)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(dá)320 m，國內(nèi)外類似工程實(shí)例較少，其施工引起的周邊地層損失會(huì)導(dǎo)致埋置于其中的建筑物產(chǎn)生沉降及變形，況且商貿(mào)城結(jié)構(gòu)自身存在一定病害，一旦施工過程中稍有不慎，可能會(huì)引起建筑物結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形開裂，乃至垮塌。因此，本工程施工存在較高的工程風(fēng)險(xiǎn)和技術(shù)難度，需要對(duì)其施工導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)變形行為和控制措施進(jìn)行重點(diǎn)研究，并對(duì)施工過程進(jìn)行詳細(xì)監(jiān)測(cè)和精細(xì)控制。結(jié)合地鐵盾構(gòu)長距離穿越地下商貿(mào)城工程案例，通過數(shù)值模擬分析和采用自動(dòng)化監(jiān)控量測(cè)手段，探討信息化施工對(duì)控制建筑物變形及病害發(fā)揮的關(guān)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(shè)，盾構(gòu)從車站始發(fā)后，長距離平行下穿地下商貿(mào)城，而后到達(dá)接收。盾構(gòu)區(qū)間上、下行線線間距約為12 m，隧道頂距地下商貿(mào)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(gòu)下穿商貿(mào)城的安全性，首先，在管片設(shè)計(jì)時(shí)已考慮在下穿范圍內(nèi)的隧道管片上預(yù)留了二次注漿孔，從隧道內(nèi)部對(duì)拱部180°、深度1.5 m范圍土體及時(shí)進(jìn)行二次注漿加固并嚴(yán)格控制注漿壓力。其次，在下穿地下商貿(mào)城之前100 m設(shè)置為盾構(gòu)掘進(jìn)試驗(yàn)段，優(yōu)化盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)，減少盾構(gòu)施工對(duì)花園街商貿(mào)城的擾動(dòng)。區(qū)間隧道與地下商貿(mào)城平、縱、橫剖面位置關(guān)系如圖1～圖3所示。表1統(tǒng)計(jì)了各地層的物理力學(xué)參數(shù)。

圖1 區(qū)間隧道與商貿(mào)城的平面關(guān)系(單位：m)

圖2 區(qū)間隧道與商貿(mào)城的縱剖面關(guān)系(單位：m)

圖3 區(qū)間隧道與商貿(mào)城的橫剖面關(guān)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(zhì)黏土2020205516.80.32

1.2 地下商貿(mào)城情況

1.2.1 地下商貿(mào)城結(jié)構(gòu)形式介紹

地下商貿(mào)城為地下一層結(jié)構(gòu)，由A區(qū)、B區(qū)、C區(qū)、D區(qū)、E區(qū)5個(gè)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(shí)功能為地下商業(yè)街、人行過街。

圖4 地下商貿(mào)城分區(qū)平面示意(單位：m)

地下商貿(mào)城結(jié)構(gòu)形式為帶柱帽的無梁樓蓋結(jié)構(gòu)體系，采用獨(dú)立基礎(chǔ)形式，基本柱間距6.8 m×6.8 m，結(jié)構(gòu)高度6.1 m，結(jié)構(gòu)頂板、底板、側(cè)墻厚度均為0.4 m，結(jié)構(gòu)柱尺寸0.5 m×0.5 m。頂板覆土厚1.4 m。結(jié)構(gòu)沿花園街方向每隔約60 m設(shè)置1道變形縫。地下商貿(mào)城結(jié)構(gòu)的橫剖面如圖5所示。

1.2.2 地下商貿(mào)城病害情況介紹

經(jīng)現(xiàn)場踏勘檢查，地下商貿(mào)城結(jié)構(gòu)在街道十字交叉區(qū)域病害比較嚴(yán)重，病害范圍如圖6所示。發(fā)現(xiàn)商貿(mào)城內(nèi)部部分地磚出現(xiàn)空鼓、凹陷、開裂，結(jié)構(gòu)頂板、側(cè)墻局部存在開裂、滲水等現(xiàn)象，如圖7所示。

圖5 地下商貿(mào)城結(jié)構(gòu)橫剖面示意(單位：m)

圖6 地下商貿(mào)城結(jié)構(gòu)病害區(qū)域

圖7 地下商貿(mào)城結(jié)構(gòu)病害展示

鑒于地下商貿(mào)城結(jié)構(gòu)的病害情況，地鐵公司已委托第三方鑒定評(píng)估單位對(duì)地下商貿(mào)城結(jié)構(gòu)進(jìn)行了檢測(cè)評(píng)估。評(píng)估結(jié)論為：目前地下商貿(mào)城結(jié)構(gòu)的容許絕對(duì)沉降值為20 mm，差異沉降值為15 mm，盾構(gòu)下穿過程中需采取措施，加強(qiáng)對(duì)商貿(mào)城結(jié)構(gòu)變形的監(jiān)測(cè)。由于地鐵區(qū)間隧道平行下穿地下商貿(mào)城長度距離達(dá)320 m，地下商貿(mào)城結(jié)構(gòu)變形控制嚴(yán)格，且該區(qū)域地質(zhì)情況較為復(fù)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(yán)格控制由于盾構(gòu)掘進(jìn)所導(dǎo)致的建筑物變形，成為本工程亟需解決的主要問題。

2 盾構(gòu)施工數(shù)值分析

在施工前，為預(yù)測(cè)盾構(gòu)施工對(duì)地下商貿(mào)城的擾動(dòng)程度及其變形規(guī)律，同時(shí)為建筑物變形監(jiān)控量測(cè)提供理論依據(jù)，采用數(shù)值計(jì)算軟件對(duì)下穿工程進(jìn)行模擬分析。

2.1 基本假定

軟件模擬盾構(gòu)施工過程中各個(gè)因素對(duì)結(jié)構(gòu)沉降產(chǎn)生的影響需做一些假定，在同一條件基礎(chǔ)上進(jìn)行假設(shè)，使計(jì)算步驟得到了簡化，所需要的計(jì)算時(shí)間最少，計(jì)算速度也得到了提高，具體假設(shè)情況如下：

(1)當(dāng)?shù)氐匦纹教?，本模型假定地表及各層土都是均勻分層分布的?/p>

(2)對(duì)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(gòu)刀盤掘進(jìn)過程中對(duì)前方土體產(chǎn)生的壓力；

(4)土體的剪切破壞符合摩爾庫倫曲屈服準(zhǔn)則；

(5)通過改變注漿層的材料參數(shù)來模擬管片注漿效果。

2.2 三維計(jì)算模型

由于地下商貿(mào)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(jì)算過于緩慢，且地下商貿(mào)城結(jié)構(gòu)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(mào)城十字交叉病害區(qū)域范圍進(jìn)行建模分析。計(jì)算采用FLAC3D有限差分?jǐn)?shù)值計(jì)算軟件?？紤]到盾構(gòu)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(jì)算模型結(jié)合地下商貿(mào)城結(jié)構(gòu)變形縫的位置，橫向?qū)挾葹?0 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(mào)城結(jié)構(gòu)采用線彈性模型，用實(shí)體單元進(jìn)行模擬。最終的數(shù)值計(jì)算模型如圖8所示，共有143 840個(gè)單元，151 453個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖8 數(shù)值模擬三維模型

結(jié)構(gòu)參數(shù)見表2所示。

表2 結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)參數(shù)

2.3 盾構(gòu)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(shí)現(xiàn)盾構(gòu)的掘進(jìn)過程模擬[16]。對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)全過程進(jìn)行三維數(shù)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(gòu)施工對(duì)地層的擾動(dòng)，這些環(huán)節(jié)如下。

(1)盾構(gòu)機(jī)的模擬：對(duì)盾構(gòu)施工過程進(jìn)行模擬，模擬盾構(gòu)機(jī)對(duì)開挖面的壓力，盾構(gòu)殼體支撐力等作用。

(2)盾尾空隙的模擬：周圍地層移動(dòng)主要是受到盾尾空隙引起的，通過臨空面的產(chǎn)生來模擬盾尾空隙，同時(shí)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(shí)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(chǎn)生支護(hù)作用，并考慮注漿層硬化的時(shí)效特性。

(4)后方臺(tái)車荷載。

土壓平衡式盾構(gòu)掘進(jìn)模擬的基本過程如圖9所示。

圖9 盾構(gòu)掘進(jìn)過程模擬示意

2.4 計(jì)算結(jié)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(mào)城結(jié)構(gòu)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(nèi)均受到沉降影響。土體沉降在隧道盾構(gòu)施工完畢后的最大值為21.03 mm。

(2)結(jié)構(gòu)豎向位移場分析(圖11、圖12)

圖11 地下商貿(mào)城板墻三維沉降云圖(單位：m)

圖12 地下商貿(mào)城結(jié)構(gòu)柱子沉降云圖(單位：m)

圖11藍(lán)色區(qū)域顯示為結(jié)構(gòu)板、側(cè)墻沉降云圖最大區(qū)域，而從藍(lán)色區(qū)域到兩側(cè)紅色區(qū)域，結(jié)構(gòu)板、墻的沉降值逐漸減小，紅色區(qū)域?yàn)樽钚?；圖12藍(lán)色區(qū)域顯示為商貿(mào)城結(jié)構(gòu)柱子的沉降云圖的最大區(qū)域，而同樣從藍(lán)色區(qū)域到紅色區(qū)域，結(jié)構(gòu)柱子的沉降值逐漸減小，紅色區(qū)域?yàn)樽钚??？梢钥闯?，盾?gòu)隧道施工完成后，地下商貿(mào)城結(jié)構(gòu)沉降在雙線隧道之間位置變形值相對(duì)較大，遠(yuǎn)離隧道兩側(cè)變形值相對(duì)較小。

2.4.2 結(jié)構(gòu)變形特征分析

(1)結(jié)構(gòu)橫向變形特征分析

在分析的過程中選取縱向中間斷面結(jié)構(gòu)(y=30對(duì)應(yīng)的斷面)作為考察斷面。提取商貿(mào)城結(jié)構(gòu)底板橫向沉降(隆起)數(shù)據(jù)，其統(tǒng)計(jì)曲線如圖13所示。橫坐標(biāo)中“0”點(diǎn)對(duì)應(yīng)左隧道拱頂中心在地表的投影，橫坐標(biāo)中“12”點(diǎn)對(duì)應(yīng)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(shí)工作面位置在考察斷面前方6，12，18，24 m處。

圖13 結(jié)構(gòu)橫向沉降曲線

由圖13看出，商貿(mào)城結(jié)構(gòu)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(cè)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(cè)評(píng)估單位給出的指標(biāo)。根據(jù)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(cè)各20 m范圍，因而需對(duì)區(qū)間隧道上方及隧道外20 m范圍內(nèi)的商貿(mào)城結(jié)構(gòu)進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)。

(2)結(jié)構(gòu)縱向(沿區(qū)間隧道長度方向)變形特征分析

提取商貿(mào)城結(jié)構(gòu)底板縱向沉降(隆起)數(shù)據(jù)，其統(tǒng)計(jì)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(jié)構(gòu)底板縱向沉降曲線

由圖14看出，隧道開挖時(shí)，由于盾構(gòu)刀盤的推力作用，在刀盤掌子面前方約10 m范圍的商貿(mào)城底板產(chǎn)生一定的隆起，隆起值約1 mm；當(dāng)盾構(gòu)機(jī)通過時(shí)，開始由隆起逐漸沉降；盾尾脫離后，約到盾構(gòu)隧道掌子面后方20 m(3D)時(shí)，商貿(mào)城結(jié)構(gòu)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(píng)估單位給出的指標(biāo)。根據(jù)曲線可看出，隧道開挖引起的結(jié)構(gòu)縱向(沿區(qū)間隧道長度方向)沉降影響區(qū)域大概為盾構(gòu)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(duì)該范圍內(nèi)的地下商貿(mào)城結(jié)構(gòu)進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)。

3 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用

3.1 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的必要性

(1)地下商貿(mào)城為地下空間，內(nèi)部光線昏暗，不便于人工測(cè)量。

(2)相對(duì)人工監(jiān)測(cè)，自動(dòng)化監(jiān)測(cè)在數(shù)據(jù)采集頻率和精度、信息反饋方面都有很大優(yōu)勢(shì)。

由于地下商貿(mào)城結(jié)構(gòu)自身存在病害，需在盾構(gòu)下穿過程中時(shí)刻采集相關(guān)數(shù)據(jù)，及時(shí)掌握商貿(mào)城結(jié)構(gòu)的變形情況，用現(xiàn)場監(jiān)測(cè)的結(jié)果反饋到設(shè)計(jì)及施工中，及時(shí)采取相應(yīng)的施工技術(shù)措施，以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)，動(dòng)態(tài)施工。故推薦采用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)。

3.2 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及監(jiān)測(cè)范圍

本工程采用靜力水準(zhǔn)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其主要是通過連通器的液體壓強(qiáng)原理和電容傳感器的工作原理，對(duì)每個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，準(zhǔn)確了解液面在每個(gè)容器內(nèi)的變化情況，再計(jì)算求得各點(diǎn)相對(duì)于基點(diǎn)的相對(duì)沉降量[17-20]。靜力水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)原理如圖15所示。

圖15 靜力水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)原理示意

監(jiān)測(cè)范圍以前述數(shù)值分析計(jì)算結(jié)果為依據(jù)，在隧道下穿地下商貿(mào)城320 m范圍內(nèi)，橫向?qū)λ淼郎戏郊皟蓚?cè)20 m范圍內(nèi)的地下商貿(mào)城結(jié)構(gòu)墻、柱布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，對(duì)盾構(gòu)刀盤前方10 m和后方20 m隧道縱向范圍上方的地下商貿(mào)城結(jié)構(gòu)進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)。地下商貿(mào)城結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置剖面如圖16所示。監(jiān)測(cè)項(xiàng)目匯總見表3。

圖16 地下商貿(mào)城結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置示意

監(jiān)測(cè)項(xiàng)目監(jiān)測(cè)儀器數(shù)量/個(gè)商貿(mào)城結(jié)構(gòu)沉降監(jiān)測(cè)靜力水準(zhǔn)儀279商貿(mào)城結(jié)構(gòu)傾斜監(jiān)測(cè)傾角儀173商貿(mào)城結(jié)構(gòu)裂縫監(jiān)測(cè)測(cè)縫計(jì)122監(jiān)測(cè)頻率重點(diǎn)監(jiān)測(cè)范圍實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),其余范圍每天3次

地下商貿(mào)城結(jié)構(gòu)靜力水準(zhǔn)儀和傾角儀的現(xiàn)場安裝情況如圖17所示。

圖17 監(jiān)測(cè)儀器現(xiàn)場安裝

3.3 監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析

為使結(jié)果對(duì)比具有代表性，選取十字交叉區(qū)域的監(jiān)測(cè)斷面做對(duì)比分析，即以里程為SK14+308處監(jiān)測(cè)斷面的地下商貿(mào)城結(jié)構(gòu)橫向沉降量數(shù)據(jù)為例，將計(jì)算的模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，如圖18所示?，F(xiàn)場的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)最大沉降量為9.5 mm，和數(shù)值計(jì)算最大沉降量接近，且二者的曲線走勢(shì)大體相同，說明軟件計(jì)算結(jié)果能較好地反映工程實(shí)際，對(duì)提前進(jìn)行監(jiān)控測(cè)點(diǎn)的布置起到很大作用。

圖18 數(shù)值模擬與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比

4 結(jié)論

以某市軌道交通區(qū)間隧道盾構(gòu)下穿地下商貿(mào)城工程為例，利用FLAC3D數(shù)值分析軟件進(jìn)行了盾構(gòu)開挖模擬，并結(jié)合自動(dòng)化監(jiān)測(cè)手段，得到如下結(jié)論。

(1)根據(jù)理論計(jì)算及實(shí)際監(jiān)測(cè)，盾構(gòu)隧道施工對(duì)地下商貿(mào)城的影響范圍為隧道上方及兩側(cè)20 m橫向范圍。商貿(mào)城結(jié)構(gòu)最大絕對(duì)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(píng)估單位給出的安全指標(biāo)。

(2)為降低盾構(gòu)施工造成的地層損失，及時(shí)對(duì)區(qū)間下穿地下商貿(mào)城段隧道拱部管片外側(cè)地層進(jìn)行二次注漿加固是很有必要，但必須嚴(yán)格控制注漿壓力。

(3)為避免盾構(gòu)盲目掘進(jìn)，首先通過數(shù)值分析掌握盾構(gòu)隧道下穿地下商貿(mào)城的變形規(guī)律，然后根據(jù)變形規(guī)律制定監(jiān)測(cè)方案，再結(jié)合自動(dòng)化監(jiān)測(cè)手段，實(shí)時(shí)掌握地下商貿(mào)城的變形數(shù)據(jù)，然后將相關(guān)數(shù)據(jù)及時(shí)反饋到盾構(gòu)機(jī)控制室，通過調(diào)整盾構(gòu)推力、土倉壓力、掘進(jìn)速度等掘進(jìn)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了盾構(gòu)的信息化施工，最大程度降低了對(duì)地下商貿(mào)城的擾動(dòng)。該工程的成功實(shí)施，為今后類似下穿工程提供參考。