隧道-既有建筑物凈距 對(duì)盾構(gòu)施工影響的數(shù)值分析

摘 要：以昆明市軌道交通 6 號(hào)線二期菊華站—東部汽車站區(qū)間盾構(gòu)在軟弱土層中下穿冶金居民小區(qū)為背景，分別以既有建筑物變形、既有建筑物結(jié)構(gòu)受力、管片受力為分析指標(biāo)，通過數(shù)值計(jì)算研究不同隧道-既有建筑物凈距條件下盾構(gòu)施工對(duì)地表既有建構(gòu)筑物的影響，研究結(jié)論對(duì)于軟弱土層中盾構(gòu)下穿既有建構(gòu)筑物合理凈距的確定有一定參考意義。

關(guān)鍵詞：地鐵;盾構(gòu)隧道;建筑物;隧道-建筑物凈距;數(shù)值計(jì)算

中圖分類號(hào)：U455.43

0 引言

經(jīng)過多年的地鐵建設(shè)及相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)的積累，采用明挖法進(jìn)行地鐵車站開挖并利用盾構(gòu)進(jìn)行區(qū)間隧道掘進(jìn)已成為目前我國各大城市地鐵建設(shè)的基本模式。盾構(gòu)施工也已逐漸擺脫了用于軟土地層地鐵隧道修建的設(shè)定，應(yīng)用范圍不斷拓寬。但由于盾構(gòu)施工本身存在缺陷：刀盤開挖直徑與盾尾直徑之間的楔形開挖間隙不能立即填充補(bǔ)償;盾尾與管片之間的建筑間隙是通過同步注漿和二次注漿補(bǔ)償填充的，由于補(bǔ)償注漿受壓力、漿液性質(zhì)、注漿時(shí)機(jī)影響很大，補(bǔ)償注漿亦不能完全充填盾尾建筑空隙;盾構(gòu)推進(jìn)過程中盾殼與開挖面之間的剪切摩擦作用、超孔隙水壓的形成與消散、地下水滲流、盾構(gòu)機(jī)振動(dòng)等，使得盾構(gòu)施工不可避免地會(huì)產(chǎn)生地層損失，造成隧道上方的地層沉降[1-6]。如果隧道上方存在建構(gòu)筑物，地層變形累計(jì)傳到地表，使建筑物的基礎(chǔ)發(fā)生不均勻沉降，則有可能造成建筑物結(jié)構(gòu)功能性損壞或報(bào)廢[7-9]。

關(guān)于地層損失與地表沉降的關(guān)系，Peck[10]、Attewell[11]、劉建航[12]等從連續(xù)介質(zhì)理論出發(fā)，假定盾構(gòu)施工造成的地層損失體積與地表沉降槽體積一致，由此推導(dǎo)了用于預(yù)測盾構(gòu)施工地表沉降的公式。這些預(yù)測公式在實(shí)際工程中有一定的適用性[13-16]。但由于地層本身具有一定的自穩(wěn)能力，無論是現(xiàn)場實(shí)測、模型試驗(yàn)、數(shù)值計(jì)算結(jié)果均表明，盾構(gòu)施工造成的地層沉降量值是由盾構(gòu)開挖面向地表逐步遞減的[17-19]。故隧道下穿既有建構(gòu)筑物沉降控制除施工參數(shù)控制外，還與區(qū)間隧道與既有建筑物凈距有關(guān)。因此，研究隧道與既有建構(gòu)筑凈距對(duì)盾構(gòu)施工影響的敏感性，對(duì)于隧道線位確定、既有建構(gòu)筑物保護(hù)具有重要意義[20-21]。

本文以昆明市軌道交通6號(hào)線二期菊華站—東部汽車站區(qū)間盾構(gòu)下穿冶金居民小區(qū)為依托建立數(shù)值計(jì)算模型，研究不同隧道-既有建筑凈距對(duì)上部建筑物的影響規(guī)律。

1 工程背景

昆明市軌道交通6號(hào)線菊華站—東部汽車站區(qū)間自菊華站出站后先下穿金馬路，然后向北拐，依次下穿冶金住宅小區(qū)、市麗康時(shí)裝廠住宅樓、金馬正昌果品批發(fā)市場等建筑，最后進(jìn)入位于歸十路南側(cè)的1號(hào)盾構(gòu)井。本次計(jì)算涉及的冶金住宅小區(qū)為3棟6層磚混結(jié)構(gòu)建筑（建于上世紀(jì)八九十年代），設(shè)計(jì)使用壽命70年，為筏板基礎(chǔ)，與盾構(gòu)區(qū)間的平面位置關(guān)系如圖1所示。

區(qū)間場地范圍內(nèi)的軟弱地層從上到下依次為1-1雜填土、1-2素填土、4-2粉土、1-3黏土、3-3泥炭質(zhì)土、5-3粉砂和4-3粉土。

2 數(shù)值計(jì)算模型

本項(xiàng)研究的目的是探明不同隧道-既有建筑物凈距條件下盾構(gòu)施工對(duì)既有建筑物變形和受力的影響。根據(jù)既有建筑物實(shí)際情況，結(jié)合區(qū)間地質(zhì)概況，采用Midas GTS建立三維數(shù)值計(jì)算模型，如圖2所示，計(jì)算中考慮隧道與建筑物凈距分別為0.2D、0.5D、1.5D、2.5D等不同工況。

考慮邊界效應(yīng)對(duì)隧道施工的影響，模型尺寸為120m×80m×40m。地層、隧道均采用實(shí)體單元建模。隧道正上方冶金住宅小區(qū)層高為4m共6層，筏板基礎(chǔ)，梁、板、柱、墻均采用實(shí)體單元建模。在GTS軟件中，通過鈍化開挖輪廓范圍內(nèi)的土體并激活預(yù)設(shè)管片單元實(shí)現(xiàn)隧道開挖支護(hù)，通過在開挖面施加反向節(jié)點(diǎn)荷載，模擬盾構(gòu)對(duì)開挖面的平衡作用。實(shí)際隧道施工過程為逐環(huán)推進(jìn)，先進(jìn)行左線隧道掘進(jìn)，貫通后進(jìn)行右線隧道掘進(jìn)。

3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

數(shù)值計(jì)算中主要通過計(jì)算建筑物沉降和建筑物最大最小主應(yīng)力，來分析隧道-建筑物凈距對(duì)建筑物沉降的影響。既有建筑物沉降計(jì)算點(diǎn)如圖3所示。

（1）圖4為隧道-建筑物凈距0.2D、0.5D、1.5D、2.5D、4.0D等不同工況下，各計(jì)算點(diǎn)沉降隨盾構(gòu)開挖步序的變化情況?？梢钥闯?，盾構(gòu)穿越既有建筑物造成的建筑物沉降沿隧道縱向呈現(xiàn)階梯形，表明盾構(gòu)施工造成的建筑物沉降具有明顯的階段性，可分為穿越前沉降、穿越過程中沉降和穿越后沉降。從變化量值看，穿越過程中沉降最大。因此，實(shí)際施工中應(yīng)主要通過控制盾構(gòu)穿越過程中的掘進(jìn)參數(shù)來實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)施工影響控制。對(duì)比凈距0.2D、0.5D、1.5D、2.5D、4.0D幾種工況可以看出，隨盾構(gòu)-既有建筑物凈距的加大，各計(jì)算點(diǎn)沉降曲線逐漸變得平緩，基礎(chǔ)最大沉降量顯著減小;隨著隧道-既有建筑物凈距的增大，開挖擾動(dòng)經(jīng)地層擴(kuò)散后被明顯削弱，說明隧道-建筑物凈距對(duì)盾構(gòu)施工具有重要影響。

（2）圖5為不同隧道-既有建筑物凈距條件下，地表沉降沿計(jì)算斷面橫向分布情況（以圖2中y方向y = 40m斷面為地表沉降計(jì)算斷面）。從圖5中可以看出，隨隧道-既有建筑物凈距的加大，盾構(gòu)施工造成地表沉降槽逐漸變寬變淺，表明隨著隧道-既有建筑物凈距的加大，盾構(gòu)施工對(duì)地表和上部建筑的影響逐漸減小。

（3）圖6為建筑物最大沉降隨隧道-建筑物凈距的變化情況?？梢钥闯觯S著隧道-建筑物凈距的加大，盾構(gòu)施工造成建筑物最大沉降明顯減小。根據(jù)昆明地區(qū)經(jīng)驗(yàn)，若以20mm作為建筑物沉降限值，則可知本工程隧道-建筑物合理凈距的控制值應(yīng)為1.65D左右。

（4）圖7為隧道-建筑物凈距為1.5D工況下，盾構(gòu)施工造成建筑物結(jié)構(gòu)應(yīng)力重分布的情況，其他工況情況與之類似。從圖7中可以看出，隧道開挖對(duì)建筑物的影響集中在建筑物基礎(chǔ)底部，卸載作用使建筑物基礎(chǔ)底部應(yīng)力分布不均，影響程度從建筑物基礎(chǔ)底部向建筑物上部衰減。

（5）圖8為既有建筑主應(yīng)力隨隧道-建筑物凈距的變化情況。從圖中8可以看出，既有建筑物最大最小主應(yīng)力隨隧道-建筑物凈距的變化是非線性過程，當(dāng)隧道-建筑物凈距大于1D時(shí)，主應(yīng)力隨開挖凈距的變化幅度較小。因此，從建筑結(jié)構(gòu)受力角度考慮，開挖隧道-建筑物凈距宜大于1D。

（6）圖9為隧道管片應(yīng)力挖隧道-建筑物凈距的變化情況?？梢钥闯?，整體上隨著隧道-建筑物凈距的加大，管片應(yīng)力增加。但可以明顯看出，隧道上方建筑物在隧道-建筑物凈距小的情況下對(duì)管片受力影響很大，管片應(yīng)力隨凈距變化波動(dòng)幅度很大。當(dāng)隧道-建筑物的凈距0.8D～2.5D時(shí)，管片應(yīng)力隨隧道-建筑物凈距的增加基本呈線性變化，可認(rèn)為上部建筑物荷載通過地層擴(kuò)散對(duì)隧道受力影響已經(jīng)很小，因此，從管片結(jié)構(gòu)受力合理性方面考慮，可認(rèn)為0.8D～2.5D是本工程合理凈距。

4 結(jié)論及建議

（1）隧道與既有建筑物之間夾層土體的厚度對(duì)于控制建筑物沉降具有重要作用，就本工程而言，當(dāng)隧道與建筑物凈距大于1.65D時(shí)，盾構(gòu)施工造成建筑物最大沉降可控制在20mm以內(nèi)。

（2）當(dāng)隧道與建筑物凈距大于1D時(shí)，隧道施工造成建筑物最大最小主應(yīng)力變化幅度較小，因此，可認(rèn)為當(dāng)隧道與建筑物基礎(chǔ)凈距大于1D時(shí)，盾構(gòu)施工對(duì)建筑物結(jié)構(gòu)受力影響較小。

（3）當(dāng)隧道與建筑物凈距處于0.8D～2.5D范圍時(shí)，上部建筑荷載經(jīng)過地層擴(kuò)散作用后對(duì)管片受力影響較小，管片應(yīng)力隨隧道-建筑物凈距的增加變化較小，故可認(rèn)為0.8D～2.5D凈距為隧道-建筑物合理凈距。

（4）數(shù)值計(jì)算表明地表建筑物沉降主要產(chǎn)生于盾構(gòu)穿越建構(gòu)筑物施工過程，因此，實(shí)際施工中還應(yīng)加強(qiáng)施工參數(shù)控制，及時(shí)注漿填補(bǔ)超挖空隙，通過減少地層損失來控制施工過程中的地層沉降。

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收稿日期 2019-04-04

責(zé)任編輯 朱開明