盾構(gòu)隧道施工引起的臨近地表建筑物沉降研究

代君賈強(qiáng)

(1.山東建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，山東濟(jì)南250101；2.建筑結(jié)構(gòu)加固改造與地下空間工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東濟(jì)南250101)

0 引言

21世紀(jì)以來，我國的地鐵建設(shè)已經(jīng)進(jìn)入了快速發(fā)展時期。盾構(gòu)法因其地層適應(yīng)性強(qiáng)、速度快、安全性高等優(yōu)點(diǎn)[1]，逐步成為城市地鐵工程建設(shè)中的主要形式。然而，隧道的盾構(gòu)開挖[2]過程及后期固結(jié)沉降導(dǎo)致地表不同程度的沉降變形，引起其上及鄰近建筑物開裂、傾斜或坍塌[3]。因此，合理地分析預(yù)測盾構(gòu)施工對鄰近建筑物沉降的影響，劃定隧道明顯影響區(qū)域，加強(qiáng)對區(qū)域內(nèi)建筑物的監(jiān)測和采取必要措施，對保護(hù)建筑物具有重要意義[4]。

目前關(guān)于盾構(gòu)施工對臨近建筑物沉降影響的研究方法主要有隨機(jī)介質(zhì)法、解析法和數(shù)值分析法[5]。其中，數(shù)值分析法可以充分考慮地層的復(fù)雜多樣性，并且能夠模擬盾構(gòu)隧道施工步驟，因此國內(nèi)外專家學(xué)者廣泛研究應(yīng)用。Jenck等[6]運(yùn)用FLAC3D軟件，充分考慮地層損失，分析了建筑物剛度對地表沉降的影響，顯示建筑物存在區(qū)域地面沉降有明顯變化，有必要對此區(qū)域采取加固措施。Tang等[7]采用三維數(shù)值分析法，研究了不同隧道開挖長度對橫向與縱向地表沉降的影響，分析得出在開挖面后方約20 m處縱向地表沉降達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。魏新江等[8]采用數(shù)值分析法，模擬臨近不同位置處建筑物各種工況下的盾構(gòu)開挖表明，隧道軸線與建筑物中心線的水平距離與隧道外徑的比值為0.5～2時，產(chǎn)生較大的地面沉降。彭暢等[9]運(yùn)用ABAQUS對雙線盾構(gòu)施工產(chǎn)生的鄰近框架結(jié)構(gòu)沉降進(jìn)行了模擬，發(fā)現(xiàn)建筑物附近的地表沉降隨著建筑物層數(shù)的增加而增大，并且隨著隧道的開挖，建筑物由于基礎(chǔ)沉降不均勻可能在其垂直面和水平面內(nèi)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形。魏綱等[10]采用MIDAS-GTS軟件，研究了建筑物不同層數(shù)及隧道不同水平距離情況下隧道施工引起的建筑物附加沉降的情況，發(fā)現(xiàn)在盾構(gòu)機(jī)穿越建筑物的過程中，地表沉降逐漸增大后趨向穩(wěn)定，并且沿隧道前進(jìn)方向建筑物產(chǎn)生短期的不均勻沉降。上述文獻(xiàn)研究了盾構(gòu)施工引起既有建筑物地基沉降的普遍性規(guī)律，但巖土問題地域性很強(qiáng)，濟(jì)南市市區(qū)泉脈分布眾多，而地鐵的建設(shè)需求就是要緩解市區(qū)的交通壓力。因此，出于保泉護(hù)泉的要求，針對濟(jì)南地區(qū)地鐵隧道工程區(qū)地質(zhì)條件，通過數(shù)值分析確定地鐵盾構(gòu)施工產(chǎn)生的沉降影響范圍，對既有建筑的保護(hù)具有重要意義。

目前，濟(jì)南市所規(guī)劃的多條地鐵線路正在建設(shè)。M3線沿線大部分分布在經(jīng)十路附近，出于保泉護(hù)泉的需要，地鐵設(shè)計(jì)的埋置深度較淺；而R2線沿線已經(jīng)越過了泉脈影響范圍，所以埋置深度相對較大，2條線路在濟(jì)南市眾多地鐵線路中具備典型性。文章依托濟(jì)南市軌道交通R2線及M3線沿線地質(zhì)盾構(gòu)穿越某既有框架結(jié)構(gòu)的工程背景，考慮盾構(gòu)施工中的重要參數(shù)對地表沉降的影響進(jìn)行了ANSYS數(shù)值分析，得到了具有適用性的沉降影響范圍，為地鐵施工期間臨近建筑物的監(jiān)測和保護(hù)提供依據(jù)。

1 工程概況

濟(jì)南市軌道交通R2線貫穿濟(jì)南西部和東部主城區(qū)，連接了西部新城核心區(qū)、老城區(qū)、高新區(qū)、唐冶新城，是緩解東西向交通壓力的交通骨干線路。M3線連接經(jīng)十路沿線商業(yè)區(qū)、濟(jì)南奧體副中心、唐冶等片區(qū)，是濟(jì)南市軌道交通第二輪建設(shè)規(guī)劃的重要線路。

R2線及M3線的地鐵隧道為雙線并行的分離式隧道，分左、右線2孔。2線均采用盾構(gòu)法施工，刀盤直徑為6.81 m、盾構(gòu)機(jī)長為8 m、襯砌每環(huán)寬為1.5 m、厚為0.35 m。選取該區(qū)域內(nèi)常見的6層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)作為數(shù)值分析的對象。該建筑物地上6層，層高為3 m、柱距為8 m。A軸柱為最靠近隧道的一跨柱，稱為近隧端柱；C軸柱為最遠(yuǎn)離隧道的一跨柱，稱為遠(yuǎn)隧端柱。柱下獨(dú)立基礎(chǔ)，基底尺寸為2 m×2 m，埋深為2 m。建筑物中心線距2隧道中心線0 m處的平面位置如圖1所示。

圖1 框架建筑物平面及盾構(gòu)隧道示意圖/mm

2 有限元模型建立

2.1 基本假定

(1)假設(shè)計(jì)算范圍內(nèi)的土層為均質(zhì)水平層[11]，且土體為各向同性連續(xù)的彈塑性材料。

(2)不考慮地下水滲透效應(yīng)和時間的影響。

(3)框架與基礎(chǔ)，基礎(chǔ)與土體交界面符合變形協(xié)調(diào)原理[12]。

2.2 模型的建立

采用ANSYS軟件建立有限元模型。雖然在實(shí)際工程中，隧道對地面建筑物的影響十分復(fù)雜，但是考慮到建筑物縱向與隧道的走向基本一致，并且其縱向延伸長度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于橫向，可以將其簡化為平面應(yīng)變問題，因此采用二維有限元模型進(jìn)行模擬。為了更好地消除邊界效應(yīng)對模型的影響，根據(jù)Peck公式[13-14]估算單孔沉降槽寬度約為48 m，故整個橫斷面模型在水平、豎直方向分別取120、50 m。土體的本構(gòu)模型[15]采用D-P模型。二維模型的左、右邊界設(shè)置水平固定約束，限制其水平位移；底部邊界設(shè)置豎向固定約束[16]，限制其豎向位移；上部邊界為地表，設(shè)為自由面。選取R2線西二環(huán)沿線某典型地質(zhì)以及M3線沿線奧體西站某典型地質(zhì)作為分析對象，其相應(yīng)的土工參數(shù)見表1、2。

表1 R2線所選典型地質(zhì)土工參數(shù)表

表2 M3線所選典型地質(zhì)土工參數(shù)表

采用平面實(shí)體單元Plane42模擬土體和建筑物基礎(chǔ)，采用梁單元Beam3模擬襯砌管片和建筑物?？蚣芙ㄖ锪喊逯膹椥阅Ａ繛?0 GPa，泊松比為0.2，密度為2 500 g/cm3。建模時樓、地面活荷載取2.0 kN/m2[17]，屋面活荷載取0.5 kN/m2。雙線盾構(gòu)隧道直徑為6.4 m，襯砌按照線彈性材料加以考慮，材料為C30混凝土。整個二維模型的節(jié)點(diǎn)數(shù)為2 106，單元數(shù)為 2 055。其中，M3線隧道埋深為3.5 m、凈距為5.6 m、建筑物中心線距2隧道中心線20 m處數(shù)值模型的橫斷面如圖2所示。

R2線隧道埋深為24.5 m、隧道間凈距為5.6 m、建筑物中心線距2隧道中心線為16 m的二維模型和M3線隧道埋深為3.5 m、凈距為10.2 m、建筑物中心線與2隧道中心線重合時的二維模型的網(wǎng)格剖分圖，如圖3所示。

圖2 M3線所選工況的模型橫斷面及邊界約束圖/mm

圖3 R2線、M3線二維計(jì)算平面網(wǎng)格剖分圖

模擬時采用ANSYS中的單元生死技術(shù)，包括(1)殺死襯砌單元；(2)再殺死開挖的土體單元，釋放節(jié)點(diǎn)力；(3)激活襯砌單元，將剩余的節(jié)點(diǎn)力全部釋放。

3 結(jié)果與分析

隨著盾構(gòu)機(jī)不斷向前掘進(jìn)挖土，盾尾部的鋼筋混凝土管片逐漸組拼形成襯砌環(huán)。在此過程中，周圍的土體會因?yàn)樘畛涠芪部障缎纬捎肯蛩淼赖囊苿于厔?，造成建筑物周圍地面的沉降變形。為了充分研究地表沉降的具體影響范圍，分別針對埋深較大的R2線和埋深較淺的M3線所選地質(zhì)，設(shè)計(jì)了在大、小凈距下改變建筑物中心線至2隧道中心線距離的每組12個工況，建筑物中心線至2隧道中心線的距離依次為 0、4、8、12、16、20、24、28、32、36、40、44 m。參照2條線路實(shí)際的埋深和隧道間凈距，擬確定R2線埋深為24.5 m、M3線埋深為3.5 m；大凈距為10.2 m、小凈距為5.6 m。

經(jīng)分析，得到開挖前后建筑物地表沉降值，其中R2線小凈距下建筑物中心線距2隧道中心線為24 m時的沉降云圖如圖4所示。相鄰柱距沉降值相減得到沉降差。

圖4 R2線小凈距下建筑物中心線距2隧道中心線為24 m時沉降云圖

按照GB 50007—2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》[18]規(guī)定，框架結(jié)構(gòu)相鄰柱基沉降差的允許值在中低壓縮性土和高壓縮性土中分別為0.002l和0.003l，其中l(wèi)表示相鄰2個柱基中心的距離。由于該既有建筑物已經(jīng)建成多年，土層壓縮已經(jīng)穩(wěn)定，所以可以將其視為中低壓縮土分析，取0.002l(l=8 m)，即16 mm作為此建筑物地基變形的允許值。由于此建筑物在橫向(垂直于隧道開挖方向)分布3排立柱，所以分別取近隧端(A軸)和遠(yuǎn)隧端(C軸)相鄰2柱基進(jìn)行分析。

參照R2線一期確定的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，雙線隧道間凈距小于一倍盾構(gòu)外徑時定義為小凈距，反之定義為大凈距。

3.1 R2線臨近地表建筑物沉降分析

3.1.1 小凈距下地表沉降規(guī)律

選取隧道埋深為24.5 m、凈距為5.6 m作為典型工況，分析小凈距情況下相鄰柱基沉降差如圖5所示。遠(yuǎn)、近隧端2側(cè)相鄰柱基間地表的沉降差變化趨勢相同，均表現(xiàn)為先增大后減少的趨勢。相比于遠(yuǎn)隧端，近隧端在小凈距情況下的相鄰柱基間沉降差比遠(yuǎn)隧端大，且在建筑物中心線距離2隧道中心線6～17 m范圍內(nèi)超過規(guī)范限值，此范圍內(nèi)的建筑物原則上應(yīng)進(jìn)行必要的安全性鑒定。遠(yuǎn)隧端因其距離隧道較遠(yuǎn)，加之R2線隧道埋置較深，對地表擾動較小，所以其相鄰柱基間沉降差全部位于限值以下，整體偏安全。

圖5 R2線小凈距條件下相鄰柱基間沉降差變化曲線圖

3.1.2 大凈距下地表沉降規(guī)律

選取R2線隧道埋深為24.5 m、凈距為10.2 m作為典型工況，分析大凈距情況下的地表沉降差，如圖6所示。在大凈距條件下，遠(yuǎn)、近隧端相鄰柱基間地表的沉降差變化趨勢與小凈距條件相同。遠(yuǎn)隧端依舊全部位于規(guī)范限值以下，近隧端沉降差仍然比遠(yuǎn)隧端大。近隧端側(cè)在建筑物中心線距離2隧道中心線10～23 m范圍內(nèi)超過限值。此影響范圍相較于小凈距條件下擴(kuò)大了約6 m。

圖6 R2線大凈距條件下相鄰柱基間沉降差變化曲線圖

3.1.3 地表沉降影響范圍經(jīng)驗(yàn)公式

值得注意的是，雖然在上述R2線2種不同凈距條件下，建筑物中心距離2隧道中心線0～6 m及0～10 m范圍內(nèi)的相鄰柱基間沉降差并未超過限值，但是由于數(shù)值分析得出其區(qū)域范圍內(nèi)的地表沉降較大，因此也要將此范圍區(qū)段納入隧道施工的主要影響范圍。在數(shù)值模擬得到的大、小凈距地表沉降影響范圍的基礎(chǔ)上，結(jié)合北京市和廣州市等既有城市地鐵盾構(gòu)隧道周邊影響分區(qū)，提出了濟(jì)南市地鐵R2線盾構(gòu)法開挖過程擾動影響范圍的經(jīng)驗(yàn)公式及極限值，由式(1)表示為

式中:L1為R2線地表沉降影響范圍上限值，m；H為隧道埋置深度，m；S為隧道間凈距，m；D為盾構(gòu)隧道外徑，m。

為了驗(yàn)證經(jīng)驗(yàn)公式的準(zhǔn)確性，將R2線盾構(gòu)隧道施工參數(shù)代入公式，與數(shù)值分析結(jié)果進(jìn)行對比，見表3，其中H為 24.5 m、D為 6.4 m、小凈距S為5.6 m、大凈距S為10.2 m。由表3可知，數(shù)值模擬的影響范圍上限值與帶入經(jīng)驗(yàn)公式所得到的計(jì)算值基本吻合。主要影響范圍的分布如圖7所示。

表3 R2線的影響范圍上限對比驗(yàn)證表

圖7 R2線主要影響范圍分布圖

3.2 M3線臨近地表建筑物沉降分析

3.2.1 小凈距下地表沉降規(guī)律

M3線選取埋深為3.5 m、凈距為5.6 m作為典型工況，分析淺埋小凈距情況下的地表沉降規(guī)律如圖8所示。近隧端在8～20 m范圍內(nèi)，建筑物相鄰柱基間沉降差超過規(guī)范限值；遠(yuǎn)隧端全部位于限值以下且變化幅度不大。相比于隧道埋深較大的R2線小凈距條件，可以看出在凈距一定時，M3線的相鄰柱基間地表沉降差略小，出現(xiàn)這種結(jié)果的原因是因?yàn)镸3線沿線主要穿越黃土、黏土、強(qiáng)風(fēng)化石灰?guī)r等，其土質(zhì)的整體的彈性模量比R2線偏高，土質(zhì)良好，不易發(fā)生變形所致。由此可見，沿線地質(zhì)也是影響地表沉降的重要因素。

圖8 M3線小凈距條件下相鄰柱基間沉降差變化曲線圖

3.2.2 大凈距下地表沉降規(guī)律

選取埋深為3.5 m、凈距為10.2 m作為典型工況來分析淺埋大凈距情況下的地表沉降規(guī)律如圖9所示。在淺埋大凈距條件下，遠(yuǎn)、近隧端相鄰柱基間沉降差隨著2隧道中心線至建筑物中心線水平距離的變化趨勢與淺埋小凈距條件相同。遠(yuǎn)隧端全部位于限值以下，近隧端側(cè)在12～23 m范圍內(nèi)超過規(guī)范限值，比淺埋小凈距下的影響范圍擴(kuò)大了約3 m。其相鄰柱基間沉降差比隧道埋深較大的R2線大凈距條件下相鄰柱基間沉降差略小，說明沿線地質(zhì)對地表沉降具有重要影響。

圖9 M3線大凈距條件下相鄰柱基間沉降差變化曲線圖

3.2.3 地表沉降影響范圍經(jīng)驗(yàn)公式

由數(shù)值分析得出，2種不同凈距條件下，M3線建筑物中心距2隧道中心線0～8 m及0～12 m范圍內(nèi)的地表沉降較大，因此也要將此范圍區(qū)段納入重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域，且淺埋下大凈距條件下的地表沉降影響范圍更廣，小凈距條件下相鄰柱基間地表沉降差更大。在M3線隧道埋深較淺的情況下，無論是大、小凈距，都比隧道埋置較深的R2線相鄰柱基間沉降差要略小。結(jié)合既有城市的地鐵盾構(gòu)隧道周邊影響分區(qū)，提出了濟(jì)南市地鐵M3線盾構(gòu)法開挖過程擾動影響范圍的經(jīng)驗(yàn)公式及極限值，由式(2)表示為

式中:L2為M3線地表沉降影響范圍上限值，m。

為了驗(yàn)證M3線經(jīng)驗(yàn)公式的準(zhǔn)確性，將M3線盾構(gòu)隧道施工參數(shù)代入式(2)，與數(shù)值分析結(jié)果進(jìn)行對比，見表4，其中H為3.5 m、D為6.4 m、小凈距S為5.6 m、大凈距S為10.2 m。由表4可知，數(shù)值模擬的影響范圍上限值與帶入經(jīng)驗(yàn)公式所得到的計(jì)算值偏差不大。主要影響范圍的分布如圖10所示。

表4 M3線的影響范圍上限對比驗(yàn)證表

圖10 M3線的主要影響范圍分布圖

4 結(jié)論

文章通過選取濟(jì)南市典型地鐵線路，分析了R2線和M3線沿線地質(zhì)盾構(gòu)施工過程中的凈距以及2隧道中心線至建筑物中心線的水平距離等參數(shù)對地表沉降范圍的影響，主要得到以下結(jié)論:

(1)2種不同埋深條件下，建筑物遠(yuǎn)、近隧端2側(cè)相鄰柱基間地表的沉降差均隨著2隧道中心線與建筑物中心線水平距離的增大呈現(xiàn)出先增大后減小趨勢。遠(yuǎn)隧端相鄰柱基間沉降差全部位于限值以下，而近隧端側(cè)沉降差較遠(yuǎn)隧端側(cè)更為明顯，從而能更好地作為確定地表沉降影響范圍的依據(jù)。

(2)當(dāng)隧道埋深一定時，大凈距與小凈距條件下分別對應(yīng)的地表沉降影響范圍和相鄰柱基間地表沉降差顯著。相比于R2線條件，可以看出在凈距一定時，M3線條件下的相鄰柱基間地表沉降差偏小。由此可見，地質(zhì)也是影響地表沉降的重要因素。

(3)基于濟(jì)南市地鐵盾構(gòu)隧道的施工參數(shù)及既有城市地鐵盾構(gòu)隧道的影響分區(qū)范圍提出的R2線、M3線的盾構(gòu)法的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出的開挖過程擾動影響范圍與數(shù)值模擬得出的影響范圍值基本吻合。