盾構(gòu)擴(kuò)挖地鐵車站對(duì)鄰近建筑物影響分析

吳占瑞，漆泰岳，李 斌

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都 610031)

盾構(gòu)擴(kuò)挖地鐵車站對(duì)鄰近建筑物影響分析

吳占瑞，漆泰岳，李 斌

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都 610031)

廣州地鐵六號(hào)線東山口站采用盾構(gòu)擴(kuò)挖解決了城市地鐵盾構(gòu)在不具備設(shè)置接收井的條件下進(jìn)行施工的難題。結(jié)合盾構(gòu)擴(kuò)挖法施工，研究了施工中對(duì)周圍鄰近建筑物的影響，采用有限差分軟件FLAC3D對(duì)地層與建筑物的相互作用進(jìn)行三維數(shù)值模擬分析。分析結(jié)果表明，在擴(kuò)挖階段，無論從建筑物的內(nèi)力變化量上，還是建筑物基礎(chǔ)沉降值或沉降差值上都要明顯大于盾構(gòu)階段，并且建筑物底部結(jié)構(gòu)的變形量大于頂部框架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)底層柱和梁的內(nèi)力變化趨勢(shì)不同，應(yīng)加強(qiáng)重點(diǎn)構(gòu)筑物的監(jiān)測(cè)，以防基礎(chǔ)沉降差過大造成框架結(jié)構(gòu)的破壞。

盾構(gòu)擴(kuò)挖 鄰近建筑物 地鐵車站 沉降監(jiān)測(cè)

城市地鐵通常要在復(fù)雜條件下修建，隨著城市地鐵線網(wǎng)增加，城市地鐵的修建條件將會(huì)越來越復(fù)雜，有些地段不具備設(shè)置地鐵盾構(gòu)的接收井的條件，采用傳統(tǒng)盾構(gòu)擴(kuò)挖工法可以解決上述難題。

目前國(guó)際上盾構(gòu)擴(kuò)挖施工常用的擴(kuò)挖工法有兩種：擴(kuò)徑盾構(gòu)法和在盾構(gòu)隧道基礎(chǔ)上采用傳統(tǒng)方法擴(kuò)挖。擴(kuò)徑盾構(gòu)施工法是在原有盾構(gòu)隧道上的部分區(qū)間進(jìn)行直徑擴(kuò)展，以滿足修建地鐵車站和安裝其他設(shè)備之需要，我國(guó)目前應(yīng)用此種工法的條件還不成熟。我國(guó)現(xiàn)階段采用盾構(gòu)擴(kuò)挖法修建地鐵車站宜在盾構(gòu)施工完成后采用傳統(tǒng)方法進(jìn)行擴(kuò)挖，也就是以盾構(gòu)法施工先行通過，在已經(jīng)形成的盾構(gòu)隧道基礎(chǔ)上再采用傳統(tǒng)方式即礦山法進(jìn)行擴(kuò)挖，這樣不僅可大幅縮短盾構(gòu)的停機(jī)等待時(shí)間，確保施工期間的安全，也很好地解決了多年來城市地鐵盾構(gòu)在不具備設(shè)置接收井的條件下修建地鐵車站的難題，又能提高地鐵盾構(gòu)一次掘進(jìn)效率。

1 盾構(gòu)擴(kuò)挖施工法對(duì)建筑物的影響分析

以廣州市地鐵六號(hào)線東山口車站為例，主要采用數(shù)值模擬計(jì)算的研究方法，對(duì)盾構(gòu)擴(kuò)挖法修建地鐵車站對(duì)周圍鄰近建筑物的影響進(jìn)行分析。在盾構(gòu)擴(kuò)挖左線隧道時(shí)，對(duì)隧道上方省二輕工業(yè)集團(tuán)綜合樓的基礎(chǔ)沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

本模型旨在分析地鐵盾構(gòu)擴(kuò)挖施工對(duì)二輕工業(yè)集團(tuán)綜合樓的影響，從而找出對(duì)建筑物的影響規(guī)律，對(duì)樓體安全性進(jìn)行可靠預(yù)測(cè)。

二輕綜合樓采用的是灌注樁基礎(chǔ)形式，根據(jù)資料樁基礎(chǔ)平面如圖1所示。

圖1 樁基礎(chǔ)平面示意

模型尺寸98 m×50 m×35 m，單元網(wǎng)格數(shù)為89 000個(gè)。在模擬計(jì)算中，初期支護(hù)采用Shell單元模擬，錨桿單元采用FLAC中Cable單元，樁基采用Pile單元模擬，樁荷載根據(jù)地質(zhì)勘察資料確定。建筑物為六層框架結(jié)構(gòu)，樓板梁與柱均采用Beam單元模擬。土體采用實(shí)體單元模擬，土體的本構(gòu)模型采用摩爾—庫(kù)倫模型;襯砌采用實(shí)體彈性殼體單元，模擬材料性質(zhì)為鋼筋混凝土。

根據(jù)工程實(shí)際要求只對(duì)左線隧道進(jìn)行模擬分析。研究斷面在計(jì)算時(shí)，約束左右邊界的水平位移，約束下邊界的豎向位移，上邊界為自由邊界。隧道土體的開挖分為盾構(gòu)推進(jìn)部分和擴(kuò)挖部分，擴(kuò)挖部分采用臺(tái)階法開挖，上下臺(tái)階長(zhǎng)度7 m。隧道拱部土方采用人工開挖上半斷面，每0.7 m一循環(huán)。隧道模型及鄰近建筑物立面圖如圖2所示，盾構(gòu)推進(jìn)及上下臺(tái)階開挖輪廓圖如圖3所示。圖3中，P1為上臺(tái)階開挖輪廓;P2為下臺(tái)階開挖輪廓;P3為盾構(gòu)推進(jìn)區(qū)域;P4為大管棚影響區(qū)域;P5為小導(dǎo)管注漿影響區(qū)域。

圖2 隧道模型及鄰近建筑物立面

圖3 盾構(gòu)推進(jìn)及上下臺(tái)階開挖輪廓

2 地面建筑物受力和移動(dòng)特征

2.1 結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析

框架結(jié)構(gòu)建筑物的主要受力部分為梁和柱，由于該框架結(jié)構(gòu)的柱和樓板梁的數(shù)目較多，內(nèi)力分析的主要監(jiān)測(cè)部位取處于隧道開挖上部的中間排(B排)的頂層與底層(也即第一層)柱和樓板梁，根據(jù)隧道上方地表框架建筑結(jié)構(gòu)的實(shí)際概況，利用FLAC3D對(duì)其內(nèi)力進(jìn)行模擬計(jì)算，分析在隧道盾構(gòu)推進(jìn)和擴(kuò)挖兩個(gè)不同階段在不同開挖距離的變化趨勢(shì)，模擬計(jì)算出來的軸力數(shù)據(jù)變化曲線如圖4～圖7所示。

由圖4～圖7所示柱內(nèi)力變化得出以下結(jié)論：

1)在自重作用下，框架柱受壓力。B側(cè)底層邊柱在盾構(gòu)推進(jìn)和擴(kuò)挖兩個(gè)初始階段軸力變化為正方向，表現(xiàn)為受拉力作用;B側(cè)頂層邊柱在盾構(gòu)過站初始階段表現(xiàn)為少許的正方向受拉作用，之后趨勢(shì)線趨于平緩。在擴(kuò)挖初始階段軸力線向上稍微凸起表現(xiàn)為受拉作用，隨著開挖距離的加大，軸力線向下有相對(duì)較陡的發(fā)展，表現(xiàn)為受壓作用，之后隨著擴(kuò)挖距離的進(jìn)一步加大，軸力線稍有回彈并趨于穩(wěn)定的平緩狀態(tài)，說明隨著B側(cè)邊柱擴(kuò)挖距離加大，對(duì)該柱的影響也在減小;B側(cè)底層和頂層的中柱軸力變化趨勢(shì)分別和邊柱的底層和頂層的變化趨勢(shì)近于相反狀態(tài)，從而也說明了柱之間軸力的相互分配原則。

通過整個(gè)階段的軸力變化趨勢(shì)線可以看出，盾構(gòu)過站階段軸力變化比較平緩，而擴(kuò)挖階段在距離柱較近處柱軸力變化要相對(duì)陡一些，說明盾構(gòu)階段對(duì)建筑物軸力影響要比擴(kuò)挖階段小得多。

圖4 底層邊柱軸力變化曲線

圖5 頂層邊柱軸力變化曲線

圖6 底層中柱軸力變化曲線

圖7 頂層中柱軸力變化曲線

2)在隧道開挖過程中，結(jié)構(gòu)頂層的柱由于基礎(chǔ)沉降所產(chǎn)生的附加內(nèi)力并不大，說明隧道的開挖對(duì)結(jié)構(gòu)底層柱產(chǎn)生附加內(nèi)力影響，頂層柱較不容易受開挖影響。

由圖8可以看出：B側(cè)底層和頂層樓板梁在盾構(gòu)過站初始階段其剪力變化呈上凸?fàn)顟B(tài)，剪力表現(xiàn)為隨開挖的推進(jìn)減小，表現(xiàn)為卸載，之后在推進(jìn)到該樓板梁所在柱下方附近時(shí)，該樓板梁的剪力有增大趨勢(shì)，隨著盾構(gòu)推進(jìn)逐漸遠(yuǎn)去，該樓板梁所受剪力稍有回彈呈減小趨勢(shì);在擴(kuò)挖階段開始之后底層和頂層的樓板梁的剪力變化曲線下降比較明顯，表現(xiàn)為加載，之后隨著擴(kuò)挖逐漸遠(yuǎn)離該樓板梁所在柱子位置，樓板梁所受剪力變化趨于近似穩(wěn)定的水平狀態(tài)。

由圖9可以看出，B側(cè)底層和頂層樓板梁在盾構(gòu)過站初始階段其彎矩變化略呈上升趨勢(shì)，表現(xiàn)為隨開挖的推進(jìn)彎矩增大，呈加載狀態(tài);隨著盾構(gòu)逐漸推進(jìn)，該樓板梁所受彎矩變化比較穩(wěn)定，曲線呈近乎水平狀態(tài);從擴(kuò)挖階段開始之后到擴(kuò)挖至該樓板梁所在B側(cè)柱子下方周圍為止，底層和頂層的樓板梁的彎矩變化較為明顯，曲線呈上升趨勢(shì)，表現(xiàn)為加載狀態(tài)，之后隨著擴(kuò)挖逐漸遠(yuǎn)離該樓板梁所在柱子位置，樓板梁所受彎矩變化趨于近似穩(wěn)定的水平狀態(tài)。

圖8 梁剪力變化曲線

圖9 梁彎矩變化曲線

從剪力和彎矩曲線圖可以看出，盾構(gòu)階段樓板梁承受的剪力和彎矩要小于之后的擴(kuò)挖階段，底層樓板梁所受剪力和彎矩要遠(yuǎn)大于頂層樓板梁所受的力。說明擴(kuò)挖階段樓板梁所受剪力和彎矩影響要大于盾構(gòu)階段，底層樓板梁所受剪力和彎矩影響要大于頂層。

2.2 基礎(chǔ)沉降分析

隧道開挖必然引起周圍地層的移動(dòng)，一般來說，地表一定量的均勻下沉對(duì)建筑物的穩(wěn)定性和使用條件并不會(huì)產(chǎn)生太大的危害，而地層的不均勻沉降可能對(duì)建筑物產(chǎn)生較大危害?；A(chǔ)是埋于地層中的結(jié)構(gòu)，因此應(yīng)首先考慮基礎(chǔ)的沉降情況，圖10～圖12是框架結(jié)構(gòu)底部每排第一根樁基礎(chǔ)隨隧道開挖距離的推進(jìn)，而產(chǎn)生的沉降變化曲線。由圖1樁基礎(chǔ)平面示意圖可知，所選的3根樁基礎(chǔ)分別位于初始開挖側(cè)框架結(jié)構(gòu)底部?jī)啥撕椭胁康奈恢?。所選取的這三根樁基礎(chǔ)作為典型可以很好地反應(yīng)框架結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)沉降情況。

圖10 A 排21號(hào)樁沉降曲線

圖11 B 排11號(hào)樁沉降曲線

圖12 C 排1號(hào)樁沉降曲線

由圖10～圖12可知，在隧道盾構(gòu)開挖起始階段，各基礎(chǔ)部分有微量的隆起，在隧道開挖到1 m處時(shí)，A排21號(hào)樁基礎(chǔ)的隆起值為正方向0.025 mm，此后該基礎(chǔ)開始向下沉降，其沉降值以等速率稍有增大，當(dāng)開挖達(dá)到15 m時(shí)，21號(hào)樁的沉降放緩，說明此后開挖對(duì)21號(hào)樁基礎(chǔ)的沉降影響將變得越來越小。待到盾構(gòu)過站施作完畢之后，開始對(duì)該段區(qū)間隧道進(jìn)行上下臺(tái)階法擴(kuò)挖。由擴(kuò)挖段的樁基礎(chǔ)沉降曲線可知，在盾構(gòu)基礎(chǔ)上對(duì)隧道區(qū)間進(jìn)行擴(kuò)挖，對(duì)樁基礎(chǔ)的影響速率顯然比盾構(gòu)階段要大，在擴(kuò)挖到20 m之后，擴(kuò)挖沉降曲線開始放緩，說明隨著開挖逐漸遠(yuǎn)離該21號(hào)樁基礎(chǔ)，隧道開挖對(duì)該基礎(chǔ)影響減小。A排21號(hào)樁基礎(chǔ)盾構(gòu)階段沉降值為－2.42 mm，擴(kuò)挖階段也即最終沉降值為－7.38 mm。

B排11號(hào)樁位于開挖正上方，受其位置影響，隧道開挖對(duì)其作用要比左側(cè)21號(hào)樁要大，在盾構(gòu)階段的曲線圖差別不大，主要反映在擴(kuò)挖階段，可以看出，在擴(kuò)挖階段11號(hào)樁的沉降速率及沉降值都要大于相同開挖距離時(shí)的21號(hào)樁基礎(chǔ)，同樣，當(dāng)擴(kuò)挖至20 m之后，11號(hào)樁的沉降曲線開始放緩，說明隨著隧道開挖逐漸遠(yuǎn)離該樁，開挖對(duì)其影響減小。B排11號(hào)樁基礎(chǔ)盾構(gòu)階段沉降值為－3.89 mm，擴(kuò)挖階段也即最終沉降值為－11.94 mm。

C排1號(hào)樁位于開挖初始位置右上方，其沉降變化曲線和11號(hào)樁基礎(chǔ)相似，由于受右隧道施工情況影響，其沉降值比中間排(B排)11號(hào)樁要稍有增大。C排1號(hào)樁基礎(chǔ)盾構(gòu)階段沉降值為－4.08 mm，擴(kuò)挖階段也即最終沉降值為－12.22 mm。

由于各基礎(chǔ)抵抗沉降的能力大小不一、沉降的時(shí)間不一，因此伴隨著隧道開挖的推進(jìn)，相鄰基礎(chǔ)間必然會(huì)出現(xiàn)沉降差，為了進(jìn)一步分析基礎(chǔ)間的沉降差隨隧道開挖的動(dòng)態(tài)變化情況，將差值變化作于圖13中，由圖13可知，各相鄰基礎(chǔ)間的沉降差是動(dòng)態(tài)變化的。在隧道盾構(gòu)推進(jìn)和之后的擴(kuò)挖兩個(gè)階段過程中，基礎(chǔ)間的沉降差主要體現(xiàn)在樁基礎(chǔ)A21與基礎(chǔ)B11之間，其沉降差值趨勢(shì)線速率為先增大而后減小最后呈平緩狀態(tài)發(fā)展，經(jīng)過擴(kuò)挖階段之后即左隧道擴(kuò)挖完畢之后樁基礎(chǔ)A21與B11最終沉降差為4.6 mm。樁基礎(chǔ)B11與C1之間的沉降差值相對(duì)較小，經(jīng)歷了先減小后增大最后呈平緩狀態(tài)發(fā)展的過程。因此在隧道穿越建筑物過程中，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)A排樁基礎(chǔ)與B排樁基礎(chǔ)之間結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)，以防沉降差而產(chǎn)生破壞。

圖13 相鄰基礎(chǔ)間的沉降差曲線

3 結(jié)論

本文對(duì)廣州地鐵六號(hào)線東山口車站鄰近建筑物省二輕工業(yè)集團(tuán)六層綜合樓進(jìn)行綜合研究分析，分析表明：

1)盾構(gòu)擴(kuò)挖法修建地鐵車站的施工過程中，不論是對(duì)于地表建筑物內(nèi)力的影響，還是樁基礎(chǔ)沉降和差異沉降，擴(kuò)挖階段對(duì)它們的影響速率都要大于盾構(gòu)階段，因此要做好擴(kuò)挖階段的監(jiān)控量測(cè)工作。

2)隧道鄰近地面建筑物施工時(shí)，改變了建筑結(jié)構(gòu)各單元的內(nèi)力，在盾構(gòu)擴(kuò)挖過程中，框架結(jié)構(gòu)頂層的柱和梁由于基礎(chǔ)沉降所產(chǎn)生的內(nèi)力變化都要小于結(jié)構(gòu)底層，說明隧道的開挖對(duì)結(jié)構(gòu)底層柱產(chǎn)生內(nèi)力影響，應(yīng)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)，并且框架結(jié)構(gòu)各個(gè)部分的柱和梁的內(nèi)力變化趨勢(shì)是不一樣的，要對(duì)變化較大的部位根據(jù)其變化趨勢(shì)制定相應(yīng)的保護(hù)措施，保證隧道上方樓房的安全。

3)盾構(gòu)擴(kuò)挖隧道完畢之后樁基礎(chǔ)A21與B11最終沉降差為4.6 mm，是相對(duì)于其他相鄰樁基差異沉降最大的，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)A排樁基礎(chǔ)與B排樁基礎(chǔ)之間結(jié)構(gòu)的重點(diǎn)監(jiān)測(cè)，以防基礎(chǔ)沉降差過大造成框架結(jié)構(gòu)的破壞。

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U456.3

A

1003-1995(2012)06-0062-04

2012-01-25;

2012-03-20

吳占瑞(1984— )，男，河南新鄉(xiāng)人，博士研究生。

(責(zé)任審編 王 紅)