城市地鐵隧道施工對(duì)古建筑沉降的影響研究

唐海玥，靳炳強(qiáng)

(1.北京城市學(xué)院，北京 100083；2.中鐵二十四局集團(tuán) 浙江工程有限公司,浙江 杭州 310009)

城市地鐵隧道施工過(guò)程中會(huì)引起地表沉降，并產(chǎn)生一定寬度沉降槽，為了分析城市地鐵盾構(gòu)隧道施工因素對(duì)地表建筑物沉降的影響，國(guó)內(nèi)部分學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究，主要有：李澤榮[1]、金建峰[2]等結(jié)合某隧道施工，采FLAC3D軟件建立地鐵盾構(gòu)施工過(guò)程的模型，并對(duì)開(kāi)挖及變形進(jìn)行仿真模擬，系統(tǒng)分析研究了盾構(gòu)施工過(guò)程中引起的土體位移情況，并對(duì)對(duì)影響土體變形因素進(jìn)行了分析；李超人[3]、郭樂(lè)[4]等結(jié)合某雙線隧道施工，利用數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方法研究了盾構(gòu)施工過(guò)程中建筑物及地表沉降變形特征，并根據(jù)同一建筑物不同部位的沉降差判定施工過(guò)程中建筑物安全性。丁萬(wàn)勝[5]、邱明明[6]等采用室內(nèi)模型試驗(yàn)和FLAC3D數(shù)值分析軟件相結(jié)合的方法，在模型隧道縱、橫向設(shè)置位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)地面沉降隨開(kāi)挖過(guò)程的變化規(guī)律，結(jié)果表明：沉降量隨隧道深度的增加而減小，隨掘進(jìn)的進(jìn)行而增加橫向沉降量在隧道正上方最大，等等。本文主要采用大型有限元軟件ABAQUS軟件模擬城市地鐵盾構(gòu)隧道開(kāi)挖誘發(fā)地表沉降規(guī)律，并針對(duì)開(kāi)挖推進(jìn)距離、開(kāi)挖面支護(hù)以及地表建筑物剛度條件對(duì)古建筑地表沉降影響進(jìn)行了詳細(xì)分析，以期研究結(jié)果可為類(lèi)似工程提供參考和借鑒。

1 工程概況

某城市地鐵隧道工程采用盾構(gòu)法施工，隧道中心埋深約20.3 m，隧道在該穿越區(qū)內(nèi)主要為黃土，隧道某段上方為一古建筑物。其中雜填土主要以粘性土為主，并含有少量的礫石和灰?guī)r，黃土呈現(xiàn)出黃褐色，其中含有少量的云母片和碎石。隧道外徑為6.5 m，管片設(shè)計(jì)厚度為0.5 m，每隔1.5 m一環(huán)，隧道埋深在18.6～21.9 m范圍內(nèi)。

2 數(shù)值建模

2.1 模型建立

采用大型有限元軟件ABAQUS軟件進(jìn)行模擬計(jì)算。隧道模型建立要考慮開(kāi)挖影響范圍，一般地下工程影響范圍為3～5倍洞室內(nèi)徑，由圖1所示，為隧道數(shù)值模型圖。建立模型時(shí)x軸取100 m，y軸沿隧道軸線方向取90 m，z軸取60 m，隧道埋深取20.0 m。除上邊界外，模型其它邊界均設(shè)有法向約束并進(jìn)行位移約束，文中采用摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)模型。隧道洞徑外徑為6.5 m，盾構(gòu)全長(zhǎng)90 m，每隔1.5 m一環(huán)，共60環(huán)。隧道管片厚度為0.5 m，混凝土標(biāo)號(hào)為C50，彈性模量取34.5 GPa。該研究區(qū)段內(nèi)主要為黃土，表1為其巖體物理力學(xué)參數(shù)。

圖1 數(shù)值模型圖

表1 巖體的物理力學(xué)指標(biāo)Table1 Physicalandmechanicalindicatorsofrockmass巖土層密度/(kg·m-3)體積模量/GPa剪切模量/GPa泊松比內(nèi)摩擦角/(°)粘聚力/MPa黃土16506.562.850.292523

2.2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

隧道施工過(guò)程中，為及時(shí)了解隧道開(kāi)挖支護(hù)后各類(lèi)參數(shù)變化情況，一般會(huì)在施工過(guò)程中布置多個(gè)監(jiān)控點(diǎn)。監(jiān)測(cè)分為兩類(lèi)，一是位移監(jiān)測(cè)，主要為了掌握圍巖變形情況；二是應(yīng)力監(jiān)測(cè)，主要監(jiān)測(cè)錨桿、錨索以及殼體等軸力大小。不管是位移監(jiān)測(cè)還是應(yīng)力監(jiān)測(cè)，其目的均為實(shí)時(shí)掌握支護(hù)效果，以便快速處理施工中出現(xiàn)的各種問(wèn)題，保證隧道施工過(guò)程安全。該隧道位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)分別布置在拱頂、拱肩以及拱腰上，如圖2所示，主要監(jiān)測(cè)拱頂沉降位移和周邊收斂的位移，通過(guò)對(duì)位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的收集、處理和分析來(lái)保證隧道施工過(guò)程中的安全可靠。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

3 數(shù)值結(jié)果分析

3.1 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

如圖3所示，為各監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)曲線圖。各監(jiān)測(cè)點(diǎn)在初期位移變化速率較快，到達(dá)某時(shí)間段以后，變化緩慢并最終趨于穩(wěn)定。以拱頂沉降為例，在初期變化速率較大，從1～3 d，拱頂沉降平均速率為2.16 mm/d，累計(jì)沉降量為6.18 mm。從4～30 d，拱頂沉降速率略有減緩，此時(shí)間段內(nèi)平均下降速率為0.57 mm/d，從30～60 d，拱頂沉降基本趨于穩(wěn)定，為22.81 mm，表明圍巖變形基本趨于穩(wěn)定。此外，上測(cè)點(diǎn)和下測(cè)點(diǎn)收斂位移穩(wěn)定值分別為15.25、8.14 mm。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移-時(shí)間曲線

表2為各監(jiān)測(cè)點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)位移與數(shù)值模擬位移對(duì)比表，由表2可知，對(duì)于拱頂沉降、上測(cè)點(diǎn)周邊收斂位移和下測(cè)點(diǎn)周邊收斂位移，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分別比數(shù)值模擬數(shù)據(jù)大5.41%、13.21%和10.15%，由于現(xiàn)場(chǎng)施工條件比數(shù)值模擬更為復(fù)雜，且現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬數(shù)據(jù)相差最大不超過(guò)15%，故結(jié)果是合理的，也說(shuō)明數(shù)值模擬比較可靠。

表2 各測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)對(duì)比Table2 Comparisonofdataofvariousmeasuringpoints監(jiān)測(cè)點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)位移/mm數(shù)值模擬位移/mm拱頂22.8121.64上測(cè)點(diǎn)周邊收斂15.2513.47下測(cè)點(diǎn)周邊收斂8.147.39

3.2 施工誘發(fā)古建筑物地表沉降分析

施工過(guò)程中，誘發(fā)古建筑物地表沉降的因素有很多，不同施工條件下，地表沉降也存在差異。如圖4所示，為盾構(gòu)施工中單次不同推進(jìn)尺寸下的地表沉降曲線，文中推進(jìn)距離(T)分別取6、9、15、18 m進(jìn)行分析。由圖4可知，改變盾構(gòu)施工推進(jìn)距離，基本不會(huì)改變沉降槽的寬度，地表的最大沉降將略微發(fā)生變化。推進(jìn)距離為6、9、15、18 m對(duì)應(yīng)的最大地表沉降值分別為16.22、16.49、17.31、17.83 mm，相對(duì)于推進(jìn)距離為6 m時(shí)，T取9、15、18 m時(shí)的地表最大沉降分別增大了1.7%、6.7%、9.9%。綜上可知，增大盾構(gòu)推進(jìn)距離會(huì)增大古建筑物地表最大沉降值，但是增大幅度有限，當(dāng)推進(jìn)距離增大為原來(lái)的3倍時(shí)，古建筑物地表最大沉降增大幅度低于10%。

圖4 不同推進(jìn)尺寸下古建筑物地表沉降曲線

如圖5所示，為盾構(gòu)施工中不同開(kāi)挖面支護(hù)力下的古建筑物地表沉降曲線，文中不同開(kāi)挖面支護(hù)力(P)分別取0、0.5P0、1.0P0、1.5P0進(jìn)行分析(文中P0是盾構(gòu)開(kāi)挖面中點(diǎn)的靜止土壓力，該值取120 kPa)。由圖5可知，改變盾構(gòu)施工開(kāi)挖面支護(hù)力，地表沉降槽的寬度基本不發(fā)生改變，地表的最大沉降將發(fā)生變化。開(kāi)挖面支護(hù)力為0、0.5P0、1.0P0、1.5P0對(duì)應(yīng)的最大地表沉降值分別為13.08、12.63、11.66、10.92 mm，相對(duì)于開(kāi)挖面支護(hù)力為0時(shí)，P取0.5P0、1.0P0、1.5P0時(shí)能使地表最大沉降分別降低了3.4%、10.9%、16.5%。綜上可知，增大盾構(gòu)開(kāi)挖面支護(hù)力會(huì)明顯減小地表最大沉降值，因此施工過(guò)程中可以適當(dāng)采取增大開(kāi)挖面支護(hù)力的方法來(lái)減小古建筑物地表沉降。

圖5 不同開(kāi)挖面支護(hù)力下古建筑物地表沉降曲線

圖6 地表不同結(jié)構(gòu)剛度下地表沉降槽曲線

隧道上方是天然地表和有建筑物存在時(shí)，會(huì)改變隧道開(kāi)挖引起的地表沉降值和沉降槽寬度，這一點(diǎn)已被很多學(xué)者提到過(guò)[7-10]，為了研究建筑物不同結(jié)構(gòu)剛度下地表沉降槽和沉降值變化規(guī)律，模擬中土體上部設(shè)計(jì)帶有結(jié)構(gòu)剛度的古建筑物，該古建筑物寬度為60 m，縱向長(zhǎng)度與模型長(zhǎng)度一致，通過(guò)改變其彈性模量來(lái)近似模擬不同結(jié)構(gòu)剛度條件。如圖6所示，將城市地鐵盾構(gòu)施工中地表不同結(jié)構(gòu)剛度下的地表沉降曲線繪制出，文中不同結(jié)構(gòu)剛度(K)分別取0、100、1 000、10 000 MPa進(jìn)行分析。由圖6可知，改變不同結(jié)構(gòu)剛度，地表沉降槽的形狀將發(fā)生改變，地表的最大沉降也同樣發(fā)生較大的變化。只考慮剛度體范圍內(nèi)，增大結(jié)構(gòu)剛度，會(huì)使得地表沉降槽寬度減小，但是地表沉降將發(fā)生較大的變化。結(jié)構(gòu)剛度為0、100、1 000、10 000 MPa對(duì)應(yīng)的最大地表沉降值分別為23.17、21.45、19.87、17.46 mm，相對(duì)于結(jié)構(gòu)剛度為0時(shí)，K取100、1 000、10 000 MPa時(shí)的能使地表最大沉降分別降低了7.4%、14.2%和24.6%。綜上可知，城市地鐵隧道上方存在古建筑物能明顯減小地表最大沉降值，但地表沉降槽寬度也相應(yīng)增加，因此施工過(guò)程中若盾構(gòu)上方存在古建筑物，應(yīng)進(jìn)行特殊考慮。

4 結(jié)論

主要采用大型有限元軟件ABAQUS軟件模擬城市地鐵盾構(gòu)隧道開(kāi)挖誘發(fā)古建筑物地表沉降規(guī)律，并針對(duì)開(kāi)挖推進(jìn)距離、開(kāi)挖面支護(hù)以及地表建筑物剛度條件對(duì)古建筑物地表沉降影響進(jìn)行了詳細(xì)分析，得到以下結(jié)論：

a.拱頂沉降、上測(cè)點(diǎn)周邊收斂位移和下測(cè)點(diǎn)周邊收斂位移，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分別比數(shù)值模擬數(shù)據(jù)大5.41%、13.21%和10.15%，這與現(xiàn)場(chǎng)施工條件比數(shù)值模擬更為復(fù)雜有關(guān)，且現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬數(shù)據(jù)相差最大不超過(guò)15%，故結(jié)果是合理的，也說(shuō)明數(shù)值模擬比較可靠。

b.增大盾構(gòu)推進(jìn)距離會(huì)加大古建筑物地表最大沉降值，但是增大幅度有限，當(dāng)推進(jìn)距離增大為原來(lái)的3倍時(shí)，古建筑物地表最大沉降增大幅度低于10%；增大盾構(gòu)開(kāi)挖面支護(hù)力會(huì)明顯減小古建筑物地表最大沉降值，因此施工過(guò)程中可以適當(dāng)采取增大開(kāi)挖面支護(hù)力的方法來(lái)減小古建筑物的沉降。

c.盾構(gòu)上方地表存在古建筑物能明顯減小地表最大沉降值，但地表沉降槽寬度也相應(yīng)增加，因此施工過(guò)程中若盾構(gòu)上方存在古建筑物，應(yīng)進(jìn)行特殊考慮。