地鐵盾構(gòu)隧道下穿水閘的地表變形控制標準研究

陳 映，李 威，戴躍華

(1.廣東省水利水電技術(shù)中心，廣州 510635;2.廣東粵源工程咨詢有限公司，廣州 510635)

1 概述

隨著我國城市化進程的高速發(fā)展，城市人口急劇增加，城市規(guī)模不斷擴大，城市交通擁擠問題逐漸凸顯。城市地鐵作為現(xiàn)代化的公共交通工具，能充分利用城市地下空間來緩解城市交通壓力，具有安全、迅捷、容量大、能耗低等優(yōu)點，受到了人們的普遍青睞。當前，我國城市地鐵建設(shè)呈加速趨勢。盾構(gòu)法是利用盾構(gòu)機在地面以下暗挖隧道的施工方法，具有地面作業(yè)少、適宜建造深埋隧道、對周圍環(huán)境影響小、自動化程度高、勞動強度低、施工速度快等優(yōu)點，是城市地鐵隧道建設(shè)的首選施工方法。

隨著地鐵盾構(gòu)隧道的大規(guī)模建設(shè)，難免出現(xiàn)地鐵盾構(gòu)隧道下穿地面基礎(chǔ)設(shè)施的情況。由于地鐵盾構(gòu)隧道施工是在巖土體內(nèi)部進行的，盾構(gòu)掘進過程中不可避免會擾動巖土體，破壞了原有的平衡狀態(tài)，進而引起地表沉降和變形，危及地面基礎(chǔ)設(shè)施的安全。減少地鐵盾構(gòu)施工對周圍土層的擾動，將其對地面基礎(chǔ)設(shè)施安全的影響控制在允許范圍內(nèi)，是地鐵盾構(gòu)隧道建設(shè)者們一直所關(guān)注的問題[1-5]。

目前盾構(gòu)隧道施工對地表變形及建筑物影響的研究方法主要有經(jīng)驗法、模型試驗法、現(xiàn)場實測法、數(shù)值計算法等[6-8],為保證盾構(gòu)隧道施工引起的地表沉降在合理范圍內(nèi)，許多研究人員對地鐵盾構(gòu)隧道下穿引起地面沉降的控制標準進行了研究，被下穿的基礎(chǔ)設(shè)施包括機場跑道[9-10]、歷史建筑[11-12]、地下管線[13-14]、道路橋梁[15-16]、風景區(qū)[17]等，但針對地鐵盾構(gòu)隧道下穿水閘的研究較為缺乏。

對于地鐵盾構(gòu)隧道下穿水閘而言，一旦水閘失事會危及公眾的防洪、排澇安全，造成極大的社會影響。為此，本文結(jié)合某地鐵隧道下穿某水閘的實際工程，對地鐵盾構(gòu)隧道下穿水閘的地表變形控制標準進行探討研究。

2 盾構(gòu)下穿引起水閘破壞的形式

盾構(gòu)下穿施工時，地面水閘產(chǎn)生破壞的主要原因是地表變形帶動水閘產(chǎn)生了附加的變形，當水工結(jié)構(gòu)應(yīng)力超過其強度時發(fā)生破壞。根據(jù)地表變形的不同，地面水閘破壞的主要形式包括整體沉降、傾斜破壞、曲率破壞、水平變形引起的破壞等。

1) 整體沉降

若盾構(gòu)下穿施工引起的地表變形為整體沉降，則水閘結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)不會改變，只是相對沒沉降前的水閘產(chǎn)生了一定的豎向位移量，因此整體均勻沉降對水閘的影響較小。但是，實際工程中仍需對水閘的最大沉降量進行嚴格控制，因為過大的沉降量會影響水閘的正常使用功能。此外，過大的沉降量表明水閘地基土層擾動嚴重，影響了地基承載力。

2) 傾斜破壞

一般而言，盾構(gòu)下穿施工引起的地表變形是非均勻的，此時水閘地基的差異沉降會使結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生差異變形和附加應(yīng)力，嚴重時會導致水閘產(chǎn)生破壞。其中，傾斜破壞是最常見的破壞形式。

3) 曲率破壞

盾構(gòu)下穿施工引起的地表變形還可能使水閘產(chǎn)生曲率破壞。當?shù)乇矸蔷鶆虺两禃r會產(chǎn)生負曲率破壞，水閘基礎(chǔ)上部受壓下部受拉，可能會產(chǎn)生正“八”字裂縫；當?shù)乇矸蔷鶆蚵∑饡r會產(chǎn)生正曲率破壞，水閘基礎(chǔ)上部受拉下部受壓，可能會產(chǎn)生倒“八”字裂縫；

4) 水平變形引起的破壞

盾構(gòu)下穿施工引起的水平變形會對使水閘內(nèi)產(chǎn)生較大的附加應(yīng)力。由于水閘混凝土抗拉強度比抗壓強度小得多，因此拉伸變形產(chǎn)生的破壞性要比壓縮變形更大。

3 盾構(gòu)下穿水閘地表變形控制標準研究

3.1 規(guī)范有關(guān)盾構(gòu)隧道下穿引起地表沉降的控制標準

在全國各地大量實際工程案例開展專題研究的基礎(chǔ)上，根據(jù)不同工程監(jiān)測等級的安全控制要求，《城市軌道交通工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范(GB 50911—2013)》[18]確定了不同地面變形監(jiān)測項目的控制值(見表1)。

表1 盾構(gòu)法隧道地面變形監(jiān)測項目控制值

3.2 規(guī)范有關(guān)建筑物的地基變形允許值的標準

《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范(GB 50007—2011)》[19]對建筑物的地基變形允許值進行了規(guī)定。該規(guī)范將地基土分為中、低壓縮性土和高壓縮性土，分別從沉降量和建筑物的整體傾斜兩方面規(guī)定了地基變形允許值。其中，對于沉降量，該規(guī)范針對不同結(jié)構(gòu)做出了不同的規(guī)定，地基允許變形值分布在120～400 mm；對于建筑物傾斜，規(guī)范針對不同結(jié)構(gòu)，給出了因結(jié)構(gòu)高度而異的傾斜允許值，當建筑物高度小于60 m時，傾斜度(兩端點的沉降差與其距離的比值)應(yīng)小于0.003。

《水閘設(shè)計規(guī)范(SL 265—2016)》[20]對地基允許沉降量和沉降差作出了具體規(guī)定，由于水閘基礎(chǔ)尺寸較大，對地基沉降的適應(yīng)性較強，因此在不危及水閘結(jié)構(gòu)安全和不影響水閘正常使用的條件下，一般水閘基礎(chǔ)的最大沉降量達到100～150 mm和最大沉降差達到30～50 mm是允許的。

3.3 工程案例類比分析

規(guī)范一般多從適應(yīng)宏觀分類和滿足基本要求的角度出發(fā)，給出了地表沉降量所應(yīng)當符合的限制值或允許值標準。實際工程的安全評價，可在數(shù)值分析成果的基礎(chǔ)上，依據(jù)規(guī)范規(guī)定作出基本結(jié)論。還可以通過搜集隧道下穿既有結(jié)構(gòu)物工程案例，整理已建工程的巖土體特性、隧道施工方法、隧道斷面尺寸、埋深、地表沉降等數(shù)據(jù)，從工程案例類比的角度進行分析。表2整理了7個國內(nèi)已建隧道工程下穿建筑物等設(shè)施的工程案例。

3.4 盾構(gòu)下穿水閘地表變形控制標準

梳理國內(nèi)相關(guān)規(guī)范，并類比工程案例，可見：① 規(guī)范對隧道下穿施工引起的地表力學響應(yīng)，主要以“沉降值(含地表隆起)”和“傾斜度(或稱沉降差)”兩個指標進行控制，以確保既有建筑物的安全。② “沉降值”的控制值，與地層巖土類型和保護對象的屬性有關(guān)，在較嚴格的條件下，地表沉降值應(yīng)小于10 mm，對應(yīng)的地表隆起值也應(yīng)小于10 mm。“傾斜度”的控制值，對于高度低于60 m的建筑物，應(yīng)小于0.003。③ 根據(jù)已建工程實例，隧道下穿建筑物時，基于隧道上覆巖土體的不同力學性能，最大地表沉降值一般應(yīng)小于30～70 mm，并且應(yīng)滿足傾斜度的要求，避免建筑物因不均勻沉降帶來的破壞。

綜上分析，可知隧道下穿施工對建筑物的影響因素多，所涉及的控制標準也存在多種方案。如前所述，根據(jù)地表變形的不同，地面水閘破壞的主要形式包括整體沉降、傾斜破壞、曲率破壞、水平變形引起的破壞等。可見，目前的地表變形控制標準還不夠精細化。本文建議以《城市軌道交通工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范(GB 50911—2013)》為主要依據(jù)，根據(jù)水閘的建筑物級別確定表1中的工程監(jiān)測等級(1級建筑物對應(yīng)1級監(jiān)測，2、3級建筑物對應(yīng)2級監(jiān)測，4、5級建筑物對應(yīng)3級監(jiān)測)，進而確定地表沉降和隆起控制標準；對于豎向差異變形，采用兩端點的沉降差與其距離的比值小于0.003的控制標準，以避免出現(xiàn)傾斜破壞和曲率破壞；對于水平差異變形，可參考“傾斜度”控制標準并考慮到混凝土抗拉強度低于抗剪強度，采用兩端點的變形差與其距離的比值小于0.002的控制標準。

表2 隧道下穿既有建筑物的工程案例主要指標統(tǒng)計

4 工程實例分析

4.1 工程概況

某地鐵盾構(gòu)隧道從某水閘內(nèi)河側(cè)穿過(見圖1)，盾構(gòu)隧道與水閘軸線夾角約為62°。水閘為小型單孔水閘，建筑物級別為5級，總凈寬為4.0 m，高為 7.8 m(地鐵隧道下穿水閘的剖面位置關(guān)系見圖2)。隧道頂高程為-26.72 m，與水閘下部鉆孔灌注樁底部高程-13.35 m之間的垂直距離為13.37 m，水平最小距離為35.67 m。場地巖土層分為素填土、淤泥質(zhì)中粗砂、中粗砂、粉質(zhì)黏土、強風化粉砂巖、中風化粉砂巖6層。

4.2 地表變形控制標準制定

本工程水閘為5級建筑物，采用《城市軌道交通工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范(GB 50911—2013)》中的3級監(jiān)測對應(yīng)的地表沉降和隆起控制標準，即最大地表沉降按30 mm控制，最大地表隆起按10 mm控制。對于豎向差異變形，采用兩端點的變形差與其距離的比值小于0.003的控制標準。對于水平差異變形，采用兩端點的變形差與其距離的比值小于0.002的控制標準。

圖1 地鐵隧道下穿新合益水閘的平面位置關(guān)系示意

圖2 地鐵隧道下穿新合益水閘的剖面位置關(guān)系示意

4.3 地表變形計算與分析

采用巖土通用軟件FLAC3D開展數(shù)值計算分析，巖土體采用莫爾-庫侖(Mohr-Coulomb)理想彈塑性模型；襯砌和混凝土板等結(jié)構(gòu)采用線彈性模型。建立的計算模型見圖3，共剖分了130 622個單元和139 565個節(jié)點。

圖3 地鐵盾構(gòu)隧道下穿水閘三維計算網(wǎng)格示意

為計算最不利情形下地表的沉降和隆起，擬定如下兩種計算分析工況：① 隧道貫通工況，分析開挖引起的地表沉降變形；② 隧道下穿施工工況，分析隧道開挖至水閘正下方時盾構(gòu)機土艙壓力引起的地表隆起變形。隧道貫通工況計算出的豎向變形分布見圖4(對應(yīng)圖1中A-A斷面)，隧道的拱頂下沉變形為13.15 mm，對應(yīng)的地表最大沉降為6.16 mm，小于35 mm的沉降控制值。隧道下穿施工工況計算出的豎向變形分布見圖5(對應(yīng)圖1中B-B斷面)，當掌子面土艙壓力為1.0 MPa時，地表最大隆起為0.15 mm，小于10 mm的隆起控制值?？梢?，盾構(gòu)下穿引起的地表整體變形在允許范圍內(nèi)。

隧洞貫通工況的沿垂直隧道方向的豎向及水平向變形分布見圖6。兩端點的豎向變形差與其距離的比值為-1.59×10-4～1.60×10-4，小于0.003的控制標準；兩端點的變形差與其距離的比值為-1.92×10-4～1.82×10-4，小于0.002的控制標準?？梢姡軜?gòu)下穿引起的地表差異變形較小，在水閘結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的附加應(yīng)力相應(yīng)較小，不會引起水閘破壞。

圖4 隧洞貫通工況豎向變形分布示意(單位：mm)

圖5 隧道下穿施工工況豎向變形分布示意(單位：mm)

圖6 沿垂直隧道方向的豎向及水平向變形分布示意(單位：mm)

5 結(jié)語

盾構(gòu)隧道下穿水閘可能會對水閘的安全運行產(chǎn)生影響，危及公眾的防洪、排澇安全，造成極大的社會影響。為將盾構(gòu)隧道下穿水閘的影響控制在合理范圍，對盾構(gòu)下穿引起水閘破壞的形式進行了分析，采用對規(guī)范的梳理、工程案例類比分析相結(jié)合的方法，提出了盾構(gòu)隧道下穿水閘的地表變形控制標準：① 根據(jù)水閘的建筑物級別確定《城市軌道交通工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范(GB 50911—2013)》中的工程監(jiān)測等級，進而確定地表沉降和隆起控制標準；② 對于豎向差異變形，采用兩端點的變形差與其距離的比值小于0.003的控制標準，以避免出現(xiàn)傾斜破壞和曲率破壞；③ 對于水平差異變形，采用兩端點的變形差與其距離的比值小于0.002的控制標準。將提出的盾構(gòu)隧道下穿水閘的地表變形控制標準應(yīng)用于某地鐵下穿某水閘的實際工程，盾構(gòu)隧道下穿過程中水閘的安全運行。