上軟下硬地層下盾構(gòu)近距離穿越房屋影響分析

李曉生,王 建,劉小文

(1.中鐵隧道集團三處有限公司,深圳 518052;2.南昌大學工程建設(shè)學院,南昌 330031)

近年來,盾構(gòu)法成為地鐵施工首要施工方法,但在盾構(gòu)過程中不可避免地要穿越建筑物,如何控制建筑物的沉降及傾斜在一定的安全范圍內(nèi)是必須解決的重大技術(shù)和安全問題。國內(nèi)大量學者對地鐵盾構(gòu)進行了研究,王謙等[1]對盾構(gòu)近距離下穿建筑物進行數(shù)值模擬,研究成果指導施工并保護了建筑物的完整性與安全性;魏綱等[2]基于杭州地鐵1號線某區(qū)間盾構(gòu)隧道下穿建筑物工程實例,對雙線盾構(gòu)隧道施工過程中引起的建筑物和地表沉降進行了現(xiàn)場監(jiān)測,研究了雙線盾構(gòu)隧道掘進施工引起不同位置、不同結(jié)構(gòu)建筑物的沉降規(guī)律。丁智[3]對杭州地鐵1號線打鐵關(guān)站—閘弄口站區(qū)間工程進行了現(xiàn)場實測,研究了盾構(gòu)掘進對土體變形及鄰近不同基礎(chǔ)建筑物的影響。葛世平等[4]結(jié)合上海某地鐵隧道穿越地面既有嚴重傾斜危房的工程實例,計算分析盾構(gòu)穿越引起的施工期沉降、后期固結(jié)沉降及其對房屋的影響。車風等[5]以某地鐵盾構(gòu)隧道穿越建筑物淺基礎(chǔ)的工程項目為背景,采用有限元模擬的方法,分析了隧道下穿淺基礎(chǔ)的偏心比、埋深對淺基礎(chǔ)及地表土體變形的影響規(guī)律。劉歡[6]利用有限差分軟件FLAC3D,分析了盾構(gòu)施工以小凈距側(cè)穿橋樁對既有橋樁的影響;

劉雪嬌、魯茜茜等學者[7-9]對軟土層下地鐵盾構(gòu)的影響性做了研究;閆國棟等學者[10-12]對盾構(gòu)隧道下穿、側(cè)穿建筑物進行變形預測分析;秦學波等學者[13-14]分別對北京地區(qū)與鄭州地區(qū)地鐵盾構(gòu)下穿建筑物風險控制措施進行了研究。

上述研究在一定程度上可以為地鐵盾構(gòu)穿越軟弱地層提供借鑒,但對于南昌地區(qū)上軟下硬地層下雙線盾構(gòu)隧道下穿建筑物的影響研究較少。南昌地鐵軌道交通4號線桃苑站～繩金塔站近距離下穿建筑物,該區(qū)間處于上軟下硬地層,如何控制地表沉降、房屋變形是必須解決的重大技術(shù)和安全問題。

1 工程概況

南昌市軌道交通4號線桃苑站～繩金塔站區(qū)間位于南昌市西湖區(qū),本區(qū)間出繩金塔站明挖區(qū)間后,沿金塔西街(美食街)向西,于海關(guān)橋南側(cè)下穿撫河,過撫河后進入桃苑大街接入桃苑站。據(jù)統(tǒng)計本區(qū)間共下穿建筑物5棟,側(cè)穿12棟建筑物。距離隧道最近的建筑物金塔西街位置見圖1。

圖1 房屋所在地理位置平面示意圖Fig.1 Location plan of the house

金塔西街7#樓距離隧道最近,其為地上2層框架結(jié)構(gòu),基礎(chǔ)為人工挖孔樁,樁徑0.9～1.4 m,樁底標高11.55 m,樁頂標高21.55 m,樁身處于中砂層。左線隧道下穿建筑,建筑物樁底距離隧道最小垂直距離7.05 m;盾構(gòu)區(qū)間隧道拱頂埋深6.29～19.2 m,地鐵盾構(gòu)穿越土層位于粗砂層及中風化泥質(zhì)粉砂巖,屬于上軟下硬地層,如圖2、3所示。

圖3 樁基與隧道關(guān)系剖面Fig.3 Relationship section between pile foundation and tunnel

2 盾構(gòu)下穿建筑物影響性分析

2.1 計算模型

為了減少自然邊界條件對模型的影響,模型的長寬高取60 m×36 m×45 m,X、Y、Z方向見圖4。樁身直徑為0.9 m,每一層取均布荷載20 kPa作用于樁上,兩層小樓荷載為40 kPa,數(shù)值計算模型如圖4所示。垂直面水平向約束、模型底面豎向約束。共劃分36 632個單元。

2.2 計算參數(shù)

采用plaxis 3D軟件進行模擬計算中土體采取彈塑性模型,樁采用樁單元,管片采用板單元,具體的土層及相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)均結(jié)合勘察報告取值,如表1。

圖4 計算模型圖Fig.4 Calculation model diagram

表1 土層及相關(guān)結(jié)構(gòu)材料參數(shù)Table 1 Parameters of soil layer and related structural materials

2.3 盾構(gòu)施工模擬

根據(jù)區(qū)間工程巖土工程勘察報告提供的地質(zhì)情況及隧道埋深等情況,進行理論計算切口平衡壓力;正面平衡土壓力公式p=k0×γ×h,其中:p為平衡壓力;γ為土體的平均重度;h為隧道埋深;k0為土的側(cè)向靜止土壓力系數(shù),隧道穿越粗砂層(,砂層容重約為20.5 kN·m-3,地層靜止側(cè)壓力系數(shù)取值k0=0.38,h取20.5 m,土壓力p=k0γh=160 kPa。

分析三種盾構(gòu)順序?qū)ㄖ镉绊?。方案一為先進行右線隧道施工,待右線隧道施工完畢之后再進行左線隧道施工;方案二為先進行左線隧道施工,再進行右線隧道施工;方案三為雙線同時盾構(gòu)施工。

單側(cè)隧道分為30個開挖步數(shù),每一個開挖步驟為管片長度1.2 m,共36 m,雙側(cè)隧道開挖步數(shù)共60個。首次經(jīng)過樁基的盾構(gòu)步數(shù)為15步。

樁基與隧道的位置關(guān)系如圖5所示。

2.4 模擬結(jié)果分析

不同盾構(gòu)順序下的沉降云圖如圖6、7、8所示,可以看出沉降云圖均呈兩個“漏斗狀”。三個方案沉降發(fā)生的最大值均在拱頂處,方案一、二、三的拱頂處沉降最大值分別為0.81、0.86及0.94 mm,方案三拱頂處沉降最大。

圖5 樁基與隧道位置關(guān)系圖Fig.5 Layout diagram of house observation points

圖6 方案一沉降分布云圖Fig.6 Cloud map of settlement aistributim in scheme Ⅰ

圖7 方案二沉降分布云圖Fig.7 Cloud map of settlement distribution in scheme Ⅱ

圖8 方案三沉降分布云圖Fig.8 Cloud map of settlement distribution in scheme Ⅲ

圖9為不同方案下最終地表沉降,從圖9可以看出三個方案對地表沉降影響范圍略有不同,沉降影響范圍為兩隧道中心兩側(cè)范圍大約15、18及20 m左右。方案一地表沉降最大點在隧道中軸線右側(cè)。其值為-0.41 mm;方案二地表沉降最大點在隧道中軸左側(cè),其值為-0.32 mm;方案三地表沉降最大點在隧道中軸處,其值為-0.52 mm?？梢钥闯龇桨敢粚ψ髠?cè)地表沉降影響最小。

圖9 不同方案的地表沉降Fig.9 Surface subsidence of different schemes

隧道盾構(gòu)過程地表最大沉降如圖10所示,可以看出隨著隧道不斷開挖,地表沉降不斷發(fā)展,最終方案一地表最大沉降為0.49 mm;方案二地表最大沉降為0.73 mm;方案三地表最大沉降為0.98 mm。

圖10 地表最大沉降Fig.10 Maximum surface settlement

1#樁距離盾構(gòu)隧道最近,盾構(gòu)對1#樁影響最大。圖11為盾構(gòu)對1#樁沉降影響曲線。

圖11 盾構(gòu)對1#樁沉降影響Fig.11 Influence of shield on settlement of 1# pile

從圖11可以看出,隨著盾構(gòu)開挖面距離樁基距離越近,對樁影響就越大;當盾構(gòu)開挖面距離樁5 m時,盾構(gòu)對樁沉降影響較大;開挖面出樁5 m后,樁沉降速率減小,沉降逐漸趨于穩(wěn)定。方案一、二、三樁基沉降最大值分別為0.60、0.75、0.82 mm。沉降量均不大。

通過對三個不同施工方案的模擬,并將其結(jié)果進行對比,可以看出方案一對房屋樁基影響最小及地表沉降影響最小,所以實際施工中采取方案一進行。

圖12為方案一模擬值與實際監(jiān)測的數(shù)據(jù)對比圖。可以看出數(shù)值計算結(jié)果與實測結(jié)果規(guī)律相同,模擬得到樁沉降為0.60 mm,實際沉降結(jié)果為0.78 mm,兩者較接近。

圖12 1#樁基沉降對比Fig.12 1# Comparison of pile foundation settlement

圖13為方案一地表最大沉降計算結(jié)果與實測對比圖?？梢钥闯鲭S著盾構(gòu)的進行,地表最大沉降不斷發(fā)展。計算地表最大沉降為0.49 mm,實際監(jiān)測沉降結(jié)果為0.63 mm,兩者亦較接近。

圖13 地表最大沉降Fig.13 Maximum surface settlement

無論從房屋樁基沉降還是地表沉降的角度看,計算結(jié)果與實測結(jié)果較接近,說明數(shù)值模擬方法正確,也說明采用方案一盾構(gòu)方案對地表沉降及樁沉降影響最小。

2.5 盾構(gòu)施工參數(shù)影響分析

1)開挖速度的影響

圖14為不同開挖速度下建筑物樁基沉降。隨著開挖速度的增大,建筑物的樁基沉降會減少;這是因為開挖速度越快,土層固結(jié)時間就越短,使得樁基沉降隨之減小。但開挖速度增至4環(huán)/d后,開挖速度對樁端沉降的影響逐漸減小。

圖14 開挖速度對樁基的影響Fig.14 Influence of excavation speed on pile foundation

2)掌子面壓力的影響

圖15為不同掌子面壓力下樁基沉降。可以看出隨著掌子面壓力的增大,樁基的沉降不斷增大,掌子面壓力為160 kPa,樁基沉降為0.60 mm;當掌子面壓力增大到240 kPa時,樁基沉降為0.78 mm;當掌子面壓力為320 kPa時,樁基沉降為1 mm。這是因為掌子面的壓力越大,對土體的擾動越大,沉降就會增大。合理選取掌子面的壓力對樁沉降影響非常重要。

圖15 掌子面壓力對樁基的影響Fig.15 Influence of tunnel face pressure on pile foundation

3)盾構(gòu)隧道與樁端位置關(guān)系影響

為分析盾構(gòu)隧道與樁位置關(guān)系對地表沉降影響規(guī)律,選取了左側(cè)隧道頂與1#樁端不同距離及左側(cè)隧道與1#樁之間不同的水平距離進行分析。圖16為盾構(gòu)隧道與樁端不同位置關(guān)系下地表最大沉降曲線。從圖可以看出,隨著樁與隧道最近水平與垂直距離增大,地表沉降逐漸減小,這是因為開挖面距離房屋越遠,對房屋的影響性就越小。當左側(cè)隧道頂與1#樁端垂直距離超過7 m,隧道與1#樁之間水平距離的大小對1#樁沉降影響較小。

圖16 開挖面位置對建筑物的影響Fig.16 Influence of excavation face position on buildings

3 結(jié)論

1)通過對雙線盾構(gòu)隧道不同施工順序模擬得出先進行左線盾構(gòu)施工,再進行右線施工對地表沉降、建筑物樁基沉降影響最小。模擬結(jié)果與實測結(jié)果較吻合,盾構(gòu)施工對建筑物影響很小,施工順序合理。

2)盾構(gòu)施工時,當盾構(gòu)開挖面距離樁5 m時,盾構(gòu)對樁沉降影響較大;開挖面出樁5m后,樁沉降速率減小,沉降逐漸趨于穩(wěn)定。

3)盾構(gòu)開挖施工速度越快,土體的固結(jié)時間越少,開挖速度增至4環(huán)/d后,開挖速度對樁端沉降的影響逐漸減小;掌子面壓力越大,對土體的擾動越大,建筑物樁基沉降越大,采用側(cè)向靜止土壓力系數(shù)計算掌子面壓力合理可行;盾構(gòu)開挖面與建筑物水平及垂直距離越大,地表最終沉降越小,當開挖面與建筑物樁基最近垂直距離超過7 m時,開挖面與建筑物的水平距離大小對樁沉降影響較小。