張 磊 李建偉 李永福 曾佳亮

(鐵道第三勘測設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，300251，天津∥第一作者，助理工程師)

隨著城市隧道與地鐵建設(shè)的興起，相應(yīng)的環(huán)境問題也引起了越來越多的關(guān)注。由于隧道施工將不可避免地會對上覆地層產(chǎn)生撓動，地表產(chǎn)生的位移和變形較大時(shí)，往往又會引起地上臨近建筑物、構(gòu)筑物的開裂、沉降、傾斜等問題。由于各種條件的限制，在地鐵區(qū)間局部或全部采用上下重疊隧道的情況將越來越多。但由于施工引起的地層移動并進(jìn)而影響周圍房屋、道路、管線的事故仍時(shí)有發(fā)生。如何控制重疊盾構(gòu)隧道推進(jìn)過程中對已有建筑物的影響，以確保周邊建筑物的安全和新建隧道盾構(gòu)的順利推進(jìn)，這是個(gè)必須進(jìn)行深入細(xì)致研究的重要課題。

1 國內(nèi)外對隧道開挖引起地層變形的研究現(xiàn)狀

國內(nèi)外對隧道開挖引起地層變形的研究方法有很多，如以Peck公式為代表的經(jīng)驗(yàn)公式、工程類比法和數(shù)值計(jì)算法等。

經(jīng)驗(yàn)公式法一般均假定隧道橫向沉降曲線服從高斯分布，縱向服從累積概率曲線，然后用幾個(gè)可量測的參數(shù)來確定其形狀。比較具代表性的有Peck經(jīng)驗(yàn)公式。1969年P(guān)eck在觀測了大量地表沉降實(shí)例并查閱大量工程資料后，利用統(tǒng)計(jì)學(xué)原理對大量實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行推算，提出了地層損失的概念和估計(jì)盾構(gòu)法施工引起地面沉降的經(jīng)驗(yàn)公式。1987年，候?qū)W淵等人結(jié)合上海地區(qū)飽和土和盾構(gòu)施工的特點(diǎn)，采用修正劍橋模型和比奧固結(jié)分析，以及現(xiàn)場的監(jiān)測研究，提出了考慮時(shí)效沉降的Peck修正公式。

數(shù)值解析的方法大都建立在線彈性土體的基礎(chǔ)上，此法以1987年sagaseta所提出的源－匯法(鏡像法)為代表?！霸矗瓍R法”對地面以下某深度處由土體損失引起不可壓縮土體的應(yīng)變場進(jìn)行分析，采用絕對位移作為變量來求解地面以下土體的位移場和應(yīng)力場。2003年，王明年結(jié)合深圳地鐵1號線單洞雙層和重疊段隧道采用摩爾庫倫模型，用FLAC3D數(shù)值模擬軟件模擬埋深為10 m的隧道礦山法施工，劃分出強(qiáng)、弱、無影響三個(gè)分區(qū)。

本文結(jié)合數(shù)值模擬計(jì)算手段對小凈距上下重疊隧道施工引起的地表沉降變形進(jìn)行分析，對各種加固保護(hù)措施進(jìn)行數(shù)值模擬，并提出相應(yīng)的保護(hù)措施和施工建議。

2 數(shù)值模擬

2.1 建模概況

深圳市城市軌道交通7號線工程的農(nóng)林站至車公廟站盾構(gòu)區(qū)間在經(jīng)香蜜湖路后左右線逐漸上下重疊，于DK12+740～DK12+760下穿福田區(qū)衛(wèi)生疾病監(jiān)控大樓，并于DK13+280～DK13+310處下穿香蜜湖立交。盾構(gòu)隧道距周邊建筑物較近，若處理不當(dāng)可能對建(構(gòu))筑物造成一定影響或破壞。

以該區(qū)段實(shí)際情況為依據(jù)建立三維數(shù)值計(jì)算模型(見圖1)，選擇上下隧道完全重疊段作為分析對象。橫向、豎向各取50 m(約8倍盾構(gòu)隧道直徑)，上下重疊隧道的隧道外輪廓最小凈距為12 m。圍巖采用實(shí)體單元，管片采用殼單元，同步注漿和二次注漿通過隨開挖進(jìn)尺逐漸改變圍巖參數(shù)值來實(shí)現(xiàn)。上下重疊隧道所處圍巖地層的參數(shù)見表1。

圖1 上下重疊盾構(gòu)隧道計(jì)算模型圖

表1 上下重疊隧道圍巖物理力學(xué)參數(shù)

2.2 施工過程模擬

結(jié)合盾構(gòu)施工階段的主要特點(diǎn)及施工過程土層的受力，將盾構(gòu)施工過程分為開挖過程、管片拼裝、注漿層凝固及固結(jié)沉降等幾個(gè)階段。開挖采用全斷面形式，開挖進(jìn)尺為管片寬度1.5 m。上下重疊盾構(gòu)隧道的施工過程模擬見圖2所示。

圖2 盾構(gòu)施工模擬示意圖

2.2.1 開挖階段

1)由于盾構(gòu)開挖管片拼裝前的荷載由盾殼承擔(dān)，因此考慮開挖時(shí)地層豎向壓力由大剛度的臨時(shí)殼單元承擔(dān)。模型中設(shè)置一環(huán)的大剛度殼單元，拼裝管片時(shí)再刪除此殼單元，并換上具有管片剛度的支護(hù)殼單元。

2)掌子面土層所受推力F2，以面荷載形式施加，主要平衡掌子面上的土壓力。

3)盾構(gòu)機(jī)環(huán)向土層施加側(cè)向摩阻力F1，模擬盾構(gòu)推進(jìn)過程中土層受到的摩擦力，仍以面荷載形式施加。

4)在開挖掌子面上施加驅(qū)動機(jī)構(gòu)扭矩T1～T3，算其合力矩，并以面荷載形式施加到掌子面上。

5)按照荷載釋放率30%來釋放掌子面上的荷載。

2.2.2 管片支護(hù)階段

1)刪除臨時(shí)支護(hù)shell單元，并換上具有管片剛度的支護(hù)shell單元。

2)刪除作用在掌子面和盾殼周圍的各種荷載。

2.2.3 注漿及凝固階段

1)在所加管片周圍的土層上施加注漿壓力，模擬同步注漿。

2)將盾構(gòu)空隙的注漿層材料屬性值取為較低值，并隨著開挖推進(jìn)，逐漸增加其材料屬性值，模擬注漿硬化過程。

2.2.4 固結(jié)沉降階段

1)停止注漿，刪除注漿壓力。

2)待注漿土層達(dá)到規(guī)定的強(qiáng)度值時(shí)，釋放掌子面上所有荷載，模擬固結(jié)沉降。

3 重疊段地表沉降數(shù)值模擬結(jié)果與分析

3.1 橫向地表位移分析

地表沉降最大值出現(xiàn)在有房屋荷載的中心區(qū)域。施工過程中，地表主要沉降區(qū)域?yàn)殡x隧道中心線對應(yīng)地表點(diǎn)左右15 m范圍內(nèi)的區(qū)域，與無房屋荷載時(shí)相比，沉降槽中間部分?jǐn)U大，而再往外面的區(qū)域略有隆起現(xiàn)象(見圖3)。

圖3 數(shù)值模擬地面沉降等值線圖

從先上洞后下洞施工時(shí)的隧道橫向地表位移看(見圖4)，施工過程中地表主要沉降區(qū)域?yàn)殡x隧道中心線對應(yīng)地表點(diǎn)左右15 m范圍內(nèi)的區(qū)域，再往外面的區(qū)域略有隆起現(xiàn)象。當(dāng)采用先上洞后下洞施工順序時(shí)，上洞施工引起的地表沉降值占其總沉降值的66%、而下洞施工引起的地表沉降值占其總沉降值的34%。對于下洞引起的沉降量，當(dāng)施工到正下方時(shí)下沉占40%左右，穿過后的施工沉降占60%。地表的最大沉降值為26.2 mm。

圖4 先上洞后下洞施工時(shí)地表橫向沉降模擬圖

當(dāng)采用先下洞后上洞施工順序時(shí)，下洞施工引起的地表沉降值占總沉降值的53%，而上洞施工引起的地表沉降值占總沉降值的47%。在此種工況下，由其沉降曲線可知(見圖5)，目標(biāo)面的最大沉降是在盾構(gòu)通過其約15 m后出現(xiàn)的，盾構(gòu)到達(dá)前其沉降量反而減少，到達(dá)時(shí)沉降量開始增加，到盾構(gòu)通過后，沉降量明顯增加。在本工程的地質(zhì)條件下，采用先下洞后上洞施工順序，地表的最大沉降值為25.1 mm。

圖5 先下洞后上洞施工時(shí)地表橫向沉降模擬圖

3.2 縱向地表位移分析

由縱向沉降模擬曲線可知(見圖6～圖8)，上下兩洞施工過程中，地面幾乎沒有隆起值。這說明在房屋荷載作用下，使盾構(gòu)隆起量減少或者不發(fā)生。但從整個(gè)沉降模擬曲線看，盾構(gòu)到達(dá)前其底層仍然有隆起趨勢，到盾構(gòu)通過后，沉降量就明顯增加。因此，盾構(gòu)施工引起的地表沉降可由三部分組成:盾構(gòu)到達(dá)前由于頂推力作用導(dǎo)致地表隆起;盾構(gòu)到達(dá)時(shí)的地表部分下沉;盾構(gòu)通過后的地表主要沉降量。其中第三部分沉降量占總沉降量的60%左右。目標(biāo)地面的最大沉降是發(fā)生在盾構(gòu)通過約20 m后出現(xiàn)的，房屋荷載下的沉降值比沒有房屋荷載時(shí)的沉降值有明顯的增加。

圖6 數(shù)值模擬地層縱向沉降等值線圖

圖7 先上洞后下洞施工時(shí)地表縱向沉降模擬圖

圖8 先下洞后上洞施工時(shí)地表縱向沉降模擬圖

若經(jīng)過預(yù)測，建筑物受到的影響比較嚴(yán)重，則要采取相應(yīng)的處理措施，以保證建筑物的正常安全使用。處理措施一般可分為積極保護(hù)措施和工程措施兩種。

4 施工順序選擇與保護(hù)加固措施

4.1 施工順序的選擇

由上述可知，從總沉降量上看，先下洞后上洞施工要小于先上洞后下洞施工，而且前者二次擾動的影響也小。因此，從地表沉降看，先下洞后上洞施工優(yōu)于先上洞后下洞施工。

從結(jié)構(gòu)內(nèi)力來看，采用先上洞后下洞施工工序時(shí)，最大彎矩發(fā)生在下洞拱頂處，為76.1 kN·m，最大軸力發(fā)生在下洞拱腰處，為－1 072.7 kN(見圖9);采用先下洞后上洞施工工序時(shí)，最大彎矩發(fā)生在下洞拱頂處，為58.6 kN·m，最大軸力發(fā)生在下洞拱腰處，為－992.7 kN(見圖10)。由此可見，結(jié)構(gòu)內(nèi)力方面，先下洞施工優(yōu)于先上洞施工。

圖9 先上洞后下洞施工時(shí)斷面內(nèi)力模擬圖

圖10 先下洞后上洞施工時(shí)斷面內(nèi)力模擬圖

4.2 保護(hù)與加固措施

4.2.1 沉降控制標(biāo)準(zhǔn)

在城市地鐵隧道施工中，一般規(guī)定的允許地面沉降值為30 mm，隆起值為10 mm，地面附加傾斜不得超過1/300。國外(如波蘭、英國、前蘇聯(lián)等國)則根據(jù)實(shí)際工程和試驗(yàn)將房屋損壞評定標(biāo)準(zhǔn)分為3類①視覺損壞，當(dāng)結(jié)構(gòu)物出現(xiàn)大于1/250的偏移時(shí)，視覺上就可以察覺到，該損壞評定標(biāo)準(zhǔn)中的破壞等級為0～2，屬于視覺損壞范圍。②功能損壞，在該損壞評定標(biāo)準(zhǔn)中的破壞等級為3～4，屬于功能破壞。該類破壞往往都是由于土體位移引起的。③穩(wěn)定性損壞，破壞等級為5。

參照國內(nèi)外地表變形房屋破壞等級標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)重疊地鐵隧道段房屋的等級，確定其損壞等級的極限變形值，見表2所示。磚混結(jié)構(gòu)可由局部傾斜控制，即砌體承重結(jié)構(gòu)沿縱墻6～10 m內(nèi)基礎(chǔ)兩點(diǎn)的沉降差Δ與其距離L的比值;框架結(jié)構(gòu)和單層排架結(jié)構(gòu)應(yīng)由相鄰柱基的沉降差Δ控制;多層、高層建筑或高聳結(jié)構(gòu)應(yīng)有傾斜值控制。

根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)建筑物的樁柱基礎(chǔ)埋深9.0 m，相鄰樁基中心距為9 m時(shí)，其最大計(jì)算沉降差值為25.1 mm。而重疊段正上方建筑物基礎(chǔ)的最大沉降差25.1 mm ＞0.002 mm ×9=18 mm。故以此作為房屋的加固標(biāo)準(zhǔn)。由圖3可知，在隧道中心線橫向約12 m(2倍洞徑)范圍內(nèi)有房屋基礎(chǔ)的均應(yīng)采取加固措施。因此，重疊段施工，必須合理優(yōu)化施工掘進(jìn)參數(shù)，同時(shí)選用合理的加固措施。

表2 房屋沉降控制標(biāo)準(zhǔn)

4.2.2 加固措施的數(shù)值模擬

針對兩種主要的加固措施，即對二次注漿和房屋基底注漿采用數(shù)值模擬計(jì)算，其計(jì)算工況見表3。二次注漿可通過改變注漿層材料的強(qiáng)度值來模擬，基底注漿可直接采用提高注漿范圍內(nèi)土層的參數(shù)值來模擬。

表3 計(jì)算工況表

通過模擬計(jì)算可知，三種工況下的地表位移和趨勢幾乎相同，都是先隆后沉，房屋荷載處中心沉降槽的沉降值最大。但是，三種工況下的地表最大沉降量卻不同。由表4可見，通過加固措施后，地表沉隆值明顯減少，盾構(gòu)施工對線路縱向的影響范圍也縮小了。

表4 采取加固措施后的模擬計(jì)算結(jié)果表

通過對加固措施的數(shù)值模擬計(jì)算可知，整個(gè)施工過程中，加固措施使地表沉降值和影響范圍明顯減少，尤其在有房屋荷載處，其縱向下沉數(shù)據(jù)不再有突變。這表明房屋基底注漿對控制地表沉降效果明顯，而二次注漿對控制縱向影響范圍的效果較為顯著。通過采用加固措施后，可保證重疊段隧道范圍內(nèi)的房屋在加固后，其最大沉降差值可減少到6.7 mm＜0.002 L=18 mm，滿足安全要求。

5 結(jié)語

通過三維數(shù)值模擬的計(jì)算分析，并結(jié)合深圳軌道交通7號線工程實(shí)例，對上下重疊盾構(gòu)隧道的地面變形和控制技術(shù)進(jìn)行了研究，可得到以下結(jié)論供參考:

1)從隧道橫向地表位移看，施工過程中地表的主要沉降區(qū)域?yàn)殡x隧道中心線對應(yīng)地表點(diǎn)左右15 m范圍的區(qū)域，再外面的區(qū)域地表略有隆起現(xiàn)象。

2)從隧道縱向地表的位移看，在盾構(gòu)到達(dá)前由于頂推力作用會導(dǎo)致地表隆起，在盾構(gòu)到達(dá)時(shí)地表會發(fā)生部分下沉。目標(biāo)地面的最大沉降是在盾構(gòu)通過約20 m后才出現(xiàn)。

3)從地表沉降量及隧道結(jié)構(gòu)受力上看，先下洞后上洞施工的施工順序均優(yōu)于先上洞后下洞施工順序。

4)房屋基底注漿對控制地表沉降的效果明顯，而二次注漿對控制縱向影響范圍的效果較為顯著。

［1］ 鐵道綜合技術(shù)研究所.鐵道構(gòu)造物等設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)·同解說(シ－ルドトンネル)［M］.日本:丸善株式會社，1997.

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