吳占瑞，漆泰岳，李 斌

(西南交通大學土木工程學院，四川成都 610031)

盾構(gòu)擴挖地鐵車站對鄰近建筑物影響分析

吳占瑞，漆泰岳，李 斌

(西南交通大學土木工程學院，四川成都 610031)

廣州地鐵六號線東山口站采用盾構(gòu)擴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行施工的難題。結(jié)合盾構(gòu)擴挖法施工，研究了施工中對周圍鄰近建筑物的影響，采用有限差分軟件FLAC3D對地層與建筑物的相互作用進行三維數(shù)值模擬分析。分析結(jié)果表明，在擴挖階段，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)力變化趨勢不同，應加強重點構(gòu)筑物的監(jiān)測，以防基礎(chǔ)沉降差過大造成框架結(jié)構(gòu)的破壞。

盾構(gòu)擴挖 鄰近建筑物 地鐵車站 沉降監(jiān)測

城市地鐵通常要在復雜條件下修建，隨著城市地鐵線網(wǎng)增加，城市地鐵的修建條件將會越來越復雜，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)擴挖工法可以解決上述難題。

目前國際上盾構(gòu)擴挖施工常用的擴挖工法有兩種：擴徑盾構(gòu)法和在盾構(gòu)隧道基礎(chǔ)上采用傳統(tǒng)方法擴挖。擴徑盾構(gòu)施工法是在原有盾構(gòu)隧道上的部分區(qū)間進行直徑擴展，以滿足修建地鐵車站和安裝其他設(shè)備之需要，我國目前應用此種工法的條件還不成熟。我國現(xiàn)階段采用盾構(gòu)擴挖法修建地鐵車站宜在盾構(gòu)施工完成后采用傳統(tǒng)方法進行擴挖，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)方式即礦山法進行擴挖，這樣不僅可大幅縮短盾構(gòu)的停機等待時間，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)一次掘進效率。

1 盾構(gòu)擴挖施工法對建筑物的影響分析

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

本模型旨在分析地鐵盾構(gòu)擴挖施工對二輕工業(yè)集團綜合樓的影響，從而找出對建筑物的影響規(guī)律，對樓體安全性進行可靠預測。

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。在模擬計算中，初期支護采用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。土體采用實體單元模擬，土體的本構(gòu)模型采用摩爾—庫倫模型;襯砌采用實體彈性殼體單元，模擬材料性質(zhì)為鋼筋混凝土。

根據(jù)工程實際要求只對左線隧道進行模擬分析。研究斷面在計算時，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)推進部分和擴挖部分，擴挖部分采用臺階法開挖，上下臺階長度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)推進及上下臺階開挖輪廓圖如圖3所示。圖3中，P1為上臺階開挖輪廓;P2為下臺階開挖輪廓;P3為盾構(gòu)推進區(qū)域;P4為大管棚影響區(qū)域;P5為小導管注漿影響區(qū)域。

圖2 隧道模型及鄰近建筑物立面

圖3 盾構(gòu)推進及上下臺階開挖輪廓

2 地面建筑物受力和移動特征

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)的實際概況，利用FLAC3D對其內(nèi)力進行模擬計算，分析在隧道盾構(gòu)推進和擴挖兩個不同階段在不同開挖距離的變化趨勢，模擬計算出來的軸力數(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)推進和擴挖兩個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，之后趨勢線趨于平緩。在擴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，軸力線向下有相對較陡的發(fā)展，表現(xiàn)為受壓作用，之后隨著擴挖距離的進一步加大，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)邊柱擴挖距離加大，對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分別和邊柱的底層和頂層的變化趨勢近于相反狀態(tài)，從而也說明了柱之間軸力的相互分配原則。

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

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狀態(tài)，剪力表現(xiàn)為隨開挖的推進減小，表現(xiàn)為卸載，之后在推進到該樓板梁所在柱下方附近時，該樓板梁的剪力有增大趨勢，隨著盾構(gòu)推進逐漸遠去，該樓板梁所受剪力稍有回彈呈減小趨勢;在擴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，之后隨著擴挖逐漸遠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，表現(xiàn)為隨開挖的推進彎矩增大，呈加載狀態(tài);隨著盾構(gòu)逐漸推進，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);從擴挖階段開始之后到擴挖至該樓板梁所在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，表現(xiàn)為加載狀態(tài)，之后隨著擴挖逐漸遠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挖階段，底層樓板梁所受剪力和彎矩要遠大于頂層樓板梁所受的力。說明擴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，一般來說，地表一定量的均勻下沉對建筑物的穩(wěn)定性和使用條件并不會產(chǎn)生太大的危害，而地層的不均勻沉降可能對建筑物產(chǎn)生較大危害。基礎(chǔ)是埋于地層中的結(jié)構(gòu)，因此應首先考慮基礎(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，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)底部兩端和中部的位置。所選取的這三根樁基礎(chǔ)作為典型可以很好地反應框架結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)沉降情況。

圖10 A 排21號樁沉降曲線

圖11 B 排11號樁沉降曲線

圖12 C 排1號樁沉降曲線

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，A排21號樁基礎(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，當開挖達到15 m時，21號樁的沉降放緩，說明此后開挖對21號樁基礎(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，開始對該段區(qū)間隧道進行上下臺階法擴挖。由擴挖段的樁基礎(chǔ)沉降曲線可知，在盾構(gòu)基礎(chǔ)上對隧道區(qū)間進行擴挖，對樁基礎(chǔ)的影響速率顯然比盾構(gòu)階段要大，在擴挖到20 m之后，擴挖沉降曲線開始放緩，說明隨著開挖逐漸遠離該21號樁基礎(chǔ)，隧道開挖對該基礎(chǔ)影響減小。A排21號樁基礎(chǔ)盾構(gòu)階段沉降值為－2.42 mm，擴挖階段也即最終沉降值為－7.38 mm。

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

C排1號樁位于開挖初始位置右上方，其沉降變化曲線和11號樁基礎(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號樁要稍有增大。C排1號樁基礎(chǔ)盾構(gòu)階段沉降值為－4.08 mm，擴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、沉降的時間不一，因此伴隨著隧道開挖的推進，相鄰基礎(chǔ)間必然會出現(xiàn)沉降差，為了進一步分析基礎(chǔ)間的沉降差隨隧道開挖的動態(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)間的沉降差是動態(tài)變化的。在隧道盾構(gòu)推進和之后的擴挖兩個階段過程中，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)過擴挖階段之后即左隧道擴挖完畢之后樁基礎(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，應加強對A排樁基礎(chǔ)與B排樁基礎(chǔ)之間結(jié)構(gòu)的監(jiān)測，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

本文對廣州地鐵六號線東山口車站鄰近建筑物省二輕工業(yè)集團六層綜合樓進行綜合研究分析，分析表明：

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

2)隧道鄰近地面建筑物施工時，改變了建筑結(jié)構(gòu)各單元的內(nèi)力，在盾構(gòu)擴挖過程中，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，說明隧道的開挖對結(jié)構(gòu)底層柱產(chǎn)生內(nèi)力影響，應重點監(jiān)測，并且框架結(jié)構(gòu)各個部分的柱和梁的內(nèi)力變化趨勢是不一樣的，要對變化較大的部位根據(jù)其變化趨勢制定相應的保護措施，保證隧道上方樓房的安全。

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

［1］何川，丁建隆，李圍．配合盾構(gòu)法修建地鐵車站的技術(shù)方案［J］．西南交通大學學報，2005，40(3)：293-297．

［2］田憲國．盾構(gòu)隧道掘進對建筑物的影響及其控制技術(shù)研究［J］．鐵道建筑，2010(5)：34-36．

［3］鮑永亮，鄭七振，唐建忠．盾構(gòu)隧道穿越既有建筑物施工技術(shù)［J］．鐵道建筑，2009(4)：52-55．

［4］葛衛(wèi)娜，梁青槐．隧道開挖對周圍建筑物造成的損害及治理措施［J］．華北科技學院學報，2005，2(3)：84-86．

［5］路美麗，劉維寧，孫曉靜．盾構(gòu)法、暗挖法結(jié)合修建地鐵車站在我國的應用前景［J］．都市快軌交通，2004，17(2)：30-33．

［6］李圍．配合盾構(gòu)法修建地鐵車站的方案研究［D］．成都：西南交通大學，2003．

［7］劉建航，侯學淵．盾構(gòu)法隧道［M］．北京：中國鐵道出版社，1991．

［8］中華人民共和國建設(shè)部．GB 5007—2002 建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范［S］．北京：中國建筑出版社，2002．

［9］龔文惠，李斌．采空區(qū)地表框架結(jié)構(gòu)建筑物的附加內(nèi)力分析［J］．山東科技大學學報，2001，30(1)：48-52．

［10］劉庭金，朱合華．近間距平行泥水盾構(gòu)隧道推進方案三維數(shù)值模擬［J］．鐵道建筑，2008(5)：64-66．

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。

(責任審編 王 紅)