李新月

(黔張常鐵路有限責(zé)任公司，湖南 長沙 410000)

隨著我國城市化進(jìn)程的加快以及高速鐵路時(shí)代的到來，越來越多的高鐵車站將設(shè)置在城市核心區(qū)[1]。鐵路往往以隧道形式進(jìn)入市區(qū)，下穿既有建(構(gòu))筑物、地鐵等工程越來越多[2]，下穿施工不可避免地對(duì)周圍建筑物產(chǎn)生擾動(dòng)[3]，新建隧道周圍環(huán)境安全成為重要研究內(nèi)容之一。

數(shù)值模擬是分析隧道施工對(duì)周圍建筑物影響的重要方法[4]。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了大量研究工作。POTTS.D.M[5]、夏軍武[6]、丁智[7]、PECK.R.B[8]、FRANZIUS.J.N[9]、韓煊[10]等通過建立土體和建筑共同作用的力學(xué)模型，分析了盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)周圍建筑的沉降規(guī)律；姜曉婷，路平[11]等結(jié)合天津地鐵2號(hào)線，建立了軟土地區(qū)盾構(gòu)施工與既有建造耦合作用計(jì)算模型，分析了隧道下穿施工對(duì)多層砌體建筑物變形的影響規(guī)律，并與現(xiàn)場實(shí)測資料相比較，驗(yàn)證了模型的適用性。文獻(xiàn)[12-16]采用三維數(shù)值模擬，研究了不同工況下引起的地面建筑沉降規(guī)律。

本文基于廣深港高鐵益田路隧道、深港隧道的建設(shè)管理過程，采用FLAC 3D對(duì)隧道周圍建筑物進(jìn)行建模分析，并結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測，研究了建筑物的變形和沉降規(guī)律，對(duì)加固效果進(jìn)行了分析，以供類似工程參考。

1　工程概況和研究方法

1.1　工程概況

廣深港高鐵福田站由益田路隧道和深港隧道組成。根據(jù)工程條件的不同分別采用礦山法、明挖法及盾構(gòu)法施工，其中下穿深圳市城區(qū)段為單孔雙線隧道，設(shè)計(jì)襯砌外徑12.8 m，長度2 757 m(其中益田路隧道盾構(gòu)段長1 359 m，深港隧道盾構(gòu)段長1 398 m)，主要采用盾構(gòu)法施工是我國第一條穿越花崗巖地層的大直徑復(fù)合泥水平衡盾構(gòu)隧道。

本工程主要沿著城市繁華道路下穿，隧道周邊建筑物密集，兩側(cè)一倍洞徑范圍內(nèi)共分布有40棟建筑物，而且隧道上方的道路兩側(cè)分布大量市政管線。盾構(gòu)于2010年9月開始掘進(jìn)，至2015年6月貫通。盾構(gòu)在掘進(jìn)過程中遇到了地層軟硬差異大、風(fēng)化槽突入、巖石強(qiáng)度高等難題，通過一系列的設(shè)計(jì)與專項(xiàng)研究，確保了城市中心大直徑盾構(gòu)隧道的施工安全。

1.2　工程地質(zhì)

擬建隧道區(qū)域內(nèi)為第四系松散沉積物所覆蓋，下覆基巖以燕山期花崗巖為主，局部為震旦系變質(zhì)砂巖。沿線主要地層包括：人工填土層、沖洪積積層(淤泥質(zhì)粘土層、中砂層等)、粉質(zhì)粘土層、基巖(全～弱風(fēng)化花崗巖，全～弱風(fēng)化變質(zhì)砂巖)，巖土基本參數(shù)如表1所示。

根據(jù)地下水的形成、賦存條件、水力特征及水理性質(zhì)，主要分為第四系松散巖類孔隙水以及燕山期、震旦系基巖裂隙水兩種類型。地下水位埋深在2～3 m左右。

表1　巖土設(shè)計(jì)參數(shù)表

1.3　研究方法

采用FLAC3D數(shù)值計(jì)算軟件進(jìn)行數(shù)值模擬分析。模擬原則及方法如下：

1)考慮地面建筑，建立地上地下3維整體網(wǎng)格?？紤]地面建筑的剛度及等效換算密度。建筑的高度按照荷載等效原則根據(jù)層數(shù)換算。建筑及土體均以實(shí)體單元模擬。

2)計(jì)算模型左右兩側(cè)各取4D，D為盾構(gòu)隧道開挖直徑，隧道底部取2.5 D。模型長度取建筑或者加固范圍前后2.5～3 D。當(dāng)建筑寬度較大時(shí)，邊界適當(dāng)放大。側(cè)面邊界(包括建筑)法向約束位移，底部邊界約束固定，地表面及建筑頂面為自由表面。

3)建筑基礎(chǔ)，樁基考慮樁及承臺(tái)、承臺(tái)梁，以樁結(jié)構(gòu)單元pile和實(shí)體單元模擬。樁頂與承臺(tái)剛接。條形基礎(chǔ)以彈性實(shí)體單元模擬。

4)盾構(gòu)隧道管片以shell殼結(jié)構(gòu)單元模擬，盾尾注漿層以實(shí)體單元模擬，通過分階段改變注漿層參數(shù)來模擬凝固效果。

5)模擬工況：包括隧道開挖、掌子面支護(hù)、盾尾注漿、盾尾脫離。隧道開挖通過挖空單元實(shí)現(xiàn)，掌子面支護(hù)壓力根據(jù)水體靜止側(cè)向壓力取值。管片支護(hù)通過施加緊貼圍巖的shell結(jié)構(gòu)單元實(shí)現(xiàn)。

6)土體本構(gòu)關(guān)系采用摩爾庫倫模型。建筑及基礎(chǔ)(不含樁基)采用彈性模型?；贔LAC3D的局限性以及勘察報(bào)告的提供程度，不考慮全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化及弱風(fēng)化巖的裂隙分布，僅考慮其強(qiáng)度情況。

7)袖閥注漿通過改變注漿范圍內(nèi)土體參數(shù)模擬，鉆孔灌注樁采用樁單元模擬，樁底冠梁采用彈性實(shí)體單元模擬，樁頂與冠梁剛接。

2　大直徑盾構(gòu)施工擾動(dòng)分析

2.1　隧道開挖對(duì)監(jiān)管醫(yī)院的影響

監(jiān)管醫(yī)院位于隧道上方，醫(yī)院為6層磚混結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)為樁基，樁端距離隧道頂部約1 D，間隔土層為全風(fēng)化花崗巖。加固方式為室外斜向袖閥管注漿預(yù)加固。平面、縱剖面及地質(zhì)剖面圖如圖1所示。監(jiān)管醫(yī)院及線路整體模型及細(xì)節(jié)如圖2所示。

2.1.1建筑物沉降規(guī)律

隧道盾構(gòu)施工對(duì)建筑的影響分為3個(gè)階段：抵達(dá)建筑前、通過建筑時(shí)和離開建筑后。對(duì)應(yīng)三個(gè)影響階段選取7個(gè)不同開挖斷面進(jìn)行分析，監(jiān)管醫(yī)院(位于距起點(diǎn)37.8 m至67.1 m)位移變化如圖3所示(圖中單位為mm,棕色箭頭為盾構(gòu)推進(jìn)方向)。

圖1　平面位置關(guān)系及縱、平斷面圖

圖2　監(jiān)管醫(yī)院及線路整體模型

圖3　建筑沉降變化圖

如圖3所示，盾構(gòu)隧道開挖引起監(jiān)管醫(yī)院沉降規(guī)律如下：

1)隨著盾構(gòu)施工的推近，監(jiān)管醫(yī)院沉降值及沉降變形范圍逐漸擴(kuò)大；

2)在盾構(gòu)抵達(dá)建筑物下方前，沉降增加幅度不大，由33 m推進(jìn)至房屋前沿37.8 m最大沉降增幅在0.5 mm；在隧道通過建筑物時(shí)，沉降增幅逐漸增大，從進(jìn)入至脫離，增幅達(dá)2.5 mm以上；在盾構(gòu)離開后，建筑物局部范圍沉降仍有增加，但增幅不大；

3)橫向上，隧道輪廓地面投影范圍內(nèi)建筑沉降較大，隨著遠(yuǎn)離隧道軸線沉降逐漸減小并趨于為0；

由計(jì)算結(jié)果可以看出：

1)建筑物基礎(chǔ)底注漿部預(yù)加固能夠有效減小施工對(duì)地表及建筑物的影響；建筑物結(jié)構(gòu)能夠改變沉降槽形狀，使沉降槽寬度變大，深度變小。

2)隧道盾構(gòu)施工靠近及穿越既有建筑物時(shí)，引起地表沉降及建筑物變形較大，是沉降變形控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)；盾構(gòu)施工通過及遠(yuǎn)離建筑物時(shí)，周圍巖體變形受管片支撐以及土體應(yīng)力調(diào)整至新的平衡，此時(shí)引起的沉降較小，故而建筑位移較小。

3)隧道盾構(gòu)施工下穿既有建筑物的樁基礎(chǔ)會(huì)引起樁端土的松動(dòng)，進(jìn)而引起樁間土及樁體變形，由于材料的不同特性，樁間土的變形大于樁體變形，因此樁體可能產(chǎn)生負(fù)摩擦力。由于建筑物與樁基礎(chǔ)的協(xié)同作用，樁體受力將發(fā)生一定的變化，在沉降變形較大時(shí)樁體可能產(chǎn)生拉應(yīng)力區(qū)，如圖4所示。由此可見，樁基礎(chǔ)底部采取注漿預(yù)加固非常必要。

圖4　隧道開挖初始監(jiān)管醫(yī)院樁基受力及位移對(duì)比圖

2.1.2建筑物角點(diǎn)位移

監(jiān)管醫(yī)院整體呈L型，窄處寬17.3 m，寬處寬45.1 m，總長30 m。設(shè)置5個(gè)監(jiān)測角點(diǎn)，如圖5所示，盾構(gòu)穿越方向及位置如箭頭所示。盾構(gòu)施工穿越數(shù)值模擬結(jié)果如圖6所示，由計(jì)算結(jié)果可以看出：

1)在隧道盾構(gòu)穿越建筑物前，角點(diǎn)位移與掘進(jìn)面位置緊密相關(guān)，距離越近變形越大。隨著掘進(jìn)面的推近，各角點(diǎn)沉降變形逐漸增大且增大幅度開始不同，靠近掘進(jìn)區(qū)的角點(diǎn)增大幅度更大。

圖5　房屋角點(diǎn)位移

圖6　房屋沉降規(guī)律

2)在隧道盾構(gòu)穿越既有建筑物時(shí)，靠近隧道軸線的角點(diǎn)48 664、49 894沉降增幅較大，遠(yuǎn)離軸線角點(diǎn)沉降增幅開始變小并趨緩，最大變形發(fā)生在靠近軸線的角點(diǎn)，其中角點(diǎn)48 664達(dá)到最大沉降5.33 mm。

3)遠(yuǎn)離開挖區(qū)域的角點(diǎn)49 666和49 401受隧道盾構(gòu)施工影響較小，在隧道穿越建筑物時(shí)表現(xiàn)為輕微的隆起。

4)建筑物最大沉降差發(fā)生在角點(diǎn)48 664和49 401之間，達(dá)5.98 mm，傾斜度達(dá)0.000 13，遠(yuǎn)小于控制標(biāo)準(zhǔn)0.004，因此隧道下穿施工能夠保證監(jiān)管醫(yī)院的安全。

2.1.3現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果

48 664號(hào)節(jié)點(diǎn)、49 894號(hào)節(jié)點(diǎn)、49 666號(hào)節(jié)點(diǎn)、49 401號(hào)節(jié)點(diǎn)現(xiàn)場監(jiān)測的最終沉降值分別為4.06 mm、3.61 mm、-0.68 mm、0.7 mm。

48 664和49 401點(diǎn)的差異沉降實(shí)測值為3.36 mm；房屋角點(diǎn)的沉降實(shí)測值略小于理論值，驗(yàn)證了袖閥管注漿加固具有明顯的控制沉降作用。

2.2　隧道開挖對(duì)洞子張老火鍋店的影響

洞子張老火鍋店為14層框架結(jié)構(gòu)，寬17.78 m，長15.2 m，與隧道凈距在2.7～3.7 m。樁基礎(chǔ)形式，樁徑1.4 m，樁長20.2 m。隧道穿越地層為弱風(fēng)化花崗巖，隧道與建筑之間采用Φ1 200×1 400 mm鉆孔灌注樁進(jìn)行隔離保護(hù)，隔離樁樁長32 m，深入隧道中心以下。具體情況如圖7所示。

圖7　洞子張老火鍋店與隧道關(guān)系圖

2.2.1建筑物沉降規(guī)律

盾構(gòu)隧道側(cè)穿洞子張老火鍋店，斷面面積較小。沉降規(guī)律如圖8、圖9、圖10所示。

圖8　隧道開挖至33 m沉降圖

圖9　隧道開挖至41.69 m沉降圖

圖10　隧道開挖至72.2 m沉降圖

由數(shù)值分析結(jié)果可以看出：

1)建筑沉降主要發(fā)生在盾構(gòu)抵達(dá)前和盾構(gòu)通過時(shí)，降幅分別為1.1 mm及1.3 mm，盾構(gòu)通過遠(yuǎn)離后，沉降變形不再發(fā)展，建筑最大沉降僅為2.6 mm。

2)最大沉降位置隨著盾構(gòu)的推進(jìn)往前移動(dòng)，從右下角點(diǎn)轉(zhuǎn)至右上角點(diǎn)，充分說明盾尾離開，管片起作用后，圍巖后續(xù)沉降較小。

3)由于房屋寬度小，均處在沉降范圍內(nèi)，故大部分地方沉降。

分析原因如下：

1)隧道穿越地層為弱風(fēng)化變質(zhì)砂巖地層，洞周圍巖穩(wěn)定性較好。后期變形小。

2)采用鉆孔灌注樁進(jìn)行了隔離，進(jìn)一步縮小了沉降。

2.2.2房屋角點(diǎn)位移

如圖11所示，各角點(diǎn)在盾構(gòu)抵達(dá)前及通過時(shí)位移均表現(xiàn)為沉降，但沉降發(fā)展規(guī)律有所不同，角點(diǎn)29 578處產(chǎn)生的沉降變形值最大，達(dá)2.24 mm，發(fā)生在掌子面位于60 m處，此時(shí)角點(diǎn)29 515發(fā)生沉降變形最小，沉降差為2.1 mm，仍遠(yuǎn)小于規(guī)范限值。

圖11　洞子張老火鍋店房屋角點(diǎn)位移

2.2.3現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果

本建筑物最大累積沉降值為11 mm，遠(yuǎn)大于數(shù)值模擬結(jié)果。主要原因是由于在實(shí)際施工過程中，施工場地難以協(xié)調(diào)，無法施作鉆孔灌注樁隔離樁，進(jìn)而采用了Φ108鋼花管隔離樁替代。由于鋼花管樁直徑限制及其剛度的局限性，引起實(shí)際施工過程中沉降變形過大，從中可以看出，鋼花管隔離樁效果不如鉆孔灌注樁隔離樁。

3　結(jié)論

由數(shù)值模擬和現(xiàn)場實(shí)測資料分析可以得出如下結(jié)論：

1)城市中心大直徑隧道盾構(gòu)施工不可避免地對(duì)周圍環(huán)境產(chǎn)生擾動(dòng)，采取可靠的預(yù)加固措施能夠有效降低施工對(duì)周圍建筑物的影響；

2)當(dāng)隧道下穿既有建筑物，且穿越軟硬不均地層或軟土地層時(shí)，袖閥管注漿加固可以明顯控制沉降變形和不均勻沉降的發(fā)生，經(jīng)過數(shù)值計(jì)算，監(jiān)管醫(yī)院的傾斜達(dá)0.000 13，遠(yuǎn)小于控制標(biāo)準(zhǔn)0.004，處于安全狀態(tài)；

3)當(dāng)隧道側(cè)穿既有建筑物時(shí)，采用隔離樁法將既有建筑物區(qū)與隧道盾構(gòu)施工區(qū)進(jìn)行隔離，可以有效降低隧道下穿施工對(duì)既有建筑物的擾動(dòng)；

4)將既有建筑物與隧道施工區(qū)隔離時(shí)，鉆孔灌注樁隔離比鋼管樁隔離效果更好，隧道穿越洞子張老火鍋店時(shí)，采用灌注樁理論沉降值最大為2.6 mm，施作鋼管樁實(shí)際沉降達(dá)11 mm，遠(yuǎn)大于預(yù)期。

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