雷江松

(深圳市地鐵集團有限公司,深圳 518026)

城市地鐵修建過程中往往需要穿過城市商業(yè)區(qū)或居民住宅區(qū)。然而這些區(qū)域因建筑物密集、施工場地狹小、地質(zhì)情況復(fù)雜、地下管網(wǎng)密布、交通繁忙，對施工的控制要求更為嚴(yán)格[1]。地鐵作為關(guān)乎民生的重點工程，必須在各方各面精心設(shè)計、精確施工[2]。

地鐵重疊隧道施工過程中由于上下重疊隧道施工力學(xué)行為復(fù)雜，對周圍環(huán)境的影響較大[3-6]。其中重疊隧道下穿建筑物時，若不能精準(zhǔn)控制盾構(gòu)掘進(jìn)過程，將導(dǎo)致建筑物產(chǎn)生較大的變形及沉降，影響建筑物的安全。

孫曦源等以北京地鐵下穿砌體結(jié)構(gòu)建筑物為工程案例，提出了地鐵下穿建筑物引起建筑為基礎(chǔ)沉降的規(guī)律[7]。張?zhí)烀鞲鶕?jù)深圳地鐵2號線2222標(biāo)盾構(gòu)機下穿翠海幼兒園及景煜小學(xué)的工程實例，對盾構(gòu)下穿建筑物掘進(jìn)參數(shù)給出了建議[8]。夏元友等對漢口火車站區(qū)間盾構(gòu)隧道與樁基互相接近時的施工力學(xué)行為進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了盾構(gòu)隧道施工對群樁及群樁上部地表的影響，對盾構(gòu)施工控制提出了建議[9]。李進(jìn)軍等采用簡化分析方法和位移控制有限元方法，對單隧道工況和多隧道工況下盾構(gòu)穿越對PHC管樁樁基礎(chǔ)的影響進(jìn)行分析，提出減小盾構(gòu)隧道對樁基礎(chǔ)影響的相關(guān)工程設(shè)計措施[10]。張頂立等以首次采用大直徑(φ10.22 m)土壓平衡盾構(gòu)穿越建筑物的北京地鐵14號線為例，研究地表及建筑物沉降規(guī)律并提出施工建議對指導(dǎo)地鐵施工很有必要[11]。然而，當(dāng)前對于重疊地鐵下穿建筑物的施工研究相對較少，而且相對于地表地層沉降，對建筑物樁基的控制影響研究也較少。

以某重疊隧道下穿某新建建筑物為研究背景，采用三維有限差分法，對注漿加固前和注漿加固后盾構(gòu)掘進(jìn)(先下洞后上洞)地表沉降和地層沉降及樁基位移進(jìn)行分析，并對實際工程中可能碰到的問題給出了施工建議。

1 工程概況

1.1 工程背景

以某區(qū)間重疊隧道為背景，下穿某大廈，區(qū)間隧道為單線圓形斷面隧道，如圖1、圖2所示。本地鐵工程采用鋼筋混凝土管片襯砌，管片外徑為6 200 mm，內(nèi)徑為5 500 mm，寬度為1 200 mm，厚度為350 mm，混凝土采用C50高強混凝土。該大廈是新建高層建筑，兩層地下室，地下室樁基布置預(yù)留本區(qū)間線路通道；區(qū)間隧道與其關(guān)系為斜下穿，隧道與地下室基礎(chǔ)梁豎向凈距2.13 m，與樁基水平凈距2 m。隧道基底埋深17～30 m(高程-9.747～-3.169 m)。

圖1 區(qū)間隧道下穿某既有建筑物橫斷面(單位：m)

圖2 區(qū)間隧道下穿某既有建筑物縱剖面(單位：m)

由于地鐵區(qū)間需從新建高層建筑物下面穿過，屬于近接重要建構(gòu)筑物施工。根據(jù)工程經(jīng)驗，地面沉降控制標(biāo)準(zhǔn)如下：盾構(gòu)掘進(jìn)時地層損失率應(yīng)≤1‰；已完成的隧道結(jié)構(gòu)沉降控制標(biāo)準(zhǔn)：附加沉降或隆起量≤5 mm；警戒值≤3 mm。

1.2 地質(zhì)概況

區(qū)間沿線場地地貌主要為第四紀(jì)河口相沖海積平原地貌單元。場地地形較為平坦，地面高程5.86～8.04 m(以勘探孔口高程統(tǒng)計)。

按地質(zhì)成因時代及其工程特征分類，區(qū)間場地淺部為厚15～20 m的沖海積砂質(zhì)粉土及粉砂，中上部為厚度10～12 m的淺海相的高壓縮性流塑狀淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，中下部為厚度5～10 m的河流相軟可塑～硬可塑狀灰黃色粉質(zhì)黏土，再下層為古錢塘江河床相性能較好的粉砂、圓礫，底部為白堊系風(fēng)化基巖(砂礫巖)。

2 計算模型

2.1 模型建立

FLAC3D采用三維有限差分法，利用動態(tài)運動方程求解問題，特別適合在求解非線性問題和大變形問題中使用[12]。

根據(jù)上述的地質(zhì)資料及設(shè)計圖紙，模型如圖3所示。圖中x軸為水平橫向，y軸為隧道掘進(jìn)方向，z軸為豎向。模型尺寸充分考慮了邊界效應(yīng)對數(shù)值計算的影響，模型左右邊界到隧道中心線的距離為40 m，沿隧道軸向取120 m，豎向取47.7 m。模型四周和底面為法向位移約束，上表面自由，不進(jìn)行約束[13-14]。

圖3 數(shù)值計算模型

2.2 計算參數(shù)

根據(jù)地質(zhì)勘察報告，將土層分為7層，計算中先用彈性方法模擬在初始地應(yīng)力作用下的土體。表1為各地層基本物理力學(xué)參數(shù)。表2為管片與注漿層物理力學(xué)參數(shù)。

表1 土體基本物理力學(xué)參數(shù)

表2 管片及注漿基本物理力學(xué)參數(shù)

2.3 盾構(gòu)掘進(jìn)模擬

盾構(gòu)隧道施工主要分為4個階段(開挖掘進(jìn)、盾尾注漿、盾尾脫開、固結(jié)沉降)。整個過程可以簡略地用圖4和圖5表示。

圖4 盾構(gòu)掘進(jìn)模擬示意

圖5 盾構(gòu)掘進(jìn)注漿示意

假定盾構(gòu)隧道為一步一步跳躍式掘進(jìn)，每次掘進(jìn)距離為1環(huán)管片的寬度(1.2 m)，土體采用實體單元(solid)進(jìn)行模擬，管片采用殼單元(shell)模擬。

盾構(gòu)開挖過程的模擬順序為：首先進(jìn)行初始地應(yīng)力場分析，即在自重作用下完成固結(jié)沉降。然后進(jìn)行初始位移場清零，研究盾構(gòu)施工的影響。盾構(gòu)施工過程為開挖隧道輪廓范圍內(nèi)土體，施加掌子面盾構(gòu)頂推力，進(jìn)行管片結(jié)構(gòu)支護，注漿。在前一步開挖支護完成后，再進(jìn)行下一環(huán)開挖支護。重疊隧道上下線的施工順序為先進(jìn)行下洞隧道施工，待下洞隧道施工完畢后，再進(jìn)行上洞隧道施工。

2.4 數(shù)據(jù)提取點的布置

為了反映盾構(gòu)掘進(jìn)對下穿建筑物的影響，監(jiān)測了地下室底板的變形、承臺的沉降和樁基的側(cè)移。監(jiān)測斷面定為y=60 m處，即隧道長度一半的位置。監(jiān)測地下室底板變形時，在底板的頂部，共布置58個數(shù)據(jù)提取點，監(jiān)測承臺時，選擇監(jiān)測位置為模型z=16.32 m處(承臺的頂部)，布置了8個數(shù)據(jù)提取點。提取樁基位移時，選擇提取位置為模型z=-3.067，0，3.067，6.133，9.2，12.267 m處，隧道縱向每排樁的z位置均布置數(shù)據(jù)提取點。具體布置如圖6所示。

圖6 監(jiān)控點布置

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

圖7顯示非加固情況下盾構(gòu)掘進(jìn)至60 m處時，建筑物地下室底板沉降結(jié)果。

圖7 未注漿加固條件下盾構(gòu)掘進(jìn)(下洞)引起地下室底板沉降三維示意

由圖7可以看出，下洞隧道在掘進(jìn)過程中，由于開挖擾動的影響，可以定性地看出地下室底板產(chǎn)生了較為明顯的地層沉降，且左右兩側(cè)地表沉降呈對稱分布，沉降基本相同。

為定量分析盾構(gòu)掘進(jìn)對地下室底板擾動的影響，分別監(jiān)測了盾構(gòu)掘進(jìn)下洞上洞完成后，y=60 m(中間斷面)處地下室底板沉降的情況，如圖8所示。

圖8 未注漿加固條件下盾構(gòu)掘進(jìn)引起地下室底板沉降

從圖8可以看出，隧道掘進(jìn)后，地下室底板發(fā)生了明顯的沉降。沉降曲線呈對稱凹形分布。由于區(qū)間近接建筑物樁基施工，盾構(gòu)在掘進(jìn)過程中一般采用微欠壓的掘進(jìn)模式，因而下洞隧道在掘進(jìn)過程中地層位變很大，最大沉降達(dá)到117 mm。且從沉降槽的分布形態(tài)可以看出，在沉降最大的區(qū)域，處于不同埋深處地層的沉降值基本相同，這主要是由于隧道上方有樁基承臺支承。

從上面的分析可以看出，若不對地層進(jìn)行注漿加固而直接進(jìn)行盾構(gòu)掘進(jìn)，開挖擾動大，地層變形難以控制，建筑物及施工安全難以保證，因此，考慮采用預(yù)留注漿孔對樁基承臺中間土體進(jìn)行加固后再開挖的施工方法。該作業(yè)模式下，地下室底板沉降分布如圖9所示。圖9定量分析了對樁基間地層進(jìn)行注漿加固后進(jìn)行盾構(gòu)掘進(jìn)對地下室底板擾動的影響，分別監(jiān)測了盾構(gòu)掘進(jìn)下洞上洞完成后，y=60 m(中間斷面)處地下室底板沉降的情況?？梢钥闯觯{加固后地下室底板沉降發(fā)生了大幅度降低。由于加固后土體的工程性質(zhì)得以改善，沉降得到了很好控制。沉降曲線呈對稱分布的凹槽形，最大沉降發(fā)生在隧道正上方，量值為5.6 mm，遠(yuǎn)小于沉降監(jiān)測預(yù)警值20 mm，說明注漿加固后進(jìn)行隧道掘進(jìn)，開挖擾動對地層沉降的影響較小。因而，從控制地層的角度，采用注漿加固措施進(jìn)行地層處理后掘進(jìn)，施工風(fēng)險可靠，施工安全。

圖9 注漿加固條件下盾構(gòu)掘進(jìn)引起地下室底板沉降

圖10和圖11定量分析了注漿加固條件下盾構(gòu)掘進(jìn)對承臺的影響。承臺沉降主要是由于開挖卸荷后地層的沉降。施工后應(yīng)該嚴(yán)格控制開挖后承臺的沉降。

圖10為隧道掘進(jìn)過程中水平相鄰承臺的差異沉降，由于模型左右對稱，可以取一半進(jìn)行提取，所提取點的位置在模型y=60 m處斷面，分別為x=-10，-8，-6，-5，-4，-3，-2，0 m。在隧道未掘進(jìn)前，承臺沉降為0，隨著掘進(jìn)至20 m，承臺開始沉降。最開始沉降速率較快，掘進(jìn)至60 m后，逐漸放緩，最后呈水平趨勢。承臺水平方向最大差異沉降為掘進(jìn)至90 m處，約為2.5 mm，未超過臨界值[15]。

圖10 隧道掘進(jìn)過程中水平相鄰承臺差異沉降

圖11為隧道掘進(jìn)過程中縱向相鄰承臺的差異沉降，分別取y=40 m處和y=60 m處承臺進(jìn)行監(jiān)控，沉降曲線趨勢與之前敘述相同?？v向最大差異沉降約為0.5 mm，符合要求。

圖11 隧道掘進(jìn)過程中縱向相鄰承臺差異沉降

圖12為下洞隧道掘進(jìn)完畢后監(jiān)測斷面商貿(mào)大廈的樁基側(cè)移。

圖12 盾構(gòu)掘進(jìn)(下洞)引起樁基水平位移

從圖12可以看出，下洞隧道掘進(jìn)后，右側(cè)樁基向隧道內(nèi)變形。由于隧道施工的部位靠近樁基頂部，所以，靠近樁頂處樁基側(cè)移最大，最大水平側(cè)移達(dá)到1.75 mm。隧道洞周附近樁基由于受到盾構(gòu)掘進(jìn)擠壓的影響，發(fā)生向外的膨脹變形，最大變形量為0.25 mm，在變形允許范圍內(nèi)。

圖13為盾構(gòu)掘進(jìn)(上洞)引起樁基水平位移。

從圖13可以看出，上洞隧道施工完成后，樁基側(cè)移有所增大。增大的原因與上洞隧道施工完成后承臺沉降增大的原因相同，是樁基比較接近上洞隧道。上側(cè)樁基最大位移為1.75 mm，下側(cè)樁基最大側(cè)移為2.6 mm。從樁基水平位移的量值看，量值較小，小于允許值5 mm，施工安全能夠得到保證。

4 結(jié)論及建議

本文通過三維有限元分析，針對隧道下穿商貿(mào)大廈近接樁基施工建立數(shù)值計算模型，對盾構(gòu)掘進(jìn)過程進(jìn)行了模擬。通過分析盾構(gòu)掘進(jìn)過程中地下室底板沉降、承臺差異沉降、樁基變形等數(shù)據(jù)，對比了未注漿和注漿加固條件下施工的安全性。得到如下結(jié)論。

(1)采用本文所述的加固措施后，滿足承臺、樁基變形控制指標(biāo)及地下室底板沉降要求。

(2)從計算結(jié)果看，注漿加固后，地層性質(zhì)得到改善，盾構(gòu)掘進(jìn)過程中地層沉降和建筑物變形均在控制標(biāo)準(zhǔn)以內(nèi)，施工安全能夠得到保證。

(3)隧道洞周附近樁基由于受到盾構(gòu)掘進(jìn)擠壓的影響，發(fā)生向外的膨脹變形，其中由于隧道施工接近樁基頂部，因此樁基頂部側(cè)移最大，工程中應(yīng)該留意樁基的變形。

結(jié)合實際工程中遇到問題提出如下建議。

(1)盡量保證盾構(gòu)機掘進(jìn)面壓力、注漿壓力與地層原始地應(yīng)力相匹配。

(2)確保盾構(gòu)機在掘進(jìn)過程中盡量維持土壓平衡狀態(tài)。

(3)嚴(yán)格控制出土方數(shù)。

(4)采取必要的壓重措施。

(5)上洞隧道掘進(jìn)時在下洞隧道內(nèi)設(shè)置支撐結(jié)構(gòu)。

(6)盡可能加大注漿加固范圍。

(7)采取必要的監(jiān)控量測手段輔助施工。

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