衛(wèi) 曉 英

(太原市市政工程設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030002)

近年來(lái)城市軌道交通建設(shè)飛速發(fā)展，地鐵建設(shè)的完備程度已經(jīng)成為衡量一個(gè)城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度的重要指標(biāo)[1]。盾構(gòu)法施工地鐵隧道，具備無(wú)需占用地表土體資源、對(duì)地表變形影響小及施工速度快等優(yōu)點(diǎn)，成為了城市軌道交通建設(shè)的一大核心工法。然而，盡管盾構(gòu)法有著諸多優(yōu)點(diǎn)，但是由于城市建筑密度大、地下環(huán)境復(fù)雜，使得盾構(gòu)施工仍然面臨巨大挑戰(zhàn)[2-5]。其中，如何合理分析及控制盾構(gòu)施工對(duì)地表建構(gòu)筑物的影響，正是盾構(gòu)施工過(guò)程中需要克服的一大難題。本文以天津某地鐵隧道施工為背景，借助FLAC3D數(shù)值仿真軟件模擬盾構(gòu)隧道施工過(guò)程，探究了盾構(gòu)下穿對(duì)不同基礎(chǔ)形式建筑物的影響。

1 工程概況

隧道施工采用土壓平衡盾構(gòu)法施工，隧道中心線埋深20 m，內(nèi)直徑為5.4 m，管片厚度0.35 m，管片環(huán)寬1.5 m。隧道規(guī)劃路線上兩次穿行密集建筑群，由于建筑物眾多，本文僅選取最具代表性的兩座建筑物進(jìn)行建模。分別為6層高的建筑物A，基礎(chǔ)形式為條形基礎(chǔ)，距離盾構(gòu)隧道軸線最近處為6.1 m；以及20層高的建筑物B，基礎(chǔ)形式為樁基礎(chǔ)，距離盾構(gòu)隧道軸線最近處同樣為6.1 m。具體的盾構(gòu)隧道及建筑物相對(duì)位置示意圖如圖1所示。

2 數(shù)值模型

2.1 幾何模型

基于以上工程概況，建立如圖2所示的FLAC3D數(shù)值計(jì)算模型。模型尺寸為90 m×90 m×40 m，其中隧道左側(cè)為建筑物A，隧道右側(cè)建筑物B。針對(duì)于建筑物及其基礎(chǔ)形式做以下幾點(diǎn)說(shuō)明：

1)建筑物并未完全按照實(shí)體建筑建模，而是采用一個(gè)厚度為1 m的矩形剛性板代替，對(duì)于層高不同的建筑物而言，通過(guò)不同的荷載進(jìn)行區(qū)分，按照每層荷載20 kN/m2計(jì)算，則建筑物A所需施加荷載為120 kN/m2，建筑物B所需施加荷載為400 kN/m2；2)建筑物A的基礎(chǔ)為條形基礎(chǔ)，采用彈性本構(gòu)的實(shí)體單元模擬，其具體示意圖見(jiàn)圖3；3)建筑物B的基礎(chǔ)為樁基礎(chǔ)，其中承臺(tái)采用彈性本構(gòu)的實(shí)體單元模擬，基礎(chǔ)樁采用樁單元模擬，其示意圖見(jiàn)圖4。

2.2 數(shù)值參數(shù)

本工程土質(zhì)情況自地表向下分別為3 m厚的雜填土，5 m厚的粉質(zhì)黏土，6 m厚的黏土夾粉土，以及13 m厚的粉質(zhì)黏土夾粉土，和其下的粉細(xì)砂層，詳細(xì)的土體參數(shù)總結(jié)于表1中。

2.3 模擬過(guò)程

本文所分析的問(wèn)題為考慮盾構(gòu)穿行對(duì)不同基礎(chǔ)形式建筑物的影響，由于數(shù)值計(jì)算無(wú)法模擬盾構(gòu)施工的連續(xù)推進(jìn)過(guò)程，較為常規(guī)的模擬方法為跳躍式模擬法，即一環(huán)管片為一個(gè)施工步，每步掘進(jìn)過(guò)程中分別施加頂推力、注漿壓力及管片添加，整個(gè)過(guò)程具體描述如下：

1)建立自然土體模型，平衡地應(yīng)力。2)添加建筑物A、建筑物B及其對(duì)應(yīng)的基礎(chǔ)，并計(jì)算至平衡，清零位移場(chǎng)和速度場(chǎng)。3)開始盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程，掘進(jìn)過(guò)程中掌子面推力按照實(shí)際情況取0.3 MPa，注漿壓力取0.25 MPa。推進(jìn)過(guò)程中管片用Shell單元模擬，注漿體用實(shí)體單元模擬，其具體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 巖土體材料參數(shù)表

3 結(jié)果分析

如圖5所示為盾構(gòu)掘進(jìn)至不同位置處沿盾構(gòu)軸線方向的地表沉降曲線，其中建筑物的位置區(qū)間為25 m～65 m之間。對(duì)比三條曲線可以看出，在盾構(gòu)機(jī)未到達(dá)建筑物下時(shí)，沉降曲線與常規(guī)盾構(gòu)隧道施工對(duì)地表沉降影響的規(guī)律較為類似[6,7]，即由掌子面前方到掌子面后方區(qū)域，沉降逐漸增大；然而對(duì)比盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)通過(guò)建筑物后的沉降曲線可以發(fā)現(xiàn)在建筑物區(qū)段沉降明顯大于相鄰區(qū)域。這說(shuō)明建筑物上部荷載的存在會(huì)進(jìn)一步增大盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)地表變形的影響，實(shí)際施工過(guò)程中，為了減小盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)類似地段的影響，可以在掌子面未到達(dá)建筑物下方時(shí)適當(dāng)提高頂推力，以及在通過(guò)建筑物下方時(shí)，適量提高盾尾注漿壓力及注漿量，以減小地表沉降。

如圖6所示盾構(gòu)施工完成后不同斷面的水平沉降曲線，重點(diǎn)對(duì)比建筑物前8 m斷面位置處的沉降曲線與建筑物中心斷面處沉降曲線?？梢园l(fā)現(xiàn)二者在距離隧道軸線左右3 m位置處沉降差異較大，即類似于圖5中現(xiàn)象，建筑物存在的區(qū)域隧道軸線上方的地表沉降會(huì)明顯大于其他區(qū)域。此外，在建筑物覆蓋區(qū)域，其沉降與不存在建筑物區(qū)域類似。上述現(xiàn)象表明，盾構(gòu)隧道下穿既有建筑物對(duì)其沉降的影響主要表現(xiàn)在軸線上方一定范圍內(nèi)，而對(duì)于建筑物本身覆蓋的區(qū)域，由于建筑物本身剛度較大或是基礎(chǔ)的存在，其與沒(méi)有建筑物區(qū)域的差異沉降并非很大。

如圖7所示為盾構(gòu)施工結(jié)束后建筑物的沉降云圖，可以直觀看出，靠近隧道軸線一側(cè)的沉降要明顯大于遠(yuǎn)離軸線側(cè)的沉降。此外，建筑物A的荷載約為建筑物B的3倍多，但是建筑物A的不均勻沉降卻僅比建筑物B的多1 mm左右，這表明盾構(gòu)隧道在下穿建筑物過(guò)程中，荷載大的建筑物并不一定更加危險(xiǎn)，由于高層建筑物其基礎(chǔ)形式更為穩(wěn)定，其對(duì)于盾構(gòu)擾動(dòng)的抵抗能力也大于普通基礎(chǔ)。因此，在分析盾構(gòu)下穿施工對(duì)既有建筑物影響的時(shí)候，要結(jié)合具體的基礎(chǔ)形式及荷載狀態(tài)，綜合分析對(duì)其的影響。

如圖8所示為不同施工步下建筑物的傾斜值曲線，其中盾構(gòu)下穿建筑物的施工步為17步～43步之間?？梢钥闯霎?dāng)掘進(jìn)至建筑物前約10 m位置處時(shí)，建筑物開始出現(xiàn)不均勻沉降；當(dāng)掌子面掘進(jìn)至建筑物下方時(shí)，不均勻沉降增長(zhǎng)速率開始明顯增大；當(dāng)盾構(gòu)機(jī)穿越過(guò)建筑物后，并掘進(jìn)一段距離后，不均勻沉降值則逐漸趨于穩(wěn)定。上述施工現(xiàn)象表明，盾構(gòu)施工過(guò)程中控制建筑物不均勻沉降措施要從掘進(jìn)面距離建筑物約10 m范圍處開始實(shí)行，直至盾構(gòu)機(jī)完全通過(guò)建筑物后一定范圍內(nèi)才可結(jié)束。

如圖9所示為盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中建筑物A基礎(chǔ)樁的不同方向的位移響應(yīng)。數(shù)據(jù)處理分析發(fā)現(xiàn)，距盾構(gòu)軸線最近的基礎(chǔ)樁頂面位移最大，在此僅以該樁為對(duì)象進(jìn)行分析。據(jù)圖9可以看出，樁體垂直于盾構(gòu)軸線方向的水平位移響應(yīng)及豎直方向位移與建筑物不均勻沉降隨掘進(jìn)過(guò)程的發(fā)展變化規(guī)律類似，在此不做贅述。而與隧道軸線方向的位移存在兩個(gè)變化過(guò)程，即通過(guò)建筑物前與通過(guò)建筑物后，其位移剛好相反。對(duì)比三者量級(jí)可以發(fā)現(xiàn)，盾構(gòu)穿行建筑物對(duì)基礎(chǔ)樁豎向位移影響最大，垂直盾構(gòu)軸線的水平向位移次之，與隧道平行方向的水平位移影響最小。

4 結(jié)論

本文基于FLAC3D數(shù)值模擬，探究了盾構(gòu)隧道下穿施工對(duì)不同基礎(chǔ)形式建筑物的影響，主要得到以下結(jié)論：

1)盾構(gòu)下穿建筑物施工過(guò)程中，臨近建筑物區(qū)域的地表縱向沉降明顯大于其他區(qū)域。2)不同建筑物的不均勻沉降量，不僅僅取決于其上部荷載，還應(yīng)綜合考慮其基礎(chǔ)形式及承載力進(jìn)行分析。3)盾構(gòu)施工對(duì)建筑物的影響從掘進(jìn)面距離建筑物10 m左右范圍內(nèi)開始，至掘進(jìn)面離開建筑物10 m左右范圍內(nèi)結(jié)束，相應(yīng)的沉降控制舉措也應(yīng)在這一區(qū)間范圍內(nèi)施行。