何明華

(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 北京 102600)

1 引言

我國(guó)城市建設(shè)發(fā)展步伐加快，以暗挖形式下穿既有構(gòu)筑物的工程逐年增多。解決好隧道下穿既有構(gòu)筑物的沉降問題，將對(duì)市政道路及軌道交通的發(fā)展起到巨大推動(dòng)作用。目前國(guó)內(nèi)地表沉降控制標(biāo)準(zhǔn)最大沉降值一般確定為30 mm，但實(shí)際上，不同環(huán)境條件下的沉降標(biāo)準(zhǔn)值并不一樣。目前國(guó)內(nèi)有關(guān)隧道下穿引起地表沉降的研究方法主要是通過數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)相結(jié)合的方法。如陳星欣[1]等研究了隧道下穿既有結(jié)構(gòu)物引起地表沉降的控制標(biāo)準(zhǔn)；安永林[2]等從地層圍巖穩(wěn)定、經(jīng)驗(yàn)公式和相關(guān)規(guī)范的角度探討隧道無鄰近結(jié)構(gòu)物段的地表沉降控制標(biāo)準(zhǔn)，并以武廣客運(yùn)專線瀏陽河隧道為實(shí)例進(jìn)行驗(yàn)證；張鵬[3]等根據(jù)工程實(shí)例制定了相應(yīng)的路面沉降控制標(biāo)準(zhǔn)；王占生[4]等對(duì)穿越施工的組織方法進(jìn)行了討論和總結(jié)；李永靖[5-6]等結(jié)合具體工程分別對(duì)隧道穿越施工進(jìn)行了有限元分析及安全評(píng)價(jià)方法研究。由于隧道下穿施工可能引起建筑物基礎(chǔ)不均勻沉降，對(duì)地表構(gòu)筑物產(chǎn)生破壞，因此，施工前對(duì)下穿工程的評(píng)估及穿越措施的選擇至關(guān)重要[7-8]。以蘇州桐涇路北延工程下穿山塘河景區(qū)為研究對(duì)象，結(jié)合數(shù)值分析方法，對(duì)盾構(gòu)隧道下穿的安全性進(jìn)行評(píng)價(jià)，保障施工安全。

2 工程概況

桐涇路北延工程是聯(lián)系蘇州市南北片區(qū)的重要通道，其穿越的重要工程和控制節(jié)點(diǎn)有滬寧城際鐵路、京滬鐵路、北環(huán)快速路、擬建地鐵6號(hào)線清塘路站、山塘河、碩房莊河等。項(xiàng)目起點(diǎn)位于西塘河南岸，之后一直向南布線，終點(diǎn)位于桐涇路與西園路交叉路口，全長(zhǎng)約2 067 m，主線設(shè)計(jì)時(shí)速60 km。本文以下穿山塘河段為背景，建立模型對(duì)地表沉降進(jìn)行模擬分析。

3 地質(zhì)情況

據(jù)地質(zhì)調(diào)查及鉆孔揭露，擬建場(chǎng)區(qū)揭露的巖土層以第四系地層為主，表層土主要為第四系人工堆積層(Qml4)填土，其余均為第四紀(jì)河湖相沉積物，主要由黏性土、粉土、砂土組成。蘇州市歷年最高潛水位高程2.63 m，最低潛水位高程為-0.21 m，近3～5年最高潛水位高程為2.50 m。

4 數(shù)值模擬分析

4.1 有限元模型的建立

4.1.1 計(jì)算范圍

根據(jù)新建隧道及地形圖等相關(guān)資料，山塘河與新建隧道呈現(xiàn)一定的空間斜交關(guān)系，現(xiàn)利用MIDASGTS軟件建立三維有限元數(shù)值模型。在三維建模中，以既有隧道縱向?yàn)閥軸，從小里程指向大里程為正；z軸垂直于巖層，向上為正；x軸與y軸和z軸滿足右手法則。計(jì)算區(qū)域主要根據(jù)新建隧道及山塘河、既有文物等的布置情況，并滿足一定邊界效應(yīng)的要求來確定。

新建隧道外徑約為13.25 m，考慮到隧道的影響范圍一般為3～5倍洞徑，在左側(cè)取50 m，右側(cè)取45 m，橫向共選取136.5 m；縱向選取150 m；下限取新建隧道底板以下50 m，上限為地面。

4.1.2 網(wǎng)格劃分

在 用 MIDAS-GTS進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，巖體、既有隧道采用4節(jié)點(diǎn)的四面體實(shí)體單元。新建隧道與山塘河及既有文物位置關(guān)系模型如圖1所示。

圖1 隧道與山塘河及文物相對(duì)位置關(guān)系模型

整個(gè)模型共有單元45 346個(gè)，節(jié)點(diǎn)52 899個(gè)，其中新建隧道單元2 078個(gè)，節(jié)點(diǎn)4 057個(gè)。網(wǎng)格在既有隧道和周圍地層分布較密，向外則逐漸加大。

4.1.3 支護(hù)模擬

新建隧道襯砌采用4節(jié)點(diǎn)的實(shí)體單元模擬，厚度為0.6 m。整個(gè)模型共劃分襯砌單元2 078個(gè)。

4.1.4 基本參數(shù)選取

綜合設(shè)計(jì)院巖土工程勘察報(bào)告，確定在有限元分析中所采用的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 主要物理力學(xué)參數(shù)

建模過程中，模型最終所選土層參數(shù)為各土層的平均值。

4.1.5 邊界條件

計(jì)算土體的底面約束豎直方向z的自由度，計(jì)算土體的側(cè)面約束側(cè)向x、y方向的自由度，地表為自由面。

4.1.6 荷載

(1)自重:程序根據(jù)建立的單元材料容重，自動(dòng)計(jì)算其體積后計(jì)算自重，最后分配給各單元節(jié)點(diǎn)。

(2)水壓力荷載:水壓力均布荷載為43.8 kN/m，以此施加于模型進(jìn)行數(shù)值分析。

4.1.7 施工步驟

(1)施加約束與水壓力，位移清零，保持新建隧道未開挖狀態(tài)。

(2)開挖左線新建隧道并施作襯砌。(3)開挖右線新建隧道并施作襯砌。(4)分析開挖后其對(duì)山塘河及既有文物的影響。

4.2 變形及振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)

本工程綜合其他地區(qū)已建類似工程的控制數(shù)據(jù)及文物建筑特性[9]，確定的變形控制標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 本項(xiàng)目變形控制標(biāo)準(zhǔn)

本工程根據(jù)文物的保護(hù)級(jí)別，確定的振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)[10]見表3。

表3 本項(xiàng)目振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)

4.3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

4.3.1 沉降規(guī)律分析

在新建隧道的作用下，地層及隧道襯砌豎向變形云圖分別如圖2～圖3所示。圖中的正位移表示上浮，負(fù)位移表示沉降。

由三維沉降云圖可知，盾構(gòu)法施工引起的地層變形具有明顯的三維特征，垂直隧道軸線方向不同位置地層的豎向位移變化很大。新建隧道的施工，使得隧道上部巖體發(fā)生了一定的豎向沉降，左線沉降較右線沉降稍大。左線盾構(gòu)掘進(jìn)所引起的地面橫向沉降沿左線線路中心線大致成對(duì)稱分布，雙線隧道貫通后，最大沉降點(diǎn)由左線隧道正上方移至兩隧道中間地帶，地面最大沉降值增大，這主要是因?yàn)橛揖€盾構(gòu)掘進(jìn)的影響。

圖2 新建隧道襯砌豎向變形云圖

圖3 地層豎向變形云圖

4.3.2 既有文物變形分析

在新建隧道的作用下，地表、山塘河岸及既有文物豎向變形云圖如圖4所示。

圖4 地表、山塘河岸及文物豎向變形云圖

由計(jì)算結(jié)果可知，陶貞孝祠和敕建報(bào)恩禪寺各建筑由于距離盾構(gòu)隧道較遠(yuǎn)，基本位于主要沉降槽外，陶貞孝祠最大沉降值約為1.26 mm，出現(xiàn)在西北墻角處，沉降值小于10 mm，滿足變形控制標(biāo)準(zhǔn)；敕建報(bào)恩禪寺最大沉降為2.6 mm，出現(xiàn)在東南墻角處，沉降值小于10 mm，滿足變形控制標(biāo)準(zhǔn)。

為進(jìn)一步分析盾構(gòu)隧道下穿施工對(duì)既有文物建筑的影響，以文物建筑的四角為特征點(diǎn)，提取其沉降值進(jìn)行分析[11]，如表4所示。需要說明的是，由于不均勻沉降主要發(fā)生在垂直于盾構(gòu)隧道方向(即南北方向)，而平行于盾構(gòu)隧道方向(即東西方向)不均勻沉降基本可以忽略不計(jì)，因此不列入表中進(jìn)行計(jì)算。

表4 地表建筑特征點(diǎn)處沉降值及不均勻沉降計(jì)算

由以上分析可知，陶貞孝祠和敕建報(bào)恩禪寺內(nèi)各建筑的基礎(chǔ)最大傾斜度為4.15×10-5，小于0.001，滿足規(guī)范要求。

4.3.3 山塘河駁岸及河底變形分析

通過上一節(jié)的計(jì)算結(jié)果，可知山塘河底兩側(cè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降分別為4.77 mm、3.43 mm、3.67 mm、13.3 mm，均不超過15 mm，滿足山塘河駁岸變形控制標(biāo)準(zhǔn)。為進(jìn)一步分析盾構(gòu)隧道下穿施工對(duì)地表沉降的影響，在模型范圍內(nèi)布置了多組監(jiān)測(cè)點(diǎn)[12]，具體位置如圖5所示。

圖5 地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

在山塘河的東西兩岸及河底共布置了25個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其中河底10個(gè)點(diǎn)、河?xùn)|岸8個(gè)點(diǎn)、河西岸7個(gè)點(diǎn)，提取其沉降值進(jìn)行分析，如表5所示。

由計(jì)算結(jié)果可知，雙線隧道貫通后，盾構(gòu)掘進(jìn)所引起的地面沉降沿線路中心線大致成對(duì)稱分布，距離盾構(gòu)下穿越近，沉降值也越大。最大沉降點(diǎn)出現(xiàn)在山塘河底，最大沉降值為13.3 mm，位于左線盾構(gòu)隧道正上方，小于15 mm；山塘河駁岸最大沉降為8.85 mm，其余各點(diǎn)隨著距離盾構(gòu)直線距離的減小而減小，沉降均小于10 mm的沉降控制值。

表5 地表特征點(diǎn)沉降值

5 施工期振動(dòng)影響分析

5.1 振源分析

根據(jù)工程設(shè)計(jì)文件資料并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，盾構(gòu)隧道在下穿山塘河及周邊房屋施工期間，所受到的工業(yè)振動(dòng)激勵(lì)源主要分為以下兩個(gè)方面:

(1)修建隧道時(shí)盾構(gòu)機(jī)及其他施工器材挖掘土體造成的振動(dòng)。

(2)地面荷載引起的振動(dòng)。

5.2 施工振動(dòng)影響分析

隧道穿越山塘河施工過程中所采用的施工方法為盾構(gòu)法。隧道建設(shè)施工時(shí)，施工器材及挖掘土體造成的振動(dòng)主要體現(xiàn)在盾構(gòu)施工誘發(fā)的振動(dòng)，該振動(dòng)的主要激勵(lì)源為刀盤掘進(jìn)與地層相互作用誘發(fā)的振動(dòng)、后配套車設(shè)備誘發(fā)的振動(dòng)、電瓶運(yùn)輸車因軌道不平順誘發(fā)的振動(dòng)。引起地表振動(dòng)響應(yīng)強(qiáng)烈程度依次為:刀盤掘進(jìn)振動(dòng)、運(yùn)輸車誘發(fā)振動(dòng)、后配套車誘發(fā)振動(dòng)。經(jīng)過查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料以及地質(zhì)資料，可以初步得出土壓平衡盾構(gòu)施工引起的振動(dòng)速度為0.05～0.35 mm/s，經(jīng)過上覆土層的過濾與衰減，地表振動(dòng)速度較小，地表振動(dòng)頻率主要在20 Hz以下。

5.3 施工振動(dòng)影響評(píng)估

隧道盾構(gòu)距離山塘河底的距離為7.5 m以上。盾構(gòu)掘進(jìn)施工過程中及時(shí)跟蹤注漿，同時(shí)控制盾構(gòu)姿態(tài)，因此在盾構(gòu)施工過程中產(chǎn)生振動(dòng)相對(duì)較小，噪聲較低。根據(jù)其施工工藝、實(shí)際距離以及地下土層特性判斷盾構(gòu)掘進(jìn)施工過程產(chǎn)生的振動(dòng)對(duì)山塘河的影響甚微。同時(shí)，鑒于盾構(gòu)施工誘發(fā)的振動(dòng)只是在施工期間出現(xiàn)(非長(zhǎng)期)，且振動(dòng)速度不大，其不會(huì)引起結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞。因此，盾構(gòu)施工時(shí)誘發(fā)的振動(dòng)對(duì)山塘河及周邊房屋影響很小。

隧道建設(shè)施工時(shí)采用盾構(gòu)工法施工，土方運(yùn)輸車輛經(jīng)山塘河附近道路行走，由此引起的振動(dòng)會(huì)對(duì)附近的石駁岸造成不利影響。但是，考慮到工程車輛行進(jìn)引起的振動(dòng)是施工期間出現(xiàn)(非長(zhǎng)期)，如振動(dòng)速度不大，不會(huì)引起結(jié)構(gòu)破壞。另外，當(dāng)選擇輕型車輛時(shí)，工程車輛引起的振動(dòng)影響可大幅下降；如果同時(shí)嚴(yán)格限制車輛運(yùn)行速度，控制車輛密度，則可更明顯降低振動(dòng)影響。因此，采取合理的控制措施，可以有效控制工程車輛行進(jìn)引起的振動(dòng)，把振動(dòng)影響控制在規(guī)范允許范圍內(nèi)。

6 運(yùn)營(yíng)期間振動(dòng)影響分析

需要說明的是，振動(dòng)規(guī)范中提到的汽車振動(dòng)對(duì)古建筑的影響，指的是地面道路運(yùn)營(yíng)車輛對(duì)其周邊古建筑的影響，不適用于本項(xiàng)目情況。因此，以下分析參考地鐵列車振動(dòng)影響進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果偏于保守。

敕建報(bào)恩禪寺最近點(diǎn)距離隧道頂部的直線距離r＝14.85 m，隧道底深度為H＝10.26＋13.25＝23.51 m，r＜H，則:

為研究桐涇路北延工程盾構(gòu)隧道運(yùn)營(yíng)期間，車輛荷載振動(dòng)對(duì)既有文物的影響，主要參考《古建筑防工業(yè)振動(dòng)技術(shù)規(guī)范》(GB/T 50452-2008)進(jìn)行。該規(guī)范是為防止工業(yè)振動(dòng)對(duì)古建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生有害影響由國(guó)家住建部頒布的一部國(guó)家級(jí)規(guī)范。規(guī)范中不僅明確規(guī)定了古建筑的容許振動(dòng)速度，同時(shí)也提供了一套完整的振動(dòng)分析方法。

依照振動(dòng)規(guī)范附錄B.0.1，距火車、汽車、地鐵、打樁等工業(yè)振源中心r處地面的豎向或水平向振動(dòng)速度，可按下式計(jì)算:

根據(jù)表5.1.1，r0處地面的振動(dòng)速度V0＝0.383 mm/s；根據(jù)表 5.2.1，地面振動(dòng)頻率f0＝13.27 Hz；根據(jù)表B.0.4，土的能量吸收系數(shù)α0＝2.15×10-4s/m；根據(jù)表B.0.3-3，與振源半徑有關(guān)的幾何衰減系數(shù)ξ0＝0.75。

綜合以上計(jì)算可得:

采用同樣的計(jì)算方法，可得陶貞孝祠最大振動(dòng)速度Vr＝0.25 mm/s。

敕建報(bào)恩禪寺、陶貞孝祠屬于蘇州市控制保護(hù)建筑，根據(jù)《古建筑防工業(yè)振動(dòng)技術(shù)規(guī)范》(GB/T 50452-2008)，其容許振動(dòng)速度最小值為0.45 mm/s。因此，本工程運(yùn)營(yíng)期間，車輛振動(dòng)對(duì)既有文物的影響能滿足規(guī)范要求。