羅文靜

（廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院股份有限公司 廣州510010）

0 引言

隨著國(guó)家城市化進(jìn)程的加快，城市人口出現(xiàn)了較大幅度的增長(zhǎng)，原有的城市道路承載能力也越來(lái)越難以滿足人們?nèi)諠u增多的出行需求。因此，作為公共交通重要的一環(huán)，城市軌道交通迎來(lái)了跨越式發(fā)展。但是，在解決市民出行需求的同時(shí)，地鐵到達(dá)的區(qū)域往往處于城市的繁華區(qū)，建筑物，管線密集。既有的建筑物難以為新做的軌道交通讓步，因此，地鐵建設(shè)行業(yè)也出現(xiàn)了越來(lái)越多的下穿，側(cè)穿建筑物的現(xiàn)象。然而，隧道開(kāi)挖會(huì)對(duì)周邊土體產(chǎn)生擾動(dòng)，引起地層變形，造成地表建筑物的不均勻沉降、水平位移和傾斜，嚴(yán)重時(shí)影響到建筑物的安全，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失［1，2］，故分析地鐵建設(shè)過(guò)程對(duì)周邊建筑物的影響并對(duì)建筑物的安全穩(wěn)定性作出評(píng)估成了迫切需要研究的問(wèn)題。目前盾構(gòu)施工對(duì)周圍環(huán)境影響的研究主要集中在盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)周圍土層的擾動(dòng)分析、新建隧道與高層建筑間距變化對(duì)其基礎(chǔ)沉降的影響研究以及盾構(gòu)施工引起的地表沉降分析［3～5］，或者側(cè)穿建筑物的影響分析，且多采用數(shù)值計(jì)算的方法［6～8］，下穿建筑物的影響分析研究較少。

為研究盾構(gòu)隧道下穿建筑物工況，本文以南昌地區(qū)某盾構(gòu)區(qū)間下穿建筑物工況為案例，利用MIDAS GTS軟件，進(jìn)行模擬分析，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及既有工程經(jīng)驗(yàn)，就坑底加固措施為隧道下穿建筑物工程降低風(fēng)險(xiǎn)的有效性進(jìn)行了深入分析，以期對(duì)以后相關(guān)工程的設(shè)計(jì)施工提供有意義的參考。

1 工程概況

該區(qū)間隧道臨近副樓為12層框架結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)為單柱單樁的人工挖孔樁基礎(chǔ)，樁徑0.9～1.8 m，樁端擴(kuò)大頭直徑0.9～2.8 m，樁長(zhǎng)約8.5 m，持力層為礫砂層。根據(jù)地鐵線路規(guī)劃，兩條區(qū)間隧道將于該建筑物下方穿過(guò)，距離建筑物樁基礎(chǔ)底部?jī)艟嗉s為4.2～4.9 m（見(jiàn)圖1）。區(qū)間隧道為左右分建的兩條單線隧道，線間距為12.5 m，采用盾構(gòu)法進(jìn)行施工，隧道頂部覆土約為14.1 m，位于全斷面礫砂層，頂部土層主要為素填土，粉質(zhì)粘土，中砂，粗砂及礫砂，穩(wěn)定水位位于地下5 m。土層參數(shù)詳如表1所示。

盾構(gòu)隧道在砂層中下穿建筑物，施工風(fēng)險(xiǎn)較大，盾構(gòu)開(kāi)挖無(wú)法避免的土體擾動(dòng)將可能對(duì)上方建筑物造成較大的影響，盾構(gòu)穿越難以保證上方建筑物的安全。故根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況及施工經(jīng)驗(yàn)，本段區(qū)域采用雙液靜壓注漿的方式對(duì)建筑物范圍內(nèi)盾構(gòu)上方8 m，下方1 m，左右側(cè)各3 m的區(qū)域進(jìn)行注漿加固，注漿材料主要采用水泥-水玻璃雙液漿，以降低盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中對(duì)上方建筑物的影響，保證上方建筑物的安全。

圖1 建筑物與隧道關(guān)系平面及剖面Fig.1 Plane and Profile of the Relation between Buildings and Tunnels

表1 土層參數(shù)Tab.1 Soil Parameter

2 數(shù)值模擬

本文采用MIDAS GTS有限元軟件針對(duì)此工程進(jìn)行數(shù)值分析，MIDAS GTS軟件作為巖土方向的專業(yè)軟件，有著計(jì)算速度快，提供的本構(gòu)模型及后處理操作多樣的優(yōu)點(diǎn)。

2.1 模型尺寸及模型參數(shù)

根據(jù)其圍巖性質(zhì)和設(shè)計(jì)需要選取合理的區(qū)域及尺寸，同時(shí)采用如表1所示的圍巖物理力學(xué)參數(shù)建立模型。加固水泥土的強(qiáng)度要求為大于0.8 MPa，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，計(jì)算中取加固體重度為20 kN/m3、彈性模量為200 MPa。建模時(shí)，計(jì)算模型中土體采用摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)模型，結(jié)構(gòu)采用彈性本構(gòu)模型。土體采用三維實(shí)體單位，樓層板采用二維板單元，管片采用殼單元，柱子及樁基采用一維線單元。模擬地面為自由面，土體周邊采用法向變形約束條件，底部采用全約束條件，初始應(yīng)力場(chǎng)只考慮土體自重應(yīng)力場(chǎng)，不考慮地層的構(gòu)造應(yīng)力（見(jiàn)圖2）。

圖2 計(jì)算模型示意圖Fig.2 Schematic Diagram of Computational Model

2.2 主要模擬工況

根據(jù)相關(guān)施工參數(shù)及現(xiàn)場(chǎng)資料，為提高分析精度，特對(duì)建筑物進(jìn)行三維計(jì)算。同時(shí)，設(shè)計(jì)以下2種施工工況進(jìn)行建模分析，如表2所示。

表2 施工工況Tab.2 Construction Work

3 結(jié)果分析

為了更接近實(shí)際結(jié)果，本文針對(duì)加固后的土體參數(shù)，進(jìn)行了適當(dāng)剛度折減，以模擬施工過(guò)程中可能出現(xiàn)的加固效果打折現(xiàn)象。根據(jù)附近盾構(gòu)工程在相同土層施工的參數(shù)經(jīng)驗(yàn)積累，將下穿段土層損失率控制在3‰以內(nèi)。工況1計(jì)算結(jié)果如圖3、圖4所示，工況2計(jì)算結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖3 工況1開(kāi)完后地面累計(jì)沉降云圖Fig.3 Cumulative Ground Settlement Cloud Map after Excavation （Condition 1）

圖4 工況1柱間最大沉降差Fig.4 Maximum Settlement Difference between Columns（Condition 1）

圖5 工況1開(kāi)完后地面累計(jì)沉降云圖Fig.5 Cumulative Ground Settlement Cloud Map after Excavation（Condition 2）

圖6 工況1柱間最大沉降差Fig.6 Maximum Settlement Difference between Columns（Condition 2）

根據(jù)工況1計(jì)算結(jié)果（見(jiàn)表3），建筑物在經(jīng)歷了左右線兩次穿越之后，建筑物沉降最終值為42 mm，其基礎(chǔ)沉降差也達(dá)到了23.4 mm，導(dǎo)致其柱間傾斜率達(dá)到了3.16‰，建筑物結(jié)構(gòu)受到了盾構(gòu)下穿過(guò)程非常大的影響，導(dǎo)致受影響后的建筑物變形不滿足規(guī)范［9］和設(shè)計(jì)要求，建筑物處于一個(gè)非常危險(xiǎn)的狀態(tài)。因此，對(duì)建筑物進(jìn)行掘進(jìn)前加固，以降低盾構(gòu)通過(guò)過(guò)程中產(chǎn)生的土體擾動(dòng)對(duì)其的不利影響，非常必要。

表3 三維計(jì)算工況結(jié)果統(tǒng)計(jì)Tab.3 Statistical of Three-dimensional Calculation Results

根據(jù)此情況，采用建筑物下方注漿加固措施進(jìn)行處理，建筑物下方注漿加固有三大作用，其一為增加了建筑物下方土體的強(qiáng)度，增加其抵抗變形的能力；其二為增加了建筑物下方土體的均一性，保證土體在盾構(gòu)推進(jìn)的過(guò)程中能夠體現(xiàn)出近似均質(zhì)土體的性質(zhì)，均等變形；其三為對(duì)土體中可能存在的空洞或者不密實(shí)進(jìn)行填充。

建筑物在掘進(jìn)前進(jìn)行了加固之后，如工況2所示，建筑物在盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程中受影響較小，建筑物結(jié)構(gòu)及樁基基礎(chǔ)變形也表現(xiàn)出一個(gè)平穩(wěn)的變化。在盾構(gòu)左右線穿過(guò)之后，建筑物變形達(dá)到最大值，建筑物的最大沉降為13.5 mm，計(jì)算傾斜為0.8‰，滿足規(guī)范及設(shè)計(jì)要求。相對(duì)于工況一而言，建筑物的受影響程度較小，加固隔離效果非常明顯。對(duì)比監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，也從側(cè)面證明了注漿加固效果的有效性。

4 處理措施建議

盾構(gòu)下穿建筑物，作為一個(gè)工程重難點(diǎn)，應(yīng)引起足夠的重視與關(guān)注，在無(wú)法避免該風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生時(shí)，應(yīng)做好以下幾點(diǎn)，積極應(yīng)對(duì)，以降低工程風(fēng)險(xiǎn)。

⑴ 應(yīng)對(duì)該處的建筑物基礎(chǔ)和結(jié)構(gòu)情況，水文地質(zhì)情況，建筑物與區(qū)間隧道關(guān)系情況，周邊環(huán)境情況進(jìn)行充分的掌握，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，進(jìn)行初步判斷。

⑵ 從大處著手，優(yōu)化線路參數(shù)，盡量降低風(fēng)險(xiǎn)。如確實(shí)無(wú)法降低，則應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)研究，根據(jù)具體情況，提出合理可行的處置措施。

⑶ 針對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行控制，做好同步注漿和二次注漿工作，保證盾構(gòu)與原狀土的空隙不能過(guò)多，暴露時(shí)間不能過(guò)長(zhǎng)，并保證空隙被填充密實(shí)，以降低盾構(gòu)掘進(jìn)的影響。

5 結(jié)論

本文以南昌地區(qū)某區(qū)間下穿建筑物工程實(shí)例為依托，通過(guò)有限元數(shù)值模擬，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果。得到以下結(jié)論：

⑴ 盾構(gòu)下穿建筑物是一個(gè)工程重難點(diǎn)，在未采取措施的情況下，直接穿越風(fēng)險(xiǎn)很大；

⑵ 根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，本次模擬工況以及計(jì)算過(guò)程中采用的相關(guān)參數(shù)可以被證明是合理有效。針對(duì)盾構(gòu)隧道下穿建筑物，對(duì)建筑物底部進(jìn)行注漿加固，是一個(gè)降低建筑物所受盾構(gòu)開(kāi)挖影響的有效措施。

綜上所述，針對(duì)此工程案例，雙液漿注漿加固措施對(duì)于盾構(gòu)下穿高層建筑物這一復(fù)雜工況達(dá)到了一定的加固效果，對(duì)于相似工程，有著一定的參考意義。