鄭亦博

(內(nèi)蒙古自治區(qū)交通運(yùn)輸事業(yè)發(fā)展中心，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020)

盾構(gòu)法施工是公路、鐵路隧道工程建設(shè)過(guò)程中普遍采用的方法，城市軌道交通建設(shè)項(xiàng)目的地下工程施工采用盾構(gòu)法施工也較多。而地下隧道往往需要從地下穿越城市的繁華地段，有些區(qū)域地上建筑物較多，盾構(gòu)施工條件較為復(fù)雜。因此，盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中穿越建筑物群是目前城市交通建設(shè)領(lǐng)域不得不面臨和解決的問(wèn)題。

在城市內(nèi)特別是建筑物集中的地區(qū)采用下穿建筑物群的盾構(gòu)法隧道施工會(huì)改變地基原土體的應(yīng)力場(chǎng)，造成開(kāi)挖面周圍土體發(fā)生擾動(dòng)，進(jìn)而引發(fā)隧道周圍土體發(fā)生位移，導(dǎo)致施工隧道周邊地表變形以及建筑物群沉降，給工程及周邊建筑帶來(lái)安全隱患。

筆者采用數(shù)值分析方法，模擬盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程，研究建筑物群的沉降變化規(guī)律，以期為同類工程提供參考。

1 工程概況

1.1 工程與地下通道的關(guān)系

本工程穿越建筑物群的區(qū)間隧道采用盾構(gòu)法施工，區(qū)間左線全長(zhǎng)732.56m，右線全長(zhǎng)731.059m，線路自起點(diǎn)站直線出發(fā)，先后經(jīng)過(guò)兩個(gè)半徑400m曲線段，后轉(zhuǎn)直線進(jìn)入終點(diǎn)站，左右線的線間距為14m～17m。

區(qū)間沿線下穿建筑物群，共有12幢房屋，均為磚混結(jié)構(gòu)，條形基礎(chǔ)，層數(shù)為地上2～6層，基礎(chǔ)埋深2.4m～2.6m，盾構(gòu)外殼距條形基礎(chǔ)基底最小凈距9.92m～17.46m。

建筑物均為鄰近重要設(shè)施，接近度分區(qū)為非常接近，風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為一級(jí)。

1.2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

穿越建筑物群的盾構(gòu)施工隧道主要穿越細(xì)砂、粉質(zhì)黏土及圓礫層。

盾構(gòu)法開(kāi)挖隧道施工場(chǎng)地的潛水基本賦存在全新統(tǒng)、上更新統(tǒng)沖洪積的黏性土、粉土、砂土、碎石土層以及中更新統(tǒng)洪積黏性土、粉土、砂土層中。其中富水性較好巖層主要為砂土層、碎石土層，黏性土、粉土層透水性較弱。

地勘鉆探報(bào)告的場(chǎng)地地下水屬潛水類型，鉆孔內(nèi)量測(cè)的穩(wěn)定水位埋深13.2m～15.8m，水位年變幅1m～2m。

2 有限元分析模擬

2.1 土層參數(shù)選取

土層物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示。

表1 土層物理力學(xué)指標(biāo)

2.2 有限元模型

本次有限元模型的計(jì)算軟件采用的是MIDAS-GTS有限元計(jì)算軟件。模型共劃分232 599個(gè)單元。

為減小邊界約束對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，x方向(垂直線路方向)、y方向(線路方向)邊緣至建筑物距離均>50m，z方向(豎直方向)取至隧道結(jié)構(gòu)下側(cè)3D～5D(D為隧道直徑)。

整體計(jì)算模型中，地應(yīng)力場(chǎng)按自重應(yīng)力場(chǎng)考慮，建筑物群、盾構(gòu)管片、隧道開(kāi)挖地層均采用實(shí)體單元來(lái)進(jìn)行模擬，隧道施工下穿建筑物群以及盾構(gòu)管片均采用彈性本構(gòu)模型，巖土層則采用的是修正摩爾—庫(kù)倫本構(gòu)模型。

模型采用了有限元法中的位移邊界條件，其土體模型的頂面為自由邊界，底面為豎向固定約束，四周為法向位移約束。有限元模型如圖1所示。施工區(qū)間隧道與下穿建筑物群的相對(duì)位置如圖2所示。

圖2 盾構(gòu)區(qū)間隧道與建筑物群相對(duì)位置示意圖

2.3 施工過(guò)程模擬

循環(huán)開(kāi)挖進(jìn)尺每步在3m左右，本次模擬共計(jì)開(kāi)挖440m，采用左右線同時(shí)開(kāi)挖掘進(jìn)的施工作業(yè)模式。在盾構(gòu)施工下穿隧道的掌子面處施加了0.14MPa的土壓平衡壓力。

初始階段：盾構(gòu)法開(kāi)挖隧道前，需進(jìn)行底層位移清零。模擬施工步驟為：①開(kāi)挖隧道土體;②施作管片；③完成一次循環(huán)進(jìn)行下一步開(kāi)挖；④左右線貫通。

3 有限元分析計(jì)算結(jié)果

3.1 建筑物沉降變化規(guī)律

分別提取1#～12#建筑物在盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中各施工步下的沉降值，并繪制沉降變化曲線。限于篇幅，本文只列出具有代表性的2#、11#建筑物的沉降變化曲線，如圖3、圖4所示。

圖3 2#建筑物沉降曲線

圖4 11#建筑物沉降曲線

由圖3、圖4可知，盾構(gòu)隧道掘進(jìn)過(guò)程中，在盾構(gòu)距離建筑物較遠(yuǎn)時(shí)，建筑物沉降很小，不足0.5mm。盾構(gòu)掘進(jìn)通過(guò)建筑物時(shí)，建筑物沉降迅速增大，且沉降主要發(fā)生在掘進(jìn)通過(guò)建筑物前后共60m的范圍內(nèi)(約20個(gè)施工步)，之后掘進(jìn)遠(yuǎn)離建筑物時(shí)，建筑物沉降變化再次趨于穩(wěn)定。

由圖3、圖4可知，2#建筑物沉降最大值和最小值均為負(fù)值；11#建筑物最大沉降為負(fù)值，最小沉降為正值。盾構(gòu)隧道由2#建筑物中部下穿，由11#建筑物端部下穿，因此，這表明2#建筑物兩端均勻沉降，11#建筑物發(fā)生一定的轉(zhuǎn)動(dòng)，遠(yuǎn)離隧道一端在轉(zhuǎn)動(dòng)作用下產(chǎn)生向上的位移。

3.2 建筑物不均勻沉降變化規(guī)律

2#、11#建筑物的不均勻沉降變化曲線，如圖5、圖6所示。

圖5 2#建筑物不均勻沉降曲線

圖6 11#建筑物不均勻沉降曲線

盾構(gòu)隧道通常不會(huì)恰好由中心下穿建筑物，因此勢(shì)必產(chǎn)生不均勻沉降。由圖5、圖6可知，不均勻沉降同樣主要發(fā)生在掘進(jìn)通過(guò)建筑物前后共60m的范圍內(nèi)(約20個(gè)施工步)，在遠(yuǎn)離建筑物時(shí)不均勻沉降變化很小。

由圖3～圖6可知，2#建筑物沉降值(5.2mm)大于11#建筑物(3.3mm)，2#建筑物不均勻沉降值(1.4mm)卻小于11#建筑物的不均勻沉降值(4.2mm)。這正是因?yàn)槎軜?gòu)隧道由2#建筑物中部下穿，不均勻沉降較小，由11#建筑物端部下穿，建筑物產(chǎn)生了一定的轉(zhuǎn)動(dòng)，不均勻沉降較大。

4 施工控制措施

根據(jù)數(shù)值分析計(jì)算結(jié)果，1#～12#建筑物最大沉降5.2mm，最大差異沉降4.3mm。

本例盾構(gòu)隧道下穿房屋建筑群風(fēng)險(xiǎn)源等級(jí)為一級(jí)，建筑物允許沉降控制值為15mm，差異沉降控制值為5mm，各項(xiàng)數(shù)據(jù)均滿足規(guī)范要求。

地下隧道工程下穿建筑物群風(fēng)險(xiǎn)較大，盾構(gòu)掘進(jìn)中仍需采取一定的處理措施。①控制盾構(gòu)施工參數(shù)，并做好同步注漿及二次注漿措施。②加強(qiáng)施工過(guò)程監(jiān)控測(cè)量， 并對(duì)測(cè)量結(jié)果及時(shí)分析反饋，根據(jù)分析結(jié)果實(shí)時(shí)調(diào)整盾構(gòu)參數(shù)，做到動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，信息化施工。③監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)應(yīng)及時(shí)反饋以便指導(dǎo)施工，當(dāng)發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)有異常情況應(yīng)立即采取措施，防止發(fā)生工程事故。如實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)超過(guò)允許值范圍，應(yīng)立即采取措施并加密觀測(cè)次數(shù)。 ④穿越建筑物群的施工過(guò)程中若出現(xiàn)較大不均勻沉降，經(jīng)研究分析后可采取相應(yīng)的加固、隔離措施，保證其安全。 ⑤施工單位應(yīng)編制盾構(gòu)隧道專項(xiàng)施工方案，同時(shí)編制專門的應(yīng)急預(yù)案，應(yīng)急預(yù)案應(yīng)當(dāng)具有可操作性，在施工中一旦出現(xiàn)施工緊急事故苗頭，能夠及時(shí)按照預(yù)案采取應(yīng)急搶險(xiǎn)措施，控制事故的進(jìn)一步擴(kuò)大。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)盾構(gòu)隧道下穿建筑群進(jìn)行數(shù)值模擬，可以得出如下結(jié)論。①盾構(gòu)隧道掘進(jìn)過(guò)程中，在盾構(gòu)距離建筑物較遠(yuǎn)時(shí)，建筑物沉降很小；通過(guò)建筑物時(shí)，建筑物沉降迅速增大，且沉降主要發(fā)生在掘進(jìn)通過(guò)建筑物前后共60m的范圍內(nèi)；通過(guò)并遠(yuǎn)離建筑物時(shí)，建筑物沉降變化再次趨于穩(wěn)定。 ②不均勻沉降同樣主要發(fā)生在掘進(jìn)通過(guò)建筑物前后共60m的范圍內(nèi)，遠(yuǎn)離建筑物時(shí)不均勻沉降變化很小。盾構(gòu)隧道由建筑物中部下穿時(shí)，不均勻沉降較小，由建筑物端部下穿，建筑物產(chǎn)生了一定的轉(zhuǎn)動(dòng)，不均勻沉降較大。 ③對(duì)盾構(gòu)下穿建筑物群，提出若干施工控制措施，可供同類工程參考。