陳 映，李 威，戴躍華

(1.廣東省水利水電技術(shù)中心，廣州 510635;2.廣東粵源工程咨詢有限公司，廣州 510635)

1 概述

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的高速發(fā)展，城市人口急劇增加，城市規(guī)模不斷擴(kuò)大，城市交通擁擠問(wèn)題逐漸凸顯。城市地鐵作為現(xiàn)代化的公共交通工具，能充分利用城市地下空間來(lái)緩解城市交通壓力，具有安全、迅捷、容量大、能耗低等優(yōu)點(diǎn)，受到了人們的普遍青睞。當(dāng)前，我國(guó)城市地鐵建設(shè)呈加速趨勢(shì)。盾構(gòu)法是利用盾構(gòu)機(jī)在地面以下暗挖隧道的施工方法，具有地面作業(yè)少、適宜建造深埋隧道、對(duì)周?chē)h(huán)境影響小、自動(dòng)化程度高、勞動(dòng)強(qiáng)度低、施工速度快等優(yōu)點(diǎn)，是城市地鐵隧道建設(shè)的首選施工方法。

隨著地鐵盾構(gòu)隧道的大規(guī)模建設(shè)，難免出現(xiàn)地鐵盾構(gòu)隧道下穿地面基礎(chǔ)設(shè)施的情況。由于地鐵盾構(gòu)隧道施工是在巖土體內(nèi)部進(jìn)行的，盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中不可避免會(huì)擾動(dòng)巖土體，破壞了原有的平衡狀態(tài)，進(jìn)而引起地表沉降和變形，危及地面基礎(chǔ)設(shè)施的安全。減少地鐵盾構(gòu)施工對(duì)周?chē)翆拥臄_動(dòng)，將其對(duì)地面基礎(chǔ)設(shè)施安全的影響控制在允許范圍內(nèi)，是地鐵盾構(gòu)隧道建設(shè)者們一直所關(guān)注的問(wèn)題[1-5]。

目前盾構(gòu)隧道施工對(duì)地表變形及建筑物影響的研究方法主要有經(jīng)驗(yàn)法、模型試驗(yàn)法、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)法、數(shù)值計(jì)算法等[6-8],為保證盾構(gòu)隧道施工引起的地表沉降在合理范圍內(nèi)，許多研究人員對(duì)地鐵盾構(gòu)隧道下穿引起地面沉降的控制標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了研究，被下穿的基礎(chǔ)設(shè)施包括機(jī)場(chǎng)跑道[9-10]、歷史建筑[11-12]、地下管線[13-14]、道路橋梁[15-16]、風(fēng)景區(qū)[17]等，但針對(duì)地鐵盾構(gòu)隧道下穿水閘的研究較為缺乏。

對(duì)于地鐵盾構(gòu)隧道下穿水閘而言，一旦水閘失事會(huì)危及公眾的防洪、排澇安全，造成極大的社會(huì)影響。為此，本文結(jié)合某地鐵隧道下穿某水閘的實(shí)際工程，對(duì)地鐵盾構(gòu)隧道下穿水閘的地表變形控制標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行探討研究。

2 盾構(gòu)下穿引起水閘破壞的形式

盾構(gòu)下穿施工時(shí)，地面水閘產(chǎn)生破壞的主要原因是地表變形帶動(dòng)水閘產(chǎn)生了附加的變形，當(dāng)水工結(jié)構(gòu)應(yīng)力超過(guò)其強(qiáng)度時(shí)發(fā)生破壞。根據(jù)地表變形的不同，地面水閘破壞的主要形式包括整體沉降、傾斜破壞、曲率破壞、水平變形引起的破壞等。

1) 整體沉降

若盾構(gòu)下穿施工引起的地表變形為整體沉降，則水閘結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)不會(huì)改變，只是相對(duì)沒(méi)沉降前的水閘產(chǎn)生了一定的豎向位移量，因此整體均勻沉降對(duì)水閘的影響較小。但是，實(shí)際工程中仍需對(duì)水閘的最大沉降量進(jìn)行嚴(yán)格控制，因?yàn)檫^(guò)大的沉降量會(huì)影響水閘的正常使用功能。此外，過(guò)大的沉降量表明水閘地基土層擾動(dòng)嚴(yán)重，影響了地基承載力。

2) 傾斜破壞

一般而言，盾構(gòu)下穿施工引起的地表變形是非均勻的，此時(shí)水閘地基的差異沉降會(huì)使結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生差異變形和附加應(yīng)力，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致水閘產(chǎn)生破壞。其中，傾斜破壞是最常見(jiàn)的破壞形式。

3) 曲率破壞

盾構(gòu)下穿施工引起的地表變形還可能使水閘產(chǎn)生曲率破壞。當(dāng)?shù)乇矸蔷鶆虺两禃r(shí)會(huì)產(chǎn)生負(fù)曲率破壞，水閘基礎(chǔ)上部受壓下部受拉，可能會(huì)產(chǎn)生正“八”字裂縫；當(dāng)?shù)乇矸蔷鶆蚵∑饡r(shí)會(huì)產(chǎn)生正曲率破壞，水閘基礎(chǔ)上部受拉下部受壓，可能會(huì)產(chǎn)生倒“八”字裂縫；

4) 水平變形引起的破壞

盾構(gòu)下穿施工引起的水平變形會(huì)對(duì)使水閘內(nèi)產(chǎn)生較大的附加應(yīng)力。由于水閘混凝土抗拉強(qiáng)度比抗壓強(qiáng)度小得多，因此拉伸變形產(chǎn)生的破壞性要比壓縮變形更大。

3 盾構(gòu)下穿水閘地表變形控制標(biāo)準(zhǔn)研究

3.1 規(guī)范有關(guān)盾構(gòu)隧道下穿引起地表沉降的控制標(biāo)準(zhǔn)

在全國(guó)各地大量實(shí)際工程案例開(kāi)展專(zhuān)題研究的基礎(chǔ)上，根據(jù)不同工程監(jiān)測(cè)等級(jí)的安全控制要求，《城市軌道交通工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范(GB 50911—2013)》[18]確定了不同地面變形監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的控制值(見(jiàn)表1)。

表1 盾構(gòu)法隧道地面變形監(jiān)測(cè)項(xiàng)目控制值

3.2 規(guī)范有關(guān)建筑物的地基變形允許值的標(biāo)準(zhǔn)

《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范(GB 50007—2011)》[19]對(duì)建筑物的地基變形允許值進(jìn)行了規(guī)定。該規(guī)范將地基土分為中、低壓縮性土和高壓縮性土，分別從沉降量和建筑物的整體傾斜兩方面規(guī)定了地基變形允許值。其中，對(duì)于沉降量，該規(guī)范針對(duì)不同結(jié)構(gòu)做出了不同的規(guī)定，地基允許變形值分布在120～400 mm；對(duì)于建筑物傾斜，規(guī)范針對(duì)不同結(jié)構(gòu)，給出了因結(jié)構(gòu)高度而異的傾斜允許值，當(dāng)建筑物高度小于60 m時(shí)，傾斜度(兩端點(diǎn)的沉降差與其距離的比值)應(yīng)小于0.003。

《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范(SL 265—2016)》[20]對(duì)地基允許沉降量和沉降差作出了具體規(guī)定，由于水閘基礎(chǔ)尺寸較大，對(duì)地基沉降的適應(yīng)性較強(qiáng)，因此在不危及水閘結(jié)構(gòu)安全和不影響水閘正常使用的條件下，一般水閘基礎(chǔ)的最大沉降量達(dá)到100～150 mm和最大沉降差達(dá)到30～50 mm是允許的。

3.3 工程案例類(lèi)比分析

規(guī)范一般多從適應(yīng)宏觀分類(lèi)和滿足基本要求的角度出發(fā)，給出了地表沉降量所應(yīng)當(dāng)符合的限制值或允許值標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)際工程的安全評(píng)價(jià)，可在數(shù)值分析成果的基礎(chǔ)上，依據(jù)規(guī)范規(guī)定作出基本結(jié)論。還可以通過(guò)搜集隧道下穿既有結(jié)構(gòu)物工程案例，整理已建工程的巖土體特性、隧道施工方法、隧道斷面尺寸、埋深、地表沉降等數(shù)據(jù)，從工程案例類(lèi)比的角度進(jìn)行分析。表2整理了7個(gè)國(guó)內(nèi)已建隧道工程下穿建筑物等設(shè)施的工程案例。

3.4 盾構(gòu)下穿水閘地表變形控制標(biāo)準(zhǔn)

梳理國(guó)內(nèi)相關(guān)規(guī)范，并類(lèi)比工程案例，可見(jiàn)：① 規(guī)范對(duì)隧道下穿施工引起的地表力學(xué)響應(yīng)，主要以“沉降值(含地表隆起)”和“傾斜度(或稱(chēng)沉降差)”兩個(gè)指標(biāo)進(jìn)行控制，以確保既有建筑物的安全。② “沉降值”的控制值，與地層巖土類(lèi)型和保護(hù)對(duì)象的屬性有關(guān)，在較嚴(yán)格的條件下，地表沉降值應(yīng)小于10 mm，對(duì)應(yīng)的地表隆起值也應(yīng)小于10 mm。“傾斜度”的控制值，對(duì)于高度低于60 m的建筑物，應(yīng)小于0.003。③ 根據(jù)已建工程實(shí)例，隧道下穿建筑物時(shí)，基于隧道上覆巖土體的不同力學(xué)性能，最大地表沉降值一般應(yīng)小于30～70 mm，并且應(yīng)滿足傾斜度的要求，避免建筑物因不均勻沉降帶來(lái)的破壞。

綜上分析，可知隧道下穿施工對(duì)建筑物的影響因素多，所涉及的控制標(biāo)準(zhǔn)也存在多種方案。如前所述，根據(jù)地表變形的不同，地面水閘破壞的主要形式包括整體沉降、傾斜破壞、曲率破壞、水平變形引起的破壞等。可見(jiàn)，目前的地表變形控制標(biāo)準(zhǔn)還不夠精細(xì)化。本文建議以《城市軌道交通工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范(GB 50911—2013)》為主要依據(jù)，根據(jù)水閘的建筑物級(jí)別確定表1中的工程監(jiān)測(cè)等級(jí)(1級(jí)建筑物對(duì)應(yīng)1級(jí)監(jiān)測(cè)，2、3級(jí)建筑物對(duì)應(yīng)2級(jí)監(jiān)測(cè)，4、5級(jí)建筑物對(duì)應(yīng)3級(jí)監(jiān)測(cè))，進(jìn)而確定地表沉降和隆起控制標(biāo)準(zhǔn)；對(duì)于豎向差異變形，采用兩端點(diǎn)的沉降差與其距離的比值小于0.003的控制標(biāo)準(zhǔn)，以避免出現(xiàn)傾斜破壞和曲率破壞；對(duì)于水平差異變形，可參考“傾斜度”控制標(biāo)準(zhǔn)并考慮到混凝土抗拉強(qiáng)度低于抗剪強(qiáng)度，采用兩端點(diǎn)的變形差與其距離的比值小于0.002的控制標(biāo)準(zhǔn)。

表2 隧道下穿既有建筑物的工程案例主要指標(biāo)統(tǒng)計(jì)

4 工程實(shí)例分析

4.1 工程概況

某地鐵盾構(gòu)隧道從某水閘內(nèi)河側(cè)穿過(guò)(見(jiàn)圖1)，盾構(gòu)隧道與水閘軸線夾角約為62°。水閘為小型單孔水閘，建筑物級(jí)別為5級(jí)，總凈寬為4.0 m，高為 7.8 m(地鐵隧道下穿水閘的剖面位置關(guān)系見(jiàn)圖2)。隧道頂高程為-26.72 m，與水閘下部鉆孔灌注樁底部高程-13.35 m之間的垂直距離為13.37 m，水平最小距離為35.67 m。場(chǎng)地巖土層分為素填土、淤泥質(zhì)中粗砂、中粗砂、粉質(zhì)黏土、強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖、中風(fēng)化粉砂巖6層。

4.2 地表變形控制標(biāo)準(zhǔn)制定

本工程水閘為5級(jí)建筑物，采用《城市軌道交通工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范(GB 50911—2013)》中的3級(jí)監(jiān)測(cè)對(duì)應(yīng)的地表沉降和隆起控制標(biāo)準(zhǔn)，即最大地表沉降按30 mm控制，最大地表隆起按10 mm控制。對(duì)于豎向差異變形，采用兩端點(diǎn)的變形差與其距離的比值小于0.003的控制標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于水平差異變形，采用兩端點(diǎn)的變形差與其距離的比值小于0.002的控制標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 地鐵隧道下穿新合益水閘的平面位置關(guān)系示意

圖2 地鐵隧道下穿新合益水閘的剖面位置關(guān)系示意

4.3 地表變形計(jì)算與分析

采用巖土通用軟件FLAC3D開(kāi)展數(shù)值計(jì)算分析，巖土體采用莫爾-庫(kù)侖(Mohr-Coulomb)理想彈塑性模型；襯砌和混凝土板等結(jié)構(gòu)采用線彈性模型。建立的計(jì)算模型見(jiàn)圖3，共剖分了130 622個(gè)單元和139 565個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖3 地鐵盾構(gòu)隧道下穿水閘三維計(jì)算網(wǎng)格示意

為計(jì)算最不利情形下地表的沉降和隆起，擬定如下兩種計(jì)算分析工況：① 隧道貫通工況，分析開(kāi)挖引起的地表沉降變形；② 隧道下穿施工工況，分析隧道開(kāi)挖至水閘正下方時(shí)盾構(gòu)機(jī)土艙壓力引起的地表隆起變形。隧道貫通工況計(jì)算出的豎向變形分布見(jiàn)圖4(對(duì)應(yīng)圖1中A-A斷面)，隧道的拱頂下沉變形為13.15 mm，對(duì)應(yīng)的地表最大沉降為6.16 mm，小于35 mm的沉降控制值。隧道下穿施工工況計(jì)算出的豎向變形分布見(jiàn)圖5(對(duì)應(yīng)圖1中B-B斷面)，當(dāng)掌子面土艙壓力為1.0 MPa時(shí)，地表最大隆起為0.15 mm，小于10 mm的隆起控制值?？梢?jiàn)，盾構(gòu)下穿引起的地表整體變形在允許范圍內(nèi)。

隧洞貫通工況的沿垂直隧道方向的豎向及水平向變形分布見(jiàn)圖6。兩端點(diǎn)的豎向變形差與其距離的比值為-1.59×10-4～1.60×10-4，小于0.003的控制標(biāo)準(zhǔn)；兩端點(diǎn)的變形差與其距離的比值為-1.92×10-4～1.82×10-4，小于0.002的控制標(biāo)準(zhǔn)?？梢?jiàn)，盾構(gòu)下穿引起的地表差異變形較小，在水閘結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的附加應(yīng)力相應(yīng)較小，不會(huì)引起水閘破壞。

圖4 隧洞貫通工況豎向變形分布示意(單位：mm)

圖5 隧道下穿施工工況豎向變形分布示意(單位：mm)

圖6 沿垂直隧道方向的豎向及水平向變形分布示意(單位：mm)

5 結(jié)語(yǔ)

盾構(gòu)隧道下穿水閘可能會(huì)對(duì)水閘的安全運(yùn)行產(chǎn)生影響，危及公眾的防洪、排澇安全，造成極大的社會(huì)影響。為將盾構(gòu)隧道下穿水閘的影響控制在合理范圍，對(duì)盾構(gòu)下穿引起水閘破壞的形式進(jìn)行了分析，采用對(duì)規(guī)范的梳理、工程案例類(lèi)比分析相結(jié)合的方法，提出了盾構(gòu)隧道下穿水閘的地表變形控制標(biāo)準(zhǔn)：① 根據(jù)水閘的建筑物級(jí)別確定《城市軌道交通工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范(GB 50911—2013)》中的工程監(jiān)測(cè)等級(jí)，進(jìn)而確定地表沉降和隆起控制標(biāo)準(zhǔn)；② 對(duì)于豎向差異變形，采用兩端點(diǎn)的變形差與其距離的比值小于0.003的控制標(biāo)準(zhǔn)，以避免出現(xiàn)傾斜破壞和曲率破壞；③ 對(duì)于水平差異變形，采用兩端點(diǎn)的變形差與其距離的比值小于0.002的控制標(biāo)準(zhǔn)。將提出的盾構(gòu)隧道下穿水閘的地表變形控制標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用于某地鐵下穿某水閘的實(shí)際工程，盾構(gòu)隧道下穿過(guò)程中水閘的安全運(yùn)行。