崔慶華

(河南省路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司,河南商丘 476000)

0 引言

隨著機(jī)械化、自動(dòng)化施工理念的逐步推廣與應(yīng)用,盾構(gòu)法在城市隧道工程建設(shè)中得到越來越多的應(yīng)用[1-2]。城市環(huán)境修建隧道,施工過程中難免對(duì)周邊建構(gòu)筑物產(chǎn)生影響,如建筑基礎(chǔ)沉降、隆起,建筑開裂及結(jié)構(gòu)失穩(wěn)[3]等問題。如今已有眾多學(xué)者就隧道近接建構(gòu)筑物沉降的問題開展了研究。王闖等[4]基于廣東城際鐵路下穿群樁基礎(chǔ)進(jìn)行研究,提出了盾構(gòu)隧道施工對(duì)樁基應(yīng)力擾動(dòng)和變形擾動(dòng)的影響分區(qū)方法。袁鵬等[5]依托穿黃隧道盾構(gòu)近接穿越臨堤樁基工程,采用數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方法,分析了隔離樁+高壓旋噴樁加固+鋼花管預(yù)注漿加固的綜合加固方案在不同施工條件下的適應(yīng)性。李進(jìn)軍等[6]基于上海虹橋綜合交通樞紐工程地鐵2號(hào)線和10號(hào)線穿越西航站樓樁基礎(chǔ)工程背景,分析了單隧道及多隧道工況穿越對(duì)PHC樁基礎(chǔ)的影響。可見現(xiàn)有研究中,主要探討方向?yàn)槭┕て谥卸軜?gòu)隧道近接施工的影響,而對(duì)建筑物長(zhǎng)期的影響研究較為缺乏。

在我國(guó)西南地區(qū),膨脹地層十分常見。盾構(gòu)隧道在膨脹巖土地層掘進(jìn)將對(duì)周圍地層產(chǎn)生擾動(dòng)并改變其含水率,易引起膨脹性地層產(chǎn)生局部膨脹并形成附加的膨脹荷載[7]。有學(xué)者認(rèn)為地層膨脹量與膨脹力與膨脹土厚度以及上覆荷載的大小有關(guān)[8],且一定條件下膨脹巖土的膨脹作用會(huì)增大結(jié)構(gòu)的變形與受力,給建筑帶來風(fēng)險(xiǎn)[9]。同時(shí)膨脹巖土還有另一個(gè)重要的特性則是“吸軟化”[10]。呂海波等[11]對(duì)南寧地區(qū)的膨脹土進(jìn)行了三軸剪切試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)膨脹土抗剪強(qiáng)度隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加而降低。徐彬等[12]通過直剪試驗(yàn)與三軸試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)膨脹巖土的粘聚力隨干濕循環(huán)次數(shù)呈雙曲線關(guān)系衰減,并逐漸達(dá)到殘余值。這都說明,膨脹巖土的地層性質(zhì)將隨著膨脹循環(huán)次數(shù)的增大而衰減。

所以當(dāng)盾構(gòu)隧道位于膨脹地層近接既有建筑施工時(shí),建筑物不僅將面臨盾構(gòu)隧道施工期帶來的影響,同時(shí)還將受到因施工擾動(dòng)后膨脹地層長(zhǎng)期變化帶來的影響?，F(xiàn)今還未有學(xué)者對(duì)膨脹地層的膨脹及循環(huán)軟化作用對(duì)既有建筑的影響進(jìn)行探究。本文將以南寧某鐵路盾構(gòu)隧道于膨脹地層下穿地鐵車站為工程背景,建立精細(xì)化數(shù)值計(jì)算模型,綜合分析膨脹地層的膨脹效應(yīng)及循環(huán)軟化效應(yīng)對(duì)既有建筑結(jié)構(gòu)的影響。

1 數(shù)值計(jì)算模型

1.1 工程背景

工程位于廣西自治區(qū)南寧江南區(qū)市區(qū),盾構(gòu)隧道主體結(jié)構(gòu)為單層裝配式管片襯砌,管片環(huán)分為9塊,由“1塊封頂塊+2快鄰接塊+6塊標(biāo)準(zhǔn)塊”組成。管片外徑φ12.4 m,內(nèi)徑φ11.3 m,幅寬2 m,采用C50混凝土材料。管片環(huán)斷面示意如圖1所示。

圖1 管片環(huán)斷面示意(單位:mm)

隧道位于里程范圍DK5+402～DK5+428斜穿南寧地鐵5號(hào)線周家坡站,隧道頂部與車站底板凈距11.7 m。周家坡車站長(zhǎng)165.6 m,寬22.1 m,高20.33 m,車站底板布置有4根直徑φ1 m,長(zhǎng)26.5 m的加固樁。盾構(gòu)隧道施工中,采用提前注漿方案對(duì)周圍地層進(jìn)行防護(hù),注漿層以車站中心對(duì)稱布置總長(zhǎng)為30 m。隧道與車站的相關(guān)關(guān)系見圖2。

圖2 隧道與車站位置關(guān)系(單位:mm)

1.2 模型建立

依據(jù)隧道斜穿南寧地鐵5號(hào)線周家坡車站工程背景,采用有限元軟件構(gòu)建三維數(shù)值計(jì)算模型,考慮邊界效應(yīng)的影響,模型長(zhǎng)210 m,寬120 m,高90 m。數(shù)值模型如圖3所示。模型主體包含管片結(jié)構(gòu)、地鐵車站、加固樁和注漿層。

圖3 三維數(shù)值計(jì)算模型

假設(shè)隧道穿越車站區(qū)段地層不發(fā)生變化,地層示意如圖4所示。隧道斷面地層從上至下依次為圓礫土、粉質(zhì)黏土、中風(fēng)化泥巖以及中風(fēng)化粉砂巖,其中中風(fēng)化泥巖地層具有南寧地區(qū)典型膨脹性質(zhì)。地層參數(shù)見表1。

表1 地層參數(shù)

圖4 地層斷面示意

1.3 膨脹土模擬

1.3.1 膨脹特性模擬

數(shù)值計(jì)算中膨脹巖土采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型,膨脹地層的應(yīng)變施加方式采用熱膨脹取代濕膨脹。在FLAC3D軟件中通過設(shè)置地層線熱膨脹系數(shù)αt與溫差ΔT2個(gè)參數(shù),控制巖土體的膨脹。計(jì)算公式見式(1)。

ε=αt×ΔT

(1)

根據(jù)地質(zhì)勘測(cè)結(jié)果,隧道所處地區(qū)中風(fēng)化泥巖自由膨脹率δ在37%～71%,體積膨脹率ε在6%～30%。本文中取ε=25%進(jìn)行計(jì)算。

1.3.2 循環(huán)軟化特性

循環(huán)軟化特性主要指膨脹巖土在重復(fù)吸水膨脹失水收縮的過程中巖體強(qiáng)度的衰減[13]。膨脹土經(jīng)歷干濕循環(huán)作用后,土體強(qiáng)度發(fā)生顯著變化,主要表現(xiàn)為土體的粘聚力發(fā)生衰減,其內(nèi)摩擦角變化不大[14]。呂海波等[11]得到粘聚力的衰減擬合公式見式(2)。

(2)

式中:η為粘聚力衰減率;a為極限衰減;n為干濕循環(huán)次數(shù);b,λ為擬合參數(shù)。根據(jù)曾召田[15]對(duì)南寧原狀膨脹土室內(nèi)干濕循環(huán)強(qiáng)度試驗(yàn),采用上述公式擬合,得到a為0.97;b為1.96;λ為2.35。試驗(yàn)證明文獻(xiàn)[16]膨脹土強(qiáng)度在5次干濕循環(huán)后變化不再明顯,計(jì)算中n取1～5。

1.4 計(jì)算流程

如圖5所示，模擬流程：①初始地應(yīng)力平衡后以2 m為進(jìn)尺循環(huán)開挖隧道核心土，同時(shí)賦予管片結(jié)構(gòu)，當(dāng)隧道掘進(jìn)至車站底部30 m范圍施加注漿層保護(hù)；②隧道開挖完成后，提高膨脹地層溫度模擬地層膨脹；③降低溫度至初值，同時(shí)對(duì)膨脹地層強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行衰減，模擬膨脹地層失水軟化過程。④重復(fù)②、③步，直至5次循環(huán)后膨脹土性質(zhì)不再衰減。

圖5 計(jì)算流程示意

2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果

分別監(jiān)控地鐵車站邊墻、地鐵車站底板以及加固樁的沉降,監(jiān)測(cè)點(diǎn)位見圖6。其中邊墻測(cè)點(diǎn)選取隧道輪廓上方與邊墻交界位置(BQ);底板測(cè)點(diǎn)選取隧道穿越車站中心位置(DB);加固樁沉降測(cè)點(diǎn)選取加固樁底部位置(Z)。

圖6 計(jì)算測(cè)點(diǎn)選取

2.1 隧道開挖車站沉降分析

圖7表示隧道開挖階段地鐵車站隨著隧道開挖進(jìn)程的沉降量變化規(guī)律。由圖7可知:

圖7 隧道開挖階段車站沉降量

(1)隧道掘進(jìn)首先經(jīng)過BQ-1、BQ-2測(cè)點(diǎn)位置的車站左墻。隨著盾構(gòu)掘進(jìn),車站左墻沉降迅速發(fā)展,盾構(gòu)開挖至23環(huán)時(shí)隧道上部有注漿層保護(hù),沉降速度開始放緩。在盾構(gòu)穿越車站后,車站左墻反向上位移,沉降量有所降低,累計(jì)沉降在5 mm左右。

(2)測(cè)點(diǎn)BQ-3、BQ-4位于車站右墻, 0～23環(huán)掘進(jìn)過程中右墻沉降相對(duì)左墻較小。隧道穿越車站時(shí)沉降同樣明顯放緩。當(dāng)掘進(jìn)通過車站底部后,車站右墻沉降迅速增大至6～6.5 mm,直至盾構(gòu)離開30 m左右沉降放緩,并逐漸趨于穩(wěn)定。

(3)對(duì)于車站底板沉降,沉降總體上持續(xù)增大,掘進(jìn)至車站前沉降量增長(zhǎng)較快,當(dāng)隧道穿越車站后沉降逐漸放緩,最終沉降量為5.57 mm。

從總體沉降量變化規(guī)律可以看出,車站首先經(jīng)過車站左墻車站左墻沉降量大于右墻沉降量,車站此時(shí)向左傾斜;隧道開挖經(jīng)過車站中心后,車站右側(cè)沉降增大,車站左側(cè)輕微隆起,偏轉(zhuǎn)開始恢復(fù),最終車站右側(cè)沉降略大于左側(cè)。

2.2 隧道開挖加固樁沉降分析

如圖8所示,隧道開挖階段不同位置加固樁的沉降總體規(guī)律相似。加固樁在隧道掘進(jìn)至車站過程發(fā)生較大沉降,掘進(jìn)穿越車站過程沉降恢復(fù),而后隧道遠(yuǎn)離車站區(qū)段后車站再度發(fā)生沉降。聯(lián)系圖7可知,隧道掘進(jìn)至車站前車站發(fā)生偏轉(zhuǎn),此時(shí)加固樁受力支撐車站,同時(shí)自身由于受力影響發(fā)生變形的同時(shí)有較大沉降。隨著隧道掘進(jìn)穿越車站部分,此時(shí)地層收到注漿層的加固作用,同時(shí)車站右墻沉降加速車站整體偏轉(zhuǎn)減小,加固樁受力減小,沉降量隨之恢復(fù)。隧道遠(yuǎn)離車站時(shí),加固樁伴隨車站整體發(fā)生少量沉降。當(dāng)車站沉降不均時(shí),加固樁受力發(fā)生被動(dòng)沉降,由此可推斷加固樁可在一定程度上削弱車站沉降不均導(dǎo)致的傾斜問題。

圖8 隧道開挖階段加固樁沉降量

2.3 循環(huán)膨脹作用車站沉降分析

隨著膨脹多次循環(huán),土體強(qiáng)度逐漸衰減,其中土體剩余強(qiáng)度可由1-η計(jì)算。從圖9來看,隨著膨脹循環(huán)的進(jìn)行,車站主體隨著土體的循環(huán)軟化再次沉降。當(dāng)膨脹發(fā)生時(shí),膨脹地層向車站向上釋放位移,此時(shí)車站有向上位移趨勢(shì);當(dāng)膨脹地層“失水軟化”時(shí),車站失去膨脹力支撐再次沉降,沉降量相對(duì)膨脹發(fā)生前有所增大。隨著膨脹過程車站各位置沉降量趨于均勻,以DB測(cè)點(diǎn)作為車站沉降量參考,隧道開挖后車站沉降5.57 mm,膨脹循環(huán)后總沉降為7.65 mm,循環(huán)膨脹使車站沉降提升了37.34%。

圖9 循環(huán)膨脹階段車站沉降量

2.4 膨脹作用車站受力分析

圖10(a)為隧道開挖階段結(jié)束時(shí)車站最大主應(yīng)力受力情況,車站主體與加固樁受到壓應(yīng)力,僅隧道底板及中柱位置受到拉應(yīng)力。圖10(b)為車站受到地層膨脹效應(yīng)后,由于土體的擠壓,車站受到壓應(yīng)力增大至7.87 MPa。此時(shí)加固樁在臨近車站位置因“阻止”車站向上膨脹位移影響而受到拉應(yīng)力,最大為1.92 MPa。同時(shí)加固樁的存在也在一定程度上減弱了膨脹效應(yīng)對(duì)車站的影響。當(dāng)膨脹地層循環(huán)膨脹后見圖10(c),車站受力恢復(fù)且整體受力與開挖結(jié)束時(shí)受力規(guī)律相似,量值上有較小的增加?？傮w來說,車站和加固樁為C40混凝土,可承受最大40 MPa壓應(yīng)力以及4～5 MPa的拉應(yīng)力,膨脹引起的受力變化不會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。

圖10 車站受力分析

3 結(jié)論

本文基于南寧某大直徑鐵路盾構(gòu)隧道與膨脹地層近接地鐵車站施工為工程背景,建立了精細(xì)化數(shù)值分析模型,模擬了隧道掘進(jìn)以及膨脹地層膨脹—軟化過程中地鐵車站的沉降及受力規(guī)律,得出結(jié)論:

(1)隧道施工期掘進(jìn)擾動(dòng)將導(dǎo)致車站主體產(chǎn)生約5.57 mm的沉降。車站沉降的同時(shí)會(huì)產(chǎn)生輕微傾斜,加固樁布置于車站底部有利于抵抗不均勻沉降。

(2)膨脹地層循環(huán)膨脹后地層強(qiáng)度逐漸衰減,導(dǎo)致上覆車站再度沉降至7.65 mm。車站受到循環(huán)膨脹作用導(dǎo)致的沉降約為隧道開挖導(dǎo)致沉降的37.34%,設(shè)計(jì)施工時(shí)應(yīng)考慮膨脹地層受擾動(dòng)后的二次沉降問題。

(3)膨脹土吸水膨脹會(huì)導(dǎo)致周圍建構(gòu)筑物受力增大,失水收縮后對(duì)周邊受力影響恢復(fù)。膨脹土受力影響主要集中于膨脹階段。