劉庭金,陳培釗,蔡良怡,林志威

(1.華南理工大學(xué)亞熱帶建筑與城市科學(xué)全國重點實驗室,廣東 廣州 510640;2.華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院,廣東 廣州 510640)

0 引言

在城市地下空間開發(fā)過程中,新建盾構(gòu)隧道下穿既有建筑的情況越來越常見。盾構(gòu)施工會不可避免地擾動周邊地層,誘發(fā)建筑基礎(chǔ)發(fā)生沉降或隆起,進(jìn)而影響上部結(jié)構(gòu)的正常使用,甚至危及結(jié)構(gòu)安全。為此,盾構(gòu)隧道施工對上方既有建筑的影響越來越引起工程師和專家學(xué)者的重視。

近年來國內(nèi)學(xué)者對盾構(gòu)下穿誘發(fā)既有建筑的影響做了進(jìn)一步的分析與總結(jié),主要包括:①基于Peck公式、Mindlin解、隨機介質(zhì)定理等既有理論,推導(dǎo)復(fù)雜條件下的地表沉降計算式[1-3];②基于具體工程的實測數(shù)據(jù)分析既有結(jié)構(gòu)的沉降特性,并討論下穿施工的控制要點、加固措施等內(nèi)容[4-5];③通過模型試驗探討特定條件下盾構(gòu)誘發(fā)地表沉降、結(jié)構(gòu)響應(yīng)的特點[6-7];④通過數(shù)值模擬預(yù)測或反演分析盾構(gòu)下穿對既有結(jié)構(gòu)的影響,并進(jìn)行關(guān)鍵參數(shù)的敏感性分析[8-9]。

綜上可知,預(yù)測和控制盾構(gòu)對既有結(jié)構(gòu)的影響,是本研究的重點。但現(xiàn)階段盾構(gòu)下穿地表建筑的案例分析主要針對磚混結(jié)構(gòu)和低層框架結(jié)構(gòu),下穿多層及高層框架結(jié)構(gòu)的實測分析相對較少,一般以數(shù)值模擬為主。朱逢斌[10]通過室內(nèi)模型試驗和數(shù)值模擬的方法,系統(tǒng)研究了盾構(gòu)誘發(fā)鄰近多層框架結(jié)構(gòu)的附加位移、附加內(nèi)力及地表沉降;陳大川等[11]探討了盾構(gòu)側(cè)穿時淺基礎(chǔ)框架結(jié)構(gòu)對空間相對位置的敏感性;張煜等[12]模擬分析了天津軟土地區(qū)盾構(gòu)平行下穿引起樁基礎(chǔ)框架結(jié)構(gòu)的位移和內(nèi)力變化規(guī)律。

本文以廣州市綜合管廊盾構(gòu)斜交下穿既有中高層框架結(jié)構(gòu)為研究對象,通過現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值模擬,分析盾構(gòu)施工誘發(fā)上部框架結(jié)構(gòu)的沉降響應(yīng)規(guī)律,為類似工程的研究提供參考。

1 工程概況

1.1 隧道概況

本區(qū)間綜合管廊為單線盾構(gòu)隧道,采用土壓平衡盾構(gòu)機施工。規(guī)劃線路周邊分布有較多建筑物,環(huán)境條件復(fù)雜,對施工質(zhì)量和沉降控制要求較高。其中盾構(gòu)隧道第337～385環(huán)下穿民用綜合樓,是本區(qū)間隧道工程的重點之一。

盾構(gòu)隧道由東北向西南斜交穿越綜合樓,下穿區(qū)段位于R=250m的平面小曲線內(nèi),隧道頂部平均埋深為28.3m,采用C50管片錯縫拼裝,管片外徑6.0m,內(nèi)徑5.4m,厚0.3m。

1.2 建筑物概況

盾構(gòu)下穿的綜合樓竣工于20世紀(jì)90年代初,含南側(cè)居民樓及北側(cè)辦公樓兩部分,為8～10層的中高層框架結(jié)構(gòu)。居民樓的結(jié)構(gòu)平面布置為倒板凳形,南樓結(jié)構(gòu)高度約為23.9m,東樓和西樓結(jié)構(gòu)高度約為25.8m。北側(cè)辦公樓結(jié)構(gòu)平面布置相對簡單,結(jié)構(gòu)高度約為28.9m。盾構(gòu)隧道平面位置如圖1所示。

圖1 盾構(gòu)隧道平面位置

綜合樓采用錘擊沉管灌注樁基礎(chǔ),樁基直徑480mm。鑒于綜合樓竣工時間久遠(yuǎn),成樁資料缺失,無法確定具體位置的樁基長度,僅能確定樁長范圍為9～14m,則樁底與隧道頂部距離≥10.39m。二者之間所夾土層主要為⑦強風(fēng)化炭質(zhì)頁巖層、⑧中風(fēng)化炭質(zhì)頁巖層。地質(zhì)縱剖面如圖2所示。

圖2 盾構(gòu)隧道地質(zhì)縱剖面

盾構(gòu)施工前,第三方檢測機構(gòu)對綜合樓現(xiàn)狀進(jìn)行評估,評定其完損等級為基本完好,局部需修繕處理。但考慮到綜合樓結(jié)構(gòu)老化、累積變形及現(xiàn)狀裂縫等問題,需充分重視盾構(gòu)下穿誘發(fā)綜合樓的結(jié)構(gòu)響應(yīng),并做好控制措施。

1.3 建筑保護(hù)方案

為減小盾構(gòu)施工可能誘發(fā)的建筑沉降,本工程采用“地面注漿+洞內(nèi)超前注漿”的方案對綜合樓進(jìn)行地基加固。

地面注漿方案擬在綜合樓周邊布設(shè)23個注漿加固孔,如圖3所示。對深度為25～29m的強、中風(fēng)化炭質(zhì)頁巖層進(jìn)行預(yù)注漿加固。但考慮到綜合樓周邊地面作業(yè)條件有限,需避開既有房屋、管線等,地面注漿實際加固范圍可能不足,因而同時采用洞內(nèi)超前注漿的方法,盡量減少加固盲區(qū)。

圖3 地面注漿加固平面

洞內(nèi)超前注漿方案為在隧道內(nèi)采用小型鉆機對刀盤前上方3m范圍內(nèi)的土體進(jìn)行預(yù)注漿加固,維持開挖面上方土體的穩(wěn)定,如圖4所示。超前注漿采用雙液漿,凝固時間約20s,采用注漿壓力和注漿量雙重控制,以土倉壓力變化值為參考。注漿倉壓不超過0.35MPa,注漿壓力范圍為3.5～3.8MPa。

圖4 洞內(nèi)超前注漿示意(單位:m)

最終地基加固效果如圖5所示。此外,根據(jù)盾構(gòu)穿越的實時監(jiān)測數(shù)據(jù),必要時采用袖閥管跟蹤注漿,控制房屋的沉降與傾斜。

圖5 地面及洞內(nèi)注漿加固剖面

2 建筑沉降監(jiān)測結(jié)果及分析

2.1 沉降監(jiān)測點布置

綜合管廊盾構(gòu)斜交下穿綜合樓的時間為2021年8月12日至2021年9月1日。盾構(gòu)從東北向西南掘進(jìn),先下穿辦公樓東側(cè),再下穿居民樓西側(cè),采用幾何水準(zhǔn)測量方法監(jiān)測穿越過程中的建筑沉降。綜合樓結(jié)構(gòu)的沉降觀測點平面布置如圖6所示。

圖6 現(xiàn)場觀測點平面布置

2.2 北側(cè)辦公樓沉降監(jiān)測結(jié)果及分析

盾構(gòu)施工過程中北側(cè)辦公樓各測點的沉降時程曲線如圖7所示。測點最大過程沉降約為5.87mm,發(fā)生在JC29-14點。

圖7 北側(cè)樓沉降時程曲線

由于辦公樓東側(cè)JC29-1,JC29-12,JC29-14等觀測點均距下穿位置較近,易受盾構(gòu)施工影響,故其沉降量相對較大,且沉降過程表現(xiàn)出一定規(guī)律,可大致分為主要沉降、沉降回彈、沉降穩(wěn)定3個階段。

1)在主要沉降階段,上述東側(cè)觀測點連續(xù)數(shù)日沉降量快速增加,最大沉降速率達(dá)2.2mm/d,說明辦公樓在盾構(gòu)下穿期間受到了較大擾動。推測有以下幾方面原因:①下穿綜合樓前,盾構(gòu)機已停機在綜合樓前約18m位置較長時間,而根據(jù)相關(guān)研究,盾構(gòu)重新啟動掘進(jìn)對土體的擾動作用和影響范圍遠(yuǎn)大于正常掘進(jìn)的情況[13];②對于R=250m的小曲線轉(zhuǎn)彎段,通常需在彎道內(nèi)側(cè)進(jìn)行超挖,盾尾同步注漿未能及時填充封閉超挖區(qū),且盾構(gòu)機在彎道內(nèi)外兩側(cè)的附加推力和側(cè)摩阻力分布不均,對地層擾動較大[2];③盾構(gòu)穿越過程中,前方盾體重度較大,會在一定程度上壓實土層,引起土體沉降。

2)在沉降回彈階段,東側(cè)觀測點沉降曲線出現(xiàn)明顯拐點,逐步回彈,回彈總量最大達(dá)到3mm,此時盾構(gòu)已穿越東側(cè)觀測點斷面一定距離。結(jié)合本工程的盾構(gòu)施工方案,并對照類似下穿工程[14],推測沉降回彈包括以下兩方面原因:①為控制觀測點的沉降速率及后續(xù)沉降,通過管片預(yù)留注漿孔進(jìn)行洞內(nèi)徑向注漿,注漿補償了部分地層沉降,使沉降有所回彈,待到漿液完全硬化會再發(fā)生輕微沉降,隨后穩(wěn)定;②由于盾構(gòu)通過后的卸載效應(yīng),地基土逐步松弛回彈,帶動隧道結(jié)構(gòu)發(fā)生隆起,使地表結(jié)構(gòu)沉降有所減小。

3)在沉降穩(wěn)定階段,各觀測點的沉降量基本穩(wěn)定在4mm以內(nèi),但鑒于觀測點布設(shè)位置受限,部分盾構(gòu)正下穿柱基的敏感位置未能設(shè)置觀測點,需進(jìn)一步通過數(shù)值模擬手段進(jìn)行預(yù)測分析。

2.3 南側(cè)居民樓沉降監(jiān)測結(jié)果及分析

盾構(gòu)先側(cè)穿居民樓東側(cè),再下穿居民樓西側(cè),對東西兩側(cè)觀測點分別進(jìn)行討論,各測點的沉降時程曲線如圖8,9所示。

圖8 南側(cè)樓東側(cè)沉降時程曲線

圖9 南側(cè)樓西側(cè)沉降時程曲線

居民樓東側(cè)觀測點最大過程沉降約為3.71mm,發(fā)生在JC29-15觀測點,距離盾構(gòu)下穿位置較近,其沉降發(fā)展規(guī)律與北側(cè)辦公樓的JC29-1,JC29-12,JC29-14等觀測點相似。東側(cè)剩余觀測點距隧道下穿位置較遠(yuǎn),最大沉降穩(wěn)定在3mm左右。

居民樓西側(cè)觀測點最大過程沉降約為4.27mm,發(fā)生在JC29-19觀測點。西側(cè)觀測點可大致分為兩個沉降階段:①主要是盾構(gòu)下穿居民樓前的掘進(jìn)影響,過程最大沉降為3.14mm,沉降速率較小;②主要是盾構(gòu)下穿居民樓的影響,各觀測點沉降量在此階段達(dá)到最大值,并于盾構(gòu)穿過后有2mm左右的沉降回彈。雖缺少后續(xù)穩(wěn)定階段的沉降監(jiān)測數(shù)據(jù),但從整體上看,南側(cè)居民樓各測點的沉降變化較小。

3 盾構(gòu)下穿過程的數(shù)值模擬

3.1 數(shù)值模型建立

鑒于現(xiàn)場觀測點的空間布置受限,未能獲取足夠的數(shù)據(jù)對綜合樓各敏感位置的地表沉降、柱基沉降、不均勻沉降及整體傾斜進(jìn)行分析。為進(jìn)一步分析盾構(gòu)誘發(fā)中高層框架結(jié)構(gòu)的響應(yīng),結(jié)合相關(guān)工程資料及實測數(shù)據(jù),采用MIDAS GTS NX有限元軟件建立三維數(shù)值模型進(jìn)行反演分析。

考慮到上部結(jié)構(gòu)剛度對下部基礎(chǔ)及土體沉降的約束作用,采用板單元和梁單元模擬綜合樓框架結(jié)構(gòu)的樓蓋和結(jié)構(gòu)柱,并在每層樓面施加等效均布荷載模擬傳至基礎(chǔ)的建筑荷載。同時,考慮到結(jié)構(gòu)存在的老化問題,需對結(jié)構(gòu)剛度進(jìn)行折減,對彈性模量取折減系數(shù)0.8。

根據(jù)盾構(gòu)下穿施工的影響范圍,考慮邊界效應(yīng),建立的數(shù)值模型如圖10所示。尺寸為130m×115m×60m,模型長度和寬度取至建筑物邊緣外40m,模型底部距隧道底部約25m,并對數(shù)值模型四周施加法向位移約束,底面施加固定位移約束,頂面自由。

圖10 三維數(shù)值模型

模型假定地層水平向均勻分布,根據(jù)場地地質(zhì)資料將其由上往下依次劃分為填土、粉質(zhì)黏土、全風(fēng)化巖、強風(fēng)化巖、強-中風(fēng)化巖過渡層、中風(fēng)化巖。其中,考慮到隧道周邊實際強、中風(fēng)化巖層交替,模型增加了強-中風(fēng)化過渡層,巖土參數(shù)取值在強、中風(fēng)化巖之間。洞內(nèi)加固和地面加固的范圍均位于強風(fēng)化巖層和強-中風(fēng)化巖過渡層。

模型中土層、等代層、基礎(chǔ)承臺等均采用3D實體單元,盾殼、管片、樓板等采用2D單元,結(jié)構(gòu)柱、樁等采用1D線單元,最終建立的整體模型總計 350 601 個單元,186 086個結(jié)點。

3.2 計算參數(shù)選取

計算模型中土體、預(yù)注漿加固體采用莫爾-庫倫本構(gòu),盾殼、管片、等代層、框架結(jié)構(gòu)等采用彈性本構(gòu)。土體參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)主要依據(jù)巖土工程勘察報告及相關(guān)工程經(jīng)驗取值,如表1,2所示。

表1 數(shù)值模型土體計算參數(shù)

表2 數(shù)值模型結(jié)構(gòu)計算參數(shù)

根據(jù)施工方案及相關(guān)工程經(jīng)驗,模型計算中土倉壓力取值0.30MPa,同步注壓力取值為0.35MPa。

3.3 掘進(jìn)過程模擬

盾構(gòu)掘進(jìn)模擬過程如圖11所示。先對盾構(gòu)前上方土體進(jìn)行預(yù)加固,再通過鈍化土體、激活盾殼及盾體質(zhì)量、施加掌子面壓力模擬隧道的開挖過程。然后激活管片和等代層網(wǎng)格,并通過施加注漿壓力和改變注漿層的材料屬性的方法來模擬注漿和漿液硬化過程。

圖11 盾構(gòu)掘進(jìn)示意

4 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

盾構(gòu)穿越綜合樓時與JC29-1,JC29-14位置對應(yīng)的柱基沉降發(fā)展曲線如圖12所示。柱基沉降曲線在回彈階段的回彈量較小,致使最終沉降與實測結(jié)果相差較大。這是由于常規(guī)的盾構(gòu)模擬工況并沒有考慮實際工程中洞內(nèi)二次注漿的抬升作用。

圖12 不考慮二次注漿的柱基沉降發(fā)展曲線

為進(jìn)一步擬合實測結(jié)果的沉降曲線,充分考慮洞內(nèi)二次注漿的抬升作用,在距離開挖面一定距離的管節(jié)施加二次徑向注漿壓力,進(jìn)一步修正模型,得到修正后的柱基沉降曲線如圖13所示。對比可知,修正后的柱基沉降曲線與實測結(jié)果基本吻合,表現(xiàn)為沉降-回彈-穩(wěn)定3個階段。由此對綜合樓的結(jié)構(gòu)響應(yīng)展開分析。

圖13 考慮二次注漿的柱基沉降發(fā)展曲線

4.1 沉降分析

基于上述數(shù)值模型,為方便討論框架結(jié)構(gòu)柱基的響應(yīng)規(guī)律,對柱基位置重新編號,如圖14所示。盾構(gòu)施工時北側(cè)辦公樓和南側(cè)居民樓的柱基最大沉降發(fā)展曲線如圖15所示。

圖14 柱基平面布置

圖15 柱基最大沉降發(fā)展曲線

由圖15可知,北側(cè)辦公樓柱基的最大過程沉降為6.7mm,最大穩(wěn)定沉降為4.0mm,均發(fā)生在B6位置。辦公樓A8,B7,B6,B5,C5,C4等柱基依次被盾構(gòu)下穿,依次出現(xiàn)柱基過程沉降的較大值。南側(cè)居民樓柱基的最大過程沉降為6.2mm,發(fā)生在D3位置;最大穩(wěn)定沉降為3.5mm,發(fā)生在G1位置。在盾構(gòu)側(cè)穿居民樓東側(cè)時,距隧道軸線較近的D7,D6柱基沉降較大;但在下穿居民樓西側(cè)時,正下穿位置的D3,E3,E2,F1等柱基沉降更大。

提取1—1斷面垂直于隧道軸線方向的地表沉降曲線如圖16所示,地表沉降主要發(fā)生在距盾構(gòu)軸線5倍洞徑內(nèi)的區(qū)域。距盾構(gòu)軸線越近,地表沉降就越大。且在盾構(gòu)開挖面超過測點一定距離后,測點地表沉降方達(dá)到最大值。但在二次注漿作用下,最終地表沉降會有所減小。

圖16 地表沉降曲線

結(jié)合柱基沉降較大值的分布位置及地表沉降曲線可得出,在盾構(gòu)軸線沿線位置的柱基沉降更大,受盾構(gòu)施工影響顯著。柱基與盾構(gòu)隧道的空間相對位置關(guān)系是決定柱基沉降大小的重要因素。

4.2 不均勻沉降分析

進(jìn)一步統(tǒng)計在盾構(gòu)全過程相鄰柱基的差異沉降,典型值如表3,4所示。北側(cè)樓最大差異沉降為3.2mm,差異沉降比為0.40‰;南側(cè)樓最大差異沉降為2.0mm,差異沉降比為0.44‰。

表3 北側(cè)樓相鄰柱基差異沉降

表4 南側(cè)樓相鄰柱基差異沉降

根據(jù)GB 50007—2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》,在地基土為中、低壓縮性土?xí)r,框架結(jié)構(gòu)的相鄰柱基沉降差與柱距之比不得超過0.002,即2‰。因此,本工程盾構(gòu)誘發(fā)綜合樓的不均勻沉降均小于規(guī)范容許值。

由圖16可知,在盾構(gòu)隧道邊緣兩倍洞徑范圍內(nèi),地表沉降曲線的斜率較大,表明在該范圍內(nèi)的鄰近柱基沉降差異較大。同時結(jié)合表3,4統(tǒng)計的差異沉降較大的柱基位置,可知相鄰柱基差異沉降的較大值主要發(fā)生在距盾構(gòu)軸線較小距離的柱基之間,且以柱基連線與盾構(gòu)軸線相交角度較大的柱基為主。

此外,以B軸柱基為代表,提取北側(cè)樓辦公樓縱柱基沉降變化曲線如圖17所示。盾構(gòu)下穿前,距離開挖面最近位置的柱基最先發(fā)生沉降,縱向沉降曲線為懸臂形;隨著盾構(gòu)的掘進(jìn),縱向沉降曲線在下穿位置附近出現(xiàn)反彎點,逐漸變?yōu)橹虚g下凹型形;在盾構(gòu)穿越北側(cè)樓一定距離后,由于二次注漿影響,下凹段曲線逐漸變緩,北側(cè)樓最終的縱向差異沉降變小。

圖17 B軸柱基沉降變化曲線

4.3 整體傾斜分析

根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》,當(dāng)建筑高度Hg滿足24m

盾構(gòu)穿越過程中,辦公樓的最大水平位移為10.1mm,最大整體傾斜為0.35‰,發(fā)生在C1角點;居民樓的最大水平位移為7.1mm,最大整體傾斜為0.30‰,發(fā)生在H1角點。綜合樓的整體傾斜均小于規(guī)范容許值。

在盾構(gòu)穿過后的穩(wěn)定階段,辦公樓的最大水平位移為6.87mm,最大整體傾斜為0.24‰;居民樓的最大水平位移為4.9mm,最大整體傾斜為0.19‰。此時綜合樓的整體傾斜值相對盾構(gòu)穿越時有所降低,經(jīng)分析主要得益于盾構(gòu)穿越后的沉降回彈現(xiàn)象。

根據(jù)綜合樓各角點的水平位移方向,繪制綜合樓各角點的傾斜趨勢如圖18所示。在盾構(gòu)大范圍斜交下穿辦公樓過程中,辦公樓各角點有圍繞盾構(gòu)線路逆時針扭轉(zhuǎn)變形的趨勢。而居民樓結(jié)構(gòu)布置相對復(fù)雜,盾構(gòu)僅小范圍斜交下穿居民樓的西北側(cè),因而盾構(gòu)對居民樓整體的影響主要表現(xiàn)為側(cè)穿影響,居民樓表現(xiàn)為整體向西北傾斜的趨勢。

圖18 建筑角點傾斜示意

4.4 洞內(nèi)二次注漿效果分析

為分析洞內(nèi)二次注漿在中高層框架結(jié)構(gòu)響應(yīng)中所發(fā)揮的作用,對比有無洞內(nèi)二次注漿兩種條件下綜合樓的結(jié)構(gòu)響應(yīng),結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

表5 各工況下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)

在無洞內(nèi)二次注漿條件下,柱基在穩(wěn)定階段的最大沉降略小于過程最大沉降,但不均勻沉降、整體傾斜與過程最大值基本一致。

在有洞內(nèi)二次注漿條件下,柱基最大過程沉降小于無二次注漿條件的情況,且在穩(wěn)定階段的最大沉降、不均勻沉降、整體傾斜均小于過程最大值。

因此,在盾構(gòu)掘進(jìn)后及時進(jìn)行洞內(nèi)二次注漿,能減小地表框架結(jié)構(gòu)在穩(wěn)定階段的沉降、不均勻沉降以及整體傾斜。

5 結(jié)語

本文以廣州市綜合管廊盾構(gòu)斜交下穿既有中高層框架結(jié)構(gòu)為例,對現(xiàn)場沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析,并基于實測數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值反演,進(jìn)一步討論了盾構(gòu)穿越誘發(fā)中高層框架結(jié)構(gòu)的沉降及傾斜影響。

1)根據(jù)沉降實測數(shù)據(jù),本工程盾構(gòu)正下穿位置的柱基沉降過程可分為主要沉降-沉降回彈-沉降穩(wěn)定3個階段。

2)基于數(shù)值模擬,柱基沉降的較大值主要發(fā)生在盾構(gòu)軸線沿線位置;柱基差異沉降的較大值主要發(fā)生在距盾構(gòu)軸線較小距離的柱基之間,且以柱基連線與盾構(gòu)軸線相交角度較大的柱基為主。

3)盾構(gòu)穿越位置會影響框架結(jié)構(gòu)的傾斜趨勢。盾構(gòu)大角度大范圍斜交下穿時,框架結(jié)構(gòu)有圍繞盾構(gòu)線路發(fā)生空間扭轉(zhuǎn)的趨勢;盾構(gòu)近距離側(cè)穿或小范圍斜交下穿時,框架結(jié)構(gòu)有整體向盾構(gòu)側(cè)傾斜的趨勢。

4)在盾構(gòu)穿越后及時進(jìn)行洞內(nèi)二次注漿,能減小上方框架結(jié)構(gòu)在穩(wěn)定階段的沉降、不均勻沉降及整體傾斜。

本文結(jié)論依托于實際工程,旨在為相關(guān)研究和類似工程提供參考。不同的基礎(chǔ)形式、地層條件、空間關(guān)系等均會影響地表框架結(jié)構(gòu)的響應(yīng),針對具體工程仍需具體分析。