盾构隧道建筑物相互作用规律研究及其施工风险分析

马笑遇

(杭州市地铁集团有限责任公司,杭州 310020)

在地铁隧道施工中,由于盾构法对隧道周围土体扰动较小,利于地面建(构)筑物和地下管线的保护,更减小了对城市秩序的影响,实现快速、安全、可靠施工目的,因此逐渐成为目前我国城市地铁建设的主要施工方法。然而在杭州、上海等沿海城市,由于地下水位高、土质软弱,工程性能差等不利因素,在采用盾构法施工时一般会导致地下水位降低,进而导致地面沉降过大,引起地表路面或建筑物的开裂,从而会对建筑物的使用、甚至安全构成威胁[1]。因此在地铁施工过程中,必须控制地层的变形以减少地下结构开挖对地表及建筑物造成的影响[2]。

目前,国内外关于隧道与建筑物相互作用及风险分析方面的研究文献主要有:

L.T.Chen,H.Gpoulos[3]等人(1999)利用两阶段方法对隧道施工引起的桩基变形特性进行了研究;N.Loganathan,H.G..Poulos[4](2000)利用离心模型试验对因隧道施工引起的单桩和群桩应力与变形特性的影响进行了初步研究;Mroueh等[5](2003)采用三维有限元方法模拟了在隧道施工中考虑了建筑物的存在以及忽略了建筑物存在两种情况下土体的位移;Lee等[6](2005)分析了拟建隧道通过已经构建的桩基时对桩承载力的影响;刘波,陶龙光等[7](2006)基于沉降预测理论及FLAC3D研究了地铁盾构隧道穿越建筑基础诱发地层变形的空间效应问题;冯慧君,范井越等[8](2009)采用FLAC3D对盾构隧道近距离旁穿越地面建筑物进行了模拟;但这些研究结果大都缺少实测数据的验证。

自 20世纪 70年代美国 Einstein.H.H在隧道与地下工程中引入风险分析以来,风险评估方法及风险管理的研究在欧美国家取得了一定的研究成果。Einstein.H.H曾撰写多篇文献论述隧道工程风险分析的特点和应遵循的理念[9];R.Stuzk等将风险分析技术应用于斯德哥尔摩环形公路隧道,得到了一些规律性的结论[10];此外,我国黄宏伟、陈龙等学者也在这方面做了一定的研究[11～13]。

1 工程概况

在建的杭州地铁 1号线某盾构区间,线路右线、左线总长为2478.967m,该盾构法隧道穿越房屋段隧道埋深 11.3～8.7m,本区间最小曲线半径 400m,隧道最大坡度 25‰,衬砌管片类型为钢筋混凝土管片,外径6200mm、内径 5500mm,宽度1200mm,厚度 350 mm。该区间沿线影响范围内共有房屋 25幢,其中下穿 15幢,具体情况如表1所示。

表1 区间沿线房屋情况

该区间隧道盾构穿越范围内的土层从上到下依次为:①2素填土、②2黏质粉土、④2淤泥质黏土、⑥2淤泥质粉质黏土。

2 模型建立

2.1 计算模型

根据施工情况说明和地质资料,采用 FLAC3D建立三维模型,如图1所示。选取隧道上方 1幢 3层建筑物为研究对象,基础类型为条形基础,在建立模型时,柱子和梁采用 beam单元。每层活荷载按规范取值,顶层活荷载为 0.5kPa,其他层活荷载取平均值 2.25 kPa,考虑传递到框架梁上的墙体重力,每层楼板面上所加荷载为 4.9kPa。

模拟计算采用如下假设:(1)地表和各层土均呈均质水平层状分布;(2)忽略地下水的渗透作用,土体本身变形与时间无关;(3)土体为各向同性、连续的弹塑性材料,服从 Mohr-Coulomb屈服准则;(4)建筑物与基础,基础与土体采用变形协调计算的方法。

2.2 模拟工况

盾构隧道掘进包括工作面开挖、管片环拼装和盾尾同步注浆 3个步骤。盾构开挖轮廓如图1所示。注浆材料按典型的双液注浆考虑,并取最终的弹性模量,注浆层的厚度主要受盾尾空隙的影响,取值为 0.2m。盾构区间管片衬砌外径 6.2m,厚 0.35m,为 C50钢筋混凝土,考虑到接头对管片衬砌结构的影响,采用刚度折减的方法来模拟,刚度折减系数为 0.8。

图1 盾构隧道计算模型

土体的开挖进尺为 1.2m(管片幅宽)一循环。盾构机的推进阻力主要有 3部分:机壳摩阻力、刀盘灌入阻力和刀盘开口处的土压力,对盾构机施加的总推力为三者之和。因为盾构机的顶进力将对前方地层损失量和由此产生的地层隆沉起到关键作用,因此在这里根据计算选取了12000kN(工法 1)、16000kN(工法2)、20000kN(工法 3)3种不同顶进力,来模拟盾构掘进对地层稳定性和建筑物变形的影响。

2.3 关键点位移

对于工法 1、工法 2、工法 3,在施工过程中一些关键点位移分别如表2所示。

表2 一些关键点的位移 mm

通过表2中数据可知。

(1)先开挖隧道对后开挖隧道的沉降也有一定的影响,如工法 1中右线开挖和左线开挖完后埋深 1.5D(拱顶)最大位移分别为 19.21mm和 25.24mm;二者相差 6.03mm。

(2)不同顶进力对地层沉降影响较大,比如工法1、工法 2和工法 3中,隧道开挖完后地表最大沉降值分别为 12.8、8.99mm和 6.56mm。

(3)随着推力增大,盾构机前方土体在 y方向位移逐渐增大,以工法 1、工法 2和工法 3为例,盾构机推力由 12000kN增加到 16000kN,由 16000kN增加到 20000kN,盾构机前方土体在 y方向的移动分别增加了 10.1mm和 19.3mm。

(4)从地表到拱顶,地层沉降逐渐增大,如在工法1中,施工完成后地表、埋深 1D和拱顶处沉降量分别为:12.8、19.56mm和 25.24mm。

(5)从地层沉降和掌子面前方位移这两个因素综合考虑,为了较好地控制前方地层隆沉和地层整体沉降,盾构机顶进力施加到 16000kN(即工法 2)较为适宜。

2.4 地层沉降槽及三维沉降曲面

根据上节研究成果,在本节中以工法 2为例,分析隧道开挖引起不同深度地层的横向沉降曲线和开挖完地表位移等值线(断面 y=24)和地表三维沉降规律,如图2～图5所示。

据图2和图5可知。

图2 地表横向沉降曲线(右线)

图3 地表横向沉降曲线(左线)

图4 地表沉降等值线

图5 地表三维沉降曲面

(1)根据不同深度下地层沉降曲线可以看出,在地表沉降槽的形态较为缓和,而且分布范围较大,随着深度增加(在拱顶以上),沉降槽变得更加陡峭,而且分布范围变窄。

(2)在右线施工完毕后地表最大沉降达到 7.1 mm,位于 10m处,横向影响范围距中心线约 10～15 m;左线施工完毕后,地表出现两个较大的沉降量:8.1 mm和 13.2mm,分别位于 -11m和 +10m处,即隧道左轴线和右轴线附近。由于两条隧道相距较远(22 m),约 3.6D,两隧道中间沉降较小,施工完成后仅地表沉降约 3.7mm。

(3)通过地表三维沉降曲面可以非常明显的看出整个地表沉降面成双凹槽的现象,左侧凹槽中心线与左线隧道轴线基本重合,右侧凹槽中线偏离右线隧道轴线左侧 0.7～1.0m,且在建筑物所在位置沉降量要比对应左线位置沉降量大,这表明由于隧道 -土 -建筑三者相互作用,使得建筑物附近地表的沉降受到了建筑物的影响。

(4)在建筑物周围等值线比较密集,由于建筑物的整体轮廓与右线隧道成斜交,说明在隧道开挖过程中地表沉降曲线受建筑物基础的影响,改变了其原有的扩散状态。

2.5 建筑物沉降分析

为了更好地分析盾构通过对房屋变形的影响,在本节中选取工法 1和工法 2进行分析,以建筑物的 4个角点(A、B、C和 D)作为沉降分析点,分析它们的沉降值随着盾构掘进变化的规律(仅分析右线),如图6、图7所示,其中 I区表示盾构尚未到达,Ⅱ区表示盾构正在通过,Ⅲ区表示盾构已经穿越了建筑物。

图6 工法 1建筑物沉降

图7 工法 2建筑物沉降

根据计算可得以下结论。

(1)由于受到盾构机顶进力作用,随着盾构机临近建筑物,4个监测点会在不同时间发生相应的隆起,且随着盾构机切削面的临近,隆起量逐渐增加,比如在工法 1中 B点和 C点在盾构机掘进到 13m左右隆起值达到最大约为 1.3mm,此时切削面离 B点和C点的距离约为 2D;随后监测点隆起开始逐渐减少,当盾构机掘进到 20m(离 B点、C点约为 0.75D)时,监测点开始沉降;当盾构机到达监测点时,监测点沉降完成总沉降的 25%左右,当盾尾通过监测点时,监测点沉降量约为总沉降的 53%左右,当盾尾通过监测点后 2D时,监测点沉降约为总沉降的 85%。

(2)从图中可以看出基础的沉降主要发生在Ⅱ区间段内,而且沉降速度和沉降量均比较大,在Ⅲ区内基础沉降已经基本稳定。

(3)不同的顶进力对盾构机前方的土层影响不同,比如工法 1和工法 2的顶进力分别为12000kN和16000kN,两图中所反映的监测点最大隆起量也不同,分别约为1.2mm和 1.7mm,因此通过调整盾构机的顶进力可以控制前方土层的隆沉。

(4)盾构掘进完后,工法 1中 B、A两点的沉降差为 7.4mm,B、C两点的沉降差为 1mm;D、C两点的沉降差为 5mm,D、A两点的沉降差为 1.4mm。根据《建筑地基基础设计规范》[14]中关于框架结构沉降差允许值的相关规定(表3),按中压缩土考虑,则[Δ]BA=7.4 mm＜0.002×LBA=0.002×12000=24mm,[Δ]BC=1.0mm＜0.002×LBC=0.002×7900=15.8mm,同理经计算,[Δ]DC和[Δ]DA,以及工法 2中 4个角点之间的沉降差也均满足规范安全要求。

表3 框架结构沉降差允许值 mm

3 数值模拟与现场监测数据比较

3.1 监测点布置

在盾构隧道穿越地面建筑物段,在建筑物的 4角设沉降观测点。沿隧道轴线按间距 5m设监测点,每30m布置一个监测横断面,在此选择 y=24m监测断面(即建筑物附近)进行分析,以便与数值模拟结果进行对比。

3.2 预警值的确定

根据理论计算,以及与杭州市房管所取得联系,确定以下报警、警戒值。

(1)报警值:房屋单次沉降超过 +2～-3mm,累计沉降 +3～-10mm,差异沉降 5mm;地表 ±3mm/d,累计沉降 +10～-30mm;

(2)警戒值:地面(房屋)明显隆起或下沉,房屋出现裂缝等。

3.3 监测数据及结果分析

根据图8和图9数据可知:

(1)断面 y=24m监测数据与数值计算结果相差最小值为 0.40mm,最大值为 1.5mm,表明数值模拟结果与实测较为接近,建筑物监测数据也同数值模拟结果相差不大,不过整体值要偏大一些。

(2)盾构通过房屋后,建筑物 4个角点 A、B、C、D的沉降值分别为 3.5、9.3、8.1mm和 4.6mm,房屋和地表的单次沉降值和累计沉降值均在预警值范围内,只有B点与 A点的差异沉降值约为 5.8mm,超过了预警值(5mm)约 0.8mm;同上,根据《建筑地基基础设计规范》[14],4个角点的沉降差 [Δ]BA=5.8mm＜0.002×LBA=0.002×12000=24mm,[Δ]BC=1.2 mm＜0.002×LBC=0.002×7900=15.8mm,同理经计算,[Δ]DC和[Δ]DA也均满足规范安全要求。

(3)根据盾构机刀盘前方地层的动态监测数据可知,为了减小盾构穿越房屋时对房屋的影响,刀盘前方地层始终保持 0.4～1.2mm的隆起量,数值模拟结果表明在盾构机到达房屋前,监测点的最大隆起值约为1.3mm,与刀盘前方地层隆沉动态监测值较为吻合,实践证明,这对控制房屋沉降起到了很大的作用。

图8 断面y=24m地表横向沉降曲线

图9 建筑物沉降监测曲线

4 施工风险因素分析及控制措施

4.1 风险因素

针对该区间的工程情况,在施工过程中可能存在以下潜在的施工风险因素:

(1)当作用在正面土体的推应力大于或小于原始侧向应力,都有可能造成盾构机上方地层隆沉,从而造成地层损失;

(2)在盾构暂停推进中,若推进千斤顶漏油回缩而引起盾构后退;

(3)土体挤入管片与盾构之间的建筑空隙;

(4)盾构施工中改变推进方向;

(5)管片的变形和隧道的沉降;

(6)隧道同时切割软硬不同土性层,易产生的软弱层超挖、排土过多引起的地面下沉和盾构偏离。

这些风险因素的存在导致了在实际施工过程中可能造成的地表沉降过大,进而导致隧道及隧道上方建筑物产生变形甚至开裂,对隧道本身及地表建筑物的安全产生较大影响。

4.2 控制措施

针对这些存在的风险因素,在实际施工过程中主要采取了以下一些措施:

(1)控制好盾构姿态,加强出土量和轴线的控制,尽量减小盾构纠偏量以减小对周围土体的扰动,确保盾构的顺利掘进;

(2)及时调整盾构施工参数,减少盾构的超挖和欠挖,以免造成盾构前方地面土体发生坍塌或隆起,具体参数见表4。

表4 盾构掘进施工参数

(3)在掘进过程中严格进行同步注浆作业,充分填充盾尾后隧道外建筑空隙,以减少隧道周围土体的水平及垂直位移而引起的地表沉降,具体参数见表5。

表5 同步注浆参数

(4)在盾构穿越后,为抵制盾构通过后房屋的后期沉降,我们在下穿房屋段隧道内进行了二次注浆,每环 6个孔均压注,具体配合比及注浆压力如下。

①水泥∶水玻璃∶水 =0.8∶0.04∶1;②注浆压力:0.3～1.0MPa。

(5)派技术人员跟班作业,及时指导、校正掘进参数。

(6)加强监测,发现问题及时汇报、处理。

5 结论

本文通过对数值模拟和现场监测数据进行对比分析主要得出以下结论。

(1)先开挖隧道对后开挖隧道的沉降也有一定的影响,但和两隧道之间中心距离有较大的关系,按照单孔隧道设计思想设计的平行隧道,其合理间距最好大于 0.7D,本文中两隧道的间距约为 3.6D,因此施工期间相互影响不是很大。

(2)施工完后,整个地表沉降面出现“双凹槽”的现象,且由于建筑物的存在,右侧凹槽中线(即沉降较大位置)偏离右线隧道轴线左侧约 0.7～1m。此外,通过地表沉降等值线也可以发现建筑物所在区域等值线较为密集,这主要是由于建筑物的存在改变了其原有的扩散状态。

(3)根据建筑物监测点的数值计算和监测结果可发现,地表沉降主要发生在盾构机前方 1D和后方 2D的范围内,其中,盾构机离监测点的距离约为 2D,前方隆起达到最大,随后监测点隆起开始逐渐减少,当盾构机掘进到距离监测点约 0.75D时,监测点开始沉降;当盾构机到、通过和离开监测点 2D时,监测点沉降占总沉降的比例分别为 25%、53%和 85%左右。

(4)根据现场施工情况可知,及时调整盾构施工参数、同步注浆参数,并对下穿房屋段隧道内进行了二次注浆,可以较好地控制地层沉降和建筑物变形。

(5)隧道穿越房屋施工是一个复杂的三维过程,但是通过建立合理的结构 -土体 -隧道模型,还是可以较好地预测隧道施工周围地层和邻近建筑物的影响,并且可以为现场实际施工提供一些预测性的建议;此外,根据现场监测数据反馈分析,及时调整施工参数和采取一些预加固措施,可以将施工风险降到最小。

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