双线盾构施工引起地表及建筑物沉降规律研究

李超人 周传波 陈 东 蔡佳愿 蒋 楠

(1.武汉地铁集团有限公司,430063,武汉; 2.中国地质大学(武汉)工程学院,430074,武汉; 3.广州华路交通科技有限公司,510420,广州∥第一作者,助理工程师)



双线盾构施工引起地表及建筑物沉降规律研究

李超人1周传波2陈 东1蔡佳愿3蒋 楠2

(1.武汉地铁集团有限公司,430063,武汉; 2.中国地质大学(武汉)工程学院,430074,武汉; 3.广州华路交通科技有限公司,510420,广州∥第一作者,助理工程师)

结合武汉地铁3号线19标段双线隧道施工,利用数值模拟和现场测试的方法,研究盾构施工过程中建筑物及地表沉降变形特征,并根据同一建筑物不同部位的沉降差判定施工过程中建筑物的安全性。研究结果表明:地表沉降在建筑物处明显增大,建筑物所在位置及其周围土体呈现整体倾斜变形; 隧道横向上建筑物长宽比越大,地层滑移角及沉降槽宽度越大; 建筑物和基础的沉降变形与隧道施工动态相关,基础的不均匀沉降导致建筑物安全性降低。由此可知,盾构施工对上部建筑物的影响非常显著,研究成果可为今后类似工程设计施工提供参考。

地铁隧道; 双线盾构; 建筑物沉降; 数值模拟

First-author′s address Wuhan Metro Group Co.,Ltd.,430063,Wuhan,China

城市轨道交通隧道施工不仅会造成周围地层的扰动并产生沉降变形,还会使其上部建筑产生整体沉降及不均匀沉降,进而造成建筑物内部结构错动,产生不利影响。为保证盾构下穿城镇多层居民区施工过程中地面建筑物的安全稳定,开展城市复杂施工环境下盾构隧道下穿民房造成的沉降影响以及房屋安全性评价研究具有重要的工程指导意义及应用价值。

近年来,针对双线隧道施工引起的地表沉降问题开展了大量研究,但是对施工给建筑物所造成的影响及基础周围地层沉降变化特征的研究相对较少。地表无建筑物时的地表沉降特征已有许多研究先例,其中最具代表性的是文献[1]提出的横向沉降槽经验公式。文献[2-3]研究了单线隧道穿越建筑物时对建筑物自身沉降和内力的影响;文献[4]采用两阶段分析方法就盾构隧道穿越对建筑物PHC (预应力高强度混凝土)管桩基础影响进行了分析;文献[5]针对新奥法隧道施工下建筑物结构的扭曲变形进行了研究,并得出了平面变形扭曲的量化表征和计算方法。但上述相关研究均未涉及到双线隧道施工引起的地面浅基础建筑物沉降影响。

基于此,本研究以武汉地铁3号线后湖大道站—市民之家站区间(以下简为“后—市区间”)工程为例,建立双线近距平行隧道盾构法施工下穿建筑物数值模型,并利用数值分析与现场监测数据相结合的方式进行研究。研究内容包括：无建筑物时,横向地表沉降变化规律; 有建筑物时横向地标沉降变化规律; 地铁隧道施工时地表建筑物不均匀沉降规律; 隧道施过程中建筑物安全评价。

后—市区间跨长江左岸Ⅰ级阶地与Ⅱ级阶地,都属埋藏型阶地。场地内第四系地层广泛分布,厚达42～63 m。区间隧道主要穿越土层从上至下依次为杂填土、素填土、黏土、粉质黏土。地面建筑多为待拆迁低矮房屋。区间隧道直接下穿1栋5层民房,侧穿32栋民房。隧道采用土压平衡盾构法施工。隧道开挖采用单线开挖,先开挖完成左线隧道,然后开挖完成右线隧道。

1 建立模型

1.1 地层和隧道条件

隧道埋深为20 m,两隧道轴线间距为15 m,洞径为6 m,管片厚度为0.3 m、宽度为1.5 m。数值计算的边界条件为底部全约束、左右两侧约束x方向位移。材料本构关系采用弹塑性摩尔-库伦模型,利用有限差分软件FLAC3D进行数值计算。以下穿的某5层民房为例，楼房、隧道及地层位置关系如图1所示。

图1 楼房、隧道及地层位置图

1.2 楼房结构及与隧道的相对位置

楼房尺寸为25 m×12 m×22 m(长×宽×高)。该楼为5层砖混结构,采用2 m埋深的筏板基础。

结合现场情况,分别选取楼房长度方向与隧道走向垂直、平行和45°斜交3种情况进行分析(见图2)，且楼房中心点A置于右线隧道正上方。

1.3 模型参数

模型尺寸为100 m×90 m×50 m(长×宽×厚)。地层和楼房使用Mohr-Coulomb屈服准则建立实体单元。模型中，楼房的墙体、楼板、楼顶及基础均按照实际尺寸建模；管片衬砌在隧道开挖后施加,选用壳体单元。围岩及建筑物的模型参数分别如表1～表2所示。

表1 围岩物理力学参数

表2 建筑物物理力学参数

2 地表变形特征分析

为分析建筑物对地表横向沉降的影响,按照存在建筑物和无建筑物情况进行模拟。模拟过程与地铁施工工序相同：首先开挖完成左线隧道,然后再开挖右线隧道。

2.1 地表无建筑物时

沿隧道掘进方向取A点前20 m、30 m及40 m处作为分析测点，进行数值模拟试验与实测试验。则右线隧道开挖且沉降稳定后的地表横向测点沉降模拟值与实测值如图3、图4所示。

图3 无建筑物时地表测点的沉降量模拟值

图4 无建筑物时地表测点的沉降量实测值

对比图3、图4可知，无建筑物影响时地面横向沉降模拟结果和实测值较为吻合。这表明数值模拟运用于分析和预测盾构施工引起的地表沉降问题是可行的。由图3可知,右线隧道开挖完成后,地表沉降曲线变化很大,沉降槽宽度增加,沉降量增大,沉降曲线对称轴偏向隧道右线一侧,最大沉降发生在两隧道中心线靠近右线隧道一侧。这是由于右线隧道晚于左线施工,使左线隧道施工扰动过的土体再次受到扰动,故土体变形量增大,从而导致右线隧道地面沉降变形量增加。在实测试验中,右线隧道中心线上方地表沉降比左线隧道中心线上方地表沉降大2.84 mm。在模拟试验中,右线隧道中心线上方地表沉降比左线隧道中心线上方地表沉降大2.50 mm。无建筑物时A点截面位移云图见图5。

2.2 地表有建筑物时

当地表存在建筑物时,地层会受到地基的约束作用,从而使得地表沉降槽发生明显变化。图6～图8是隧道与建筑物以不同的方式布置时距A点处的截面位移云图。由图6～图8可知，由于建筑物的质量对周围土体产生了作用,故建筑物周围地表沉降量增大,沉降槽宽度增加。对比图5及图8可知,地表有建筑物时与无建筑物时的地层滑移线和沉降槽有较大区别。

(1) 双线隧道开挖完成后,在地表建筑物的作用下,房屋基础周围及下部的地层沉降量明显增大。

(2) 通过将图6、图7、图8与图5对比可以看出,房屋基础外侧的地层滑移角(地层滑移线与水平方向的夹角)出现明显加大。

(3) 当存在建筑物时,在房屋基础的约束及均布荷载的作用下,其周围土体地表沉降范围发生扩散,地表沉降槽明显增大。

图5 无建筑物时A点处截面位移云图

图6 楼房长轴线与隧道轴线平行时A点处截面位移云图

图7 楼房长轴线与隧道轴线45°斜交时A点处截面位移云图

图8 楼房长轴线与隧道轴线垂直时A点处截面位移云图

(4) 由图6～图8可知,当建筑物与隧道位置关系由平行、45°斜交向垂直变化时,其沉降影响范围随之扩大,且双线隧道中轴线上方的地表沉降量也随之增大。

综上所述,地层滑移角因受建筑物影响而改变。总体来说,地层滑移角在房屋基础局部地区会出现明显的增大。此外,建筑物的存在会使地表沉降量及沉降槽宽度均增大。

3 建筑物沉降及变形特征分析

3.1 楼房的不均匀沉降

在地铁隧道下穿楼房的施工过程中,为保证隧道施工以及上部建筑物安全,有必要对沉降影响范围内建筑物进行沉降监测。以长轴平行于隧道的楼房为例(如图9所示),其楼房周围共布置了8个测点。各测点沉降时序曲线如图10所示。

图9 房屋测点布置示意图

图10 楼房基础沉降实测时序曲线

由数值模拟结果和实测结果可知,当左线盾构掘进至距离楼房2倍隧道洞径(6 m)时,隧道施工开始对楼房周围地层沉降产生影响。

(1) 当盾构掘进至房屋前端时,楼房整体出现不均匀沉降。最大不均匀沉降模拟值为3.7 mm,实测值为3.2 mm。与此同时,由于刚性基础作用,楼房另一端开始隆起,隆起变形模拟值为1.9 mm,实测值为1.6 mm。这时,实测的楼房中心沉降量为2.8 mm。

(2) 当左线盾构机掘进穿越楼房中心后,楼房出现最大不均匀沉降。最大不均匀沉降模拟值为7.3 mm,实测值为6.0 mm。这时,实测的楼房中心沉降量为11.2 mm。当左线盾构开挖至距楼房2倍隧道洞径外时,楼房的沉降变形趋于稳定。

(3) 在右线隧道掘进穿越楼房中心位置后,楼房的不均匀沉降再次出现最大值。最大不均匀沉降模拟值为7.0 mm,实测值为5.1 mm。这时,实测的楼房中心沉降量为15.7 mm。在右线隧道施工完成后,楼房的沉降量达到最大。建筑物中心最大沉降量的模拟值为26.0 mm,实测值为20.4 mm。

通过数值模拟数据及实测数据可知,隧道开挖后,且楼房沉降稳定时,房屋基础四周最终沉降较为平均。此时,模拟和实测的最大不均匀沉降量均小于1.0 mm。这是由于筏板基础的刚度大,不仅限制了楼房基础周围土体的位移,而且还将楼房荷载平均分布至下层土体,从而使得楼房不均匀的沉降量大幅减小。

3.2 建筑物变形特征

地铁隧道的施工对地层会造成不可避免的扰动,从而引起地表沉降；地层的变化也通过基础传递给上部建筑物。可见,基础将建筑物和地层联系起来。故研究隧道施工对建筑物的影响，其本质在于研究地层变形与基础的相互作用。

建筑物与隧道位置关系分别为垂直、平行及45°斜交时,均存在建筑物在隧道施工的某时刻出现最大不均匀沉降量现象。但该时刻建筑物中心的沉降量发展并不大,建筑物中心的最大沉降发生在右线隧道穿越施工结束之后。

由于建筑物基础对地层有约束作用,故在盾构隧道施工过程中,建筑物所在位置的地表沉降会发现明显变化。同时，由于基础刚度较大,故基础呈现出整体平面倾斜变形和沉降。

4 建筑物安全评价

在隧道施工过程中,建筑物和隧道结构安全与否,最重要的判定准则就是其结构的变形是否满足控制标准[6-7]。根据GB 50007—2011《建筑地基基础设计规范》,楼房基础沉降量应满足:

(1)

式中：

L——楼房基础的沉降量，mm；

ΔL——楼房基础的不均匀沉降量，mm；

E——楼房基础的长度或者宽度，m。

不同城市对于地表和建筑物沉降量的规定有所不同。本工程的地表和建筑物沉降量均要求不大于30 mm。对于不同结构形式的建筑物,规范规定的地表相对沉降量标准是统一的。

从工程实测数据分析可知,本楼房的沉降量L=20.4 mm<30.0 mm,ΔL=6.0 mm

5 结论

采用模拟计算与实测试验结合的方式，通过对长—市区间隧道下穿某5层居民楼时的地表沉降及建筑物沉降变形特征分析，评价了建筑物的安全，并得到以下结论:

(1) 右线隧道开挖完成后,地表沉降曲线变化很大；沉降槽宽度增加,沉降量增大,地表沉降曲线对称轴偏向隧道右线一侧。最大沉降发生在两隧道中心线偏右线隧道一侧。

(2) 有无建筑物时的地表沉降差距很大。存在建筑物时,基础及其周围土体呈现出整体倾斜变形,远离建筑物的地表沉降逐渐恢复到无建筑物时的形式。

(3) 建筑物的存在使得地表沉降槽的宽度以及地层滑移角增大。当建筑物基础横向布置范围加大时,其沉降影响范围随之扩大,隧道上方大范围的地层沉降。

(4) 建筑物和基础的沉降变形特性与隧道施工及与隧道之间布置关系密切相关。出现最大不均匀沉降量时,建筑物处于最不安全状态。这常发生在隧道下穿建筑物时,且此时并未发生建筑物中心的最大沉降。建筑物中心的最大沉降发生在隧道开挖结束之后；此时由于刚性基础的调节作用,不均匀沉降反而减小。

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On Surface and Building Subsidence Rule Induced by Construction of Double-line Shield Tunnel

LI Chaoren, ZHOU Chuanbo, CHEN Dong, CAI Jiayuan, JIANG Nan

Combined with the double-line tunnel construction of bidding section 19 on Wuhan metro Line 3,through numerical simulation and field test,the subsidence deformation characteristics of building and surface in the process of tunnel construction are studied, the safety of buildings according to differential settlements in different parts of one building is determined.The result indicates that the strata subsidence increases significantly while there is a building,the soils surrounding the building present an integral tilt deformation;the bigger length-width ratio of the building in the transverse direction of the tunnel can cause bigger enlargement of formation slip angle and width of settling tank.Since the building and foundation settlement deformation characteristics are related to the tunnel construction process,the uneven settlement will reduce the safety of buildings.Therefore,the shield tunnel construction could influence significantly the upper structures on the ground.This research will provide a reference for similar projects in the future.

metro tunnel; double-line shield; building subsidence; numerical simulation

TU433

10.16037/j.1007-869x.2017.06.024

2015-07-12)