盾构施工对历史保护建筑的影响及控制研究*

2019-08-21王尉行李谷阳李晓亮王海飞徐前卫孙梓栗

城市轨道交通研究 2019年8期

黄杉王尉行李谷阳李晓亮王海飞徐前卫孙梓栗

(1. 中铁五局电务城通公司，410205，长沙；2.同济大学道路与交通工程教育部重点实验室，201804,上海//第一作者，工程师)

0 引言

随着城市轨道交通系统的快速发展，越来越多的盾构隧道不可避免地穿越或邻近已有建筑物。盾构施工会在地层中产生卸荷效应，使周围土体产生变形，当变形传递到建筑物下方时会引起地基变形。盾构隧道对邻近建筑物主要有三个方面的影响，即沉降、倾斜以及开裂[1]。国内外学者主要从理论分析、数值模拟和监测数据分析三个方面研究盾构施工对相邻建筑物的影响。例如，文献[2]分析了实测隧道下穿建筑物变形规律，提出了采用单线隧道已有的Peck修正公式叠加得到双线隧道的地基基础沉降规律。文献[3]将土体损失简化为扰动荷载，对邻近建筑物的盾构施工引起的地面沉降进行了理论分析和数值模拟，提出了盾构临近建筑物施工的控制措施。文献[4]结合工程实际，基于建筑物与隧道中心的距离和建筑物不同基础类型两个因素，用数值模拟的方法研究了隧道开挖对上覆建筑物基础变形的影响。

在北京地铁8号线天桥站—永定门外站区间隧道施工过程中，盾构需要从重点保护文物燕墩下方穿过。燕墩属砖砌结构，且年代较为久远，盾构掘进势必对其结构安全造成影响。有鉴于此，借助数值分析软件对盾构侧穿燕墩的施工过程进行模拟，研究了盾构近接施工引起的地层变形及对燕墩的受力和变形的影响，提出了地层加固方案和施工控制措施，相关成果可为今后类似工程提供借鉴和参考。

1 工程概况

天桥站—永定门外站区间于K34+802.400处侧穿北京市保护文物建筑——燕墩。燕墩是一座砖台，其上竖有清乾隆皇帝御制碑一座，是北京著名碑刻之一。燕墩外形下宽上狭，平面呈正方形，台底各边长14.8 m，台面长13.9 m，台底至台面高约8 m。燕墩位于区间西侧，距离右线最小距离为7.915 m，此处盾构线间距为16.8 m，覆土22.3 m。地铁线路与燕墩的空间位置关系如图1所示。

图2给出了盾构穿越施工区段的地质剖面。该处隧道埋深约为22.3 m，地下水距离隧道顶部约为3.94 m。

图2 区间地质剖面示意图

2 盾构侧穿燕墩施工模拟

2.1 计算模型

图3给出了盾构侧穿燕墩的数值计算模型，土体横向边界长68.0 m，竖向边界长48.3 m，纵向边界长度60.0 m，左、右线隧道模拟的是从777环到827环的衬砌结构。

为考虑地下水渗流与土体因开挖造成的应力状态改变之间的相互影响，采用流-固耦合分析模式进行计算。地基土、燕墩、管片和注浆层均采用实体单元模拟，地基土采用Mohr-Coulomb弹塑性模型，燕墩、管片和注浆层采用各向同性弹性模型。土层、管片、注浆层及燕墩的计算参数如表1～表2所示。

图3 隧道侧穿燕墩计算模型图

地层重度/(kN/m3)黏聚力/kPa摩擦角/(°)体积模量/MPa剪切模量/MPa孔隙率渗透系数/(m/d)①1 65008.004.462.060.732.30③1 57023.258.644.572.110.720.23③31 629030.0036.6716.920.6569.00④1 60021.6711.927.833.610.820.23④32 000030.0018.949.760.620.71⑤1 670040.0039.5818.270.501 400.00⑥1 49722.508.809.924.580.810.23⑦21 647030.0027.0812.500.6081.00⑦1 694045.0039.5818.270.452 300.00

表2 弹性实体单元计算参数

2.2 施工过程模拟

按照实际施工工况进行开挖模拟，即左线隧道先开挖24 m，左、右线隧道随后一同开挖36 m，右线隧道再开挖24 m。左、右线隧道每次开挖长度为5环6 m，隧道衬砌施作和注浆施工应滞后开挖面6 m。开挖面支护压力按照太沙基松动土压力计算，隧道顶部侧压力为140 kPa，中心处侧压力为215 kPa，变化梯度为25 kPa。

3 计算结果分析

3.1 地层竖向变形

左、右线盾构掘进完后的总体竖向位移如图4所示。最大沉降值约为10.07 mm，发生在左线隧道827环拱顶和777环地表位置;最大隆起值约为11.37 mm，发生在左线隧道827环拱底附近。

图5为数值模拟得到的盾构刀盘到达不同管片环位置时的地表竖向位移监测断面的变形曲线。该监测断面位于燕墩中心处的第800环管片位置。地表变形曲线有一个沉降峰值，最大沉降值为5.91 mm，出现在刀盘距离燕墩20 m左右的位置。分析盾构通过前后的地表竖向位移曲线可知，该断面处的地表竖向变形表现为随着盾构的接近而逐步发生沉降，而当盾构远离该监测断面后，则沉降值趋于稳定。

图4 左、右线盾构掘进完成后竖向位移云图

图5 数值模拟第800环监测断面处地表竖向位移曲线

3.2 孔隙水压力分析

图6为盾构通过后的土体孔隙水压力分布图。由于施工扰动引起开挖面附近土体膨胀，在开挖面附近形成负的超孔隙水压力，孔隙水向开挖面附近流动，后期由于超孔隙水压力的消散会使土体发生固结沉降，这可能会对地表的燕墩产生不利影响。

图6 左、右线隧道开挖完后的孔隙水压力

3.3 燕墩结构变形分析

图7是计算得到盾构开挖完成后的燕墩竖向位移云图，图8分别给出了燕墩各角点的变形曲线图。左线隧道开挖20环后，此时盾构并没有通过燕墩，燕墩整体有一个微小的隆起变形；左线隧道开挖50环后，燕墩除J-15-04角点所在区域外，均发生沉降变形，且距离盾构开挖区域最近的J-15-01附近区域沉降值最大为1.85 mm；左、右线隧道开挖完后，燕墩J-15-04附近区域发生微小的隆起变形，其余区域均发生沉降变形，且J-15-01附近区域沉降值最大为2.22 mm。

图8 燕墩各角点竖向位移图

3.4 燕墩结构应力分析

图9、图10是左、右线盾构开挖后燕墩的最大主应力和最小主应力云图，燕墩最大拉应力为0.139 MPa，最大压应力为0.461 MPa。最大主应力对应最大拉应力，最小主应力对应最大压应力，对于砖砌结构的燕墩来说，盾构施工引起的拉应力在其允许范围内。

图9 燕墩最大主应力云图

图10 燕墩最小主应力云图

4 施工控制措施及实测数据分析

4.1 盾构穿越燕墩的保护措施

1)由于燕墩基座位于右线盾构施工的影响范围内，故右线盾构施工时，除严格按照盾构施工工艺控制和监测外，采取加大同步注浆及二次注浆量、二次深孔加强注浆及在左线隧道采用加强型衬砌环的保护方案。同步注浆量不小于建筑空隙的220%，二次注浆量不小于同步注浆量的25%。盾构过燕墩的加强型衬砌环设置范围如图11所示。

图11 盾构侧穿燕墩加强衬砌环设置平面图

2)如图12所示，二次深孔注浆即通过加强衬砌环管片(管片主筋由φ20 mm增强至φ22 mm)吊装孔及新增注浆孔打设钢花管进行管片壁后注浆，每环加强衬砌环管片的吊装孔及新增注浆孔共有16个，沿圆周均匀布置。

图12 盾构侧穿燕墩段二次深孔注浆断面示意图

二次深孔注浆工艺流程及注浆设备同二次补浆，浆液采用水泥-水玻璃双液浆，浆液配比同二次补浆浆液配比，注浆压力为0.5～0.8 MPa，注浆应控制在距离开挖面20 m左右。

4.2 盾构掘进参数管理

4.2.1 上部土仓压力

图13为789～815环推进时实测土仓上部土压力与理论计算值的比较。此段隧道平均埋深22.3 m，根据太沙基松动土压力公式可得土仓压力理论计算值为0.100～0.127 MPa。由图13可知，大部分实际土仓压力在理论计算值的范围内。

图13 土仓压力实测值与理论计算值

4.2.2 推力管理

对于土压平衡盾构来说，盾构千斤顶的推力就是推进过程中盾构遇到的全部阻力之和，盾构总推力理论计算值是20 794～29 706 kN。实测盾构总推力约为14 000～20 000 kN，比理论计算值小，因实际施工采取欠压推进模式，以免引起过大变形。

4.2.3 扭矩管理

根据理论计算公式可得刀盘扭矩值为2 326～5 815 kN·m，实测789～815环扭矩值在1 800～2 500 kN·m范围内，靠近经验估算值下限，比理论计算值略小。

4.2.4 盾构掘进参数管理

盾构实测的推进速度在60～70 mm/min间波动，螺旋输送机转速在5.5～6.5 r/min间波动，刀盘转速在0.9～0.94 r/min间波动。结合土仓压力实测值可以看出，此种盾构掘进参数组合基本能够保证盾构掘进面的压力与支护力相等，有效控制了地表的沉降变形。

4.3 实测地表变形分析

图14为实际施工中地表监测断面所反映的地表沉降变化曲线。与图5中数值计算结果相比可以发现，二者所反映的地表变形随盾构推进的变化规律基本一致，且最大沉降值均出现在距离燕墩20 m左右的位置。数值计算得出最大沉降量5.91 mm，略高于实测最大沉降量3.6 mm，这说明实际施工时实施的二次注浆有效控制了地表的沉降量。