软弱地层盾构隧道侧穿房屋基础沉降特性分析

2019-11-29鲁茜茜蹇蕴奇王先明王士民

铁道标准设计 2019年12期

鲁茜茜,蹇蕴奇,王先明,王士民

(西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室,成都 610031)

1 概述

近年来,盾构法凭借自身独特优点成为城市地铁隧道修建的主流工法[1]。在城市地铁修建过程中,盾构隧道不可避免要下穿房屋建筑等上部结构,而盾构隧道施工产生的地层变形可能会造成房屋的差异沉降[2],导致房屋出现不同程度的外观、功能以及结构损伤,尤其是含水率高、压缩性强、抗剪强度低的软弱地层,地层承载能力及自稳能力差,盾构穿越房屋群施工扰动对地表既有建筑物的影响更大,施工安全控制更为困难。

目前国内外学者在盾构施工对地表既有建筑物影响方面已开展了大量研究。 Skempton等[3]通过对98个工程案例的分析总结,得出盾构施工地表所允许的总沉降值和差异沉降值；盾构施工无地表建筑物时,地面沉降分析经验公式最为经典的是Peck公式,Franzius[4]、韩煊等[5]在此基础上,考虑既有建筑结构对地面沉降的约束作用,对Peck公式进行相应修正；J. B. Burland[6]通过对盾构施工周围沿线既有建筑物的环境风险进行分析,给出了计算地表沉降的方法,并对盾构施工造成既有建筑物的损伤情况进行了分类； Storer J. Boone[7]将基础视为柔性基础,考虑结构性质以及地层的应变,从既有建筑物的剪切变形和主张拉应变对其损伤程度进行了评价；夏军武[8]、丁智[9]采用弹塑性理论建立了能够体现土体与建筑物间协同作用的力学理论模型,分析了盾构施工对邻近既有建筑物变形及内力分布的影响规律；陈自海等[10]结合实例监测,采用数值模拟方法研究了软弱地层条件下注浆压力、浆液弹性模量、土舱压力等施工参数对地表沉降的影响规律；张亚洲等[11]依托南京纬三路过江通道,利用FLAC3D有限元软件分析了盾构施工对大堤稳定性影响,并探讨了不同注浆效果、堤岸坡度以及隧道埋深对其稳定性的影响；闫国栋等[12]针对不同围岩及不同埋深下盾构隧道穿越既有房屋情况,采用FLAC3D软件分析了地表沉降及房屋变形规律；李方明等[13]利用有限元软件PLAXIS,对地铁车站地下连续墙施工对邻近房屋的影响开展研究,研究表明软弱地层变形具有一定的滞后性；董继涛等[14]利用数值计算分析了软弱围岩条件下盾构近距离穿越密集房屋群施工对房屋安全的影响,并提出了相应的施工控制措施；刘国栋等[15]依托广州轨道交通14号线,提出水平定向钻孔与地面注浆相结合的地层加固技术；鞠鑫[16]依托厦门地铁某区间段,采用双孔平行隧道地表沉降计算公式、数值模拟及现场监测 3 种方法,揭示双线地铁隧道盾构施工引起的地表沉降分布规律和地表动态变形特性。

上述研究在一定程度上可为软弱地层盾构隧道侧穿房屋群的沉降控制提供借鉴,但由于地层、上部建(构)筑物以及盾构隧道与建(构)筑物空间位置的差异,既有研究成果尚不能对相关近接下穿工程提供定量指导。此外,针对软弱地层盾构侧穿房屋群导致房屋差异沉降方面的研究尚少,因此,以广州轨道交通21号线金坑站—镇龙南站区间土压平衡盾构下穿均和村房屋群为研究背景,利用有限元软件ANSYS对软弱地层盾构侧穿房屋群不同施工顺序进行数值模拟,从房屋沉降控制角度确定了最佳施工顺序,并分析了盾构侧穿房屋群施工的影响范围及沉降规律。

2 依托工程概况

广州轨道交通21号线金坑站—镇龙南站区间隧道采用盾构法施工,其中1号中间风井—2号中间风井盾构区间位于广州市萝岗区均和村,西起1号中间风井西端头,沿广汕公路南北侧辅道由西向东行进,下穿大量密集农房后,进入2号中间风井。现选取位于软弱地层的均和村房屋群作为研究对象,隧道埋深在10.9～16.2 m,管片外径6 m,管片幅宽1.5 m,管片厚度为0.3 m。区间房屋主要为3层～5层的砖混结构,少量的框架结构,房屋基础主要为天然基础和明挖扩大基础,房屋与隧道平面关系如图1所示。

图1 房屋与隧道平面关系示意

根据地质勘探资料显示,均和村房屋群主要穿越全风化花岗片麻岩和强风化花岗片麻岩,在软弱地层条件下修建地铁盾构隧道,通常易引起较大的地层位移及地表既有建筑物的差异沉降,严重时可能导致隧道上方既有建筑物发生不可逆损伤,影响其安全及正常使用。

3 盾构侧穿房屋沉降特性分析

根据金坑站—镇龙南站区间工程地质及地表房屋分布情况,选取位于均和村软弱地层条件下,区间里程为DK31+675～DK31+755的房屋群A、B、C作为研究对象,各房屋群所在区域如图1所示。

3.1 计算模型

由于房屋群A、B、C纵向跨度80 m,横向跨度31 m,实践表明,隧道开挖后的应力和应变,其实际影响仅存在与隧道周围距隧道中心点3～5倍开挖宽度内[17],因此所建三维数值计算有限元模型尺寸可定为：120 m(横向X)×50 m(竖向Y)×180 m(纵向Z),如图2所示。根据实际施工情况,隧道埋深取为12 m,盾构开挖直径6.4 m,管片外径6 m,管片幅宽1.5 m,厚度为0.3 m,注浆层厚度0.2 m。在模型X方向施加水平位移约束,在模型底部Y方向施加竖向位移约束,Z方向施加纵向位移约束,模型上部为自由边界。

图2 模型地层分布

3.2 计算参数

计算过程中,模型土体采用弹塑性分析,管片、注浆层及房屋基础则视为弹性体,进行弹性分析,模型中地层、房屋基础、管片及注浆层均采用Solid45实体单元进行模拟。地层参数均依据《广州轨道交通21号线金坑—镇龙南区间详细勘察阶段岩土工程勘察设计参数建议值表》取值,如表1所示。

表1 地层材料参数

管片衬砌采用C50钢筋混凝土材料,弹性模量为34.5 GPa[18],考虑到接头对管片衬砌结构的影响,采用刚度折减方法模拟,其横向和纵向折减系数分别取为0.80和0.01[19],具体物理力学参数见表2。

3.3 计算过程控制

管片幅宽为1.5 m,计算中每一个开挖步长度取两环管片幅宽,即3 m,每条线开挖步为60步,双线共120步。采用单元的杀死与激活来模拟隧道的开挖,在开挖掌子面施加均布荷载模拟土仓压力对掌子面的平衡作用,通过对单元材料赋不同参数模拟管片拼装、同步注浆以及浆液硬化。具体模拟过程如下： (1)地层自重固结沉降；(2)开挖两环管片土体,将地层荷载释放25%；(3)拼装管片并脱出盾尾,释放剩余的75%地层荷载；(4)管片脱环后6环范围内注浆层为未固化状态,超出6环管片范围后注浆层变为固化状态。

3.4 房屋结构模拟

盾构施工过程中,建筑物和地层之间的关系主要表现在两个方面：一方面建筑物基础具有一定的刚度,建筑物随基础的变形而变形,需考虑两者之间变形协调；另一方面建筑物自重通过基础向地层深处扩散,对受扰动之后的地层应力重分布产生影响[20]。考虑到上述两个方面,房屋结构基础采取具有一定刚度和重度的板块进行模拟,将邻近隧道房屋结构的自重简化为竖向的均布荷载施加在板上。根据GB50009—2012《建筑结构荷载规范》,考虑到施工的安全性,本文房屋群产生的均布荷载值取150 kPa[21]。

3.5 房屋沉降监测点布置

对广州轨道交通21号线所穿越的房屋群A、B、C进行监测点设置,分析各监测点在不同开挖步下的沉降,房屋群A、B、C各取4个监测点,具体布置如图3所示。

3.6 盾构施工顺序比选

由于本区段隧道左右线与上部房屋群的相互位置关系并不呈对称分布,左右线受房屋群荷载有所不同,施工过程中,隧道左右线不同开挖顺序将会对上部房屋群产生不同的影响。因此,本节首先对盾构隧道左右线不同开挖顺序下,上部房屋群的响应规律进行对比分析,找出最优隧道开挖顺序。

3.6.1 先左线后右线

先开挖左线,待左线施作完成再施作右线。房屋群A、B、C在左线贯通和双线贯通下,房屋基础沉降云图如图4所示。

由图4(a)可知,当左线贯通时,土体受隧道开挖扰动产生沉降,房屋基础最大沉降为7.78 mm,最大沉降值位于左线隧道拱顶上方附近区域。由图4(b)可知当双线贯通时,最大沉降值向双线隧道中心偏移,房屋基础最大沉降值有所增加,达到8.45 mm,增长幅度仅为8.61%。

在此顺序下,双线隧道贯通后,房屋群A、B、C的最大沉降以及最大差异沉降如表3所示,均未超过沉降控制值20 mm。

表3 先左线后右线房屋沉降 mm

3.6.2 先右线后左线

先开挖右线,待右线施作完成再施作左线。房屋群A、B、C在右线贯通和双线贯通下,房屋基础沉降云图如图5所示。

图5 房屋基础沉降云图

由图5(a)可知,当右线贯通时,大部分房屋基础沉降较小,临近右线隧道房屋基础产生沉降较大,最大达到10.50 mm。由图5(b)可知,当双线贯通时,最大沉降向左线隧道偏移,房屋基础最大沉降值有所增加,达到13.35 mm,增长幅度达到27.14%。相比先左线后右线的施工顺序,此顺序下单线贯通和双线贯通房屋基础沉降最大值都有所增加,增长幅度分别达到34.96%和57.99%。

开挖过程中,房屋群A、B、C产生的最大沉降以及最大差异沉降如表4所示。相比表3,此顺序下,各房屋群最大沉降以及最大差异沉降都有所增加,这是由于先开挖右线,土体的卸载在一定程度上削弱了受房屋荷载作用显著的一侧即左线隧道自稳能力,增加了其施工风险。

表4 先右线后左线房屋最大沉降值 mm

结合房屋基础沉降云图以及沉降极值,从沉降控制的角度,本研究区段双线隧道侧穿房屋群应优先开挖受房屋荷载影响显著的左线隧道。

3.7 房屋基础沉降特性分析

依托穿越均和村房屋群前的有限元分析结果,此区段采取先左线后右线的施工顺序,提取左线先行隧道施工有限元分析中各监测点的沉降变形数据,对软弱地层盾构隧道侧穿房屋基础的沉降特性进行系统分析。

(1)累积沉降

先左线后右线的施工顺序下,开挖过程中各房屋监测点沉降曲线如图6～图8所示。

图6 房屋群A监测点沉降曲线

图7 房屋群B监测点沉降曲线

图8 房屋群C监测点沉降曲线

由图6～图8可知,由于房屋荷载对左线隧道作用显著,左线隧道开挖完成,偏压侧监测点完成其大部分沉降,在右线开挖过程中沉降增加幅度不大,只有监测点A-3、B-2、B-3在右线开挖过程中沉降会进一步增大。同时各监测点位移沉降存在时空差异,但变化趋势基本一致。以房屋群A为例,监测点A-2基本位于隧道左线中心轴线处,而监测点A-3则位于隧道左右线中央位置附近,因此, A-2和A-3受隧道开挖扰动大,最大沉降量分别达到12.88 mm和12.59 mm,其中A-2点受隧道左线开挖影响明显强于右线开挖,而A-3点的沉降受隧道左右线开挖影响较为接近。相比之下,监测点A-1、A-4距离隧道中心轴线远,受开挖影响小,最大沉降分别为0.89 mm和3.18 mm,即随着距隧道中线距离的增加,房屋沉降值逐渐减小。

从图6～图8可以看出,在盾构掘进过程中,盾构刀盘距监测点前约3倍洞径,监测点累计沉降小,不超过2 mm。在此之后,监测点开始加速沉降,在盾构穿越监测点10 m左右达到最大,在穿越监测点后约6倍洞径距离后沉降趋于稳定。

表5为房屋群部分监测点在隧道左线贯通时的最大沉降量占双线隧道贯通总沉降比例,结合图3和表5,监测点A-2、C-2、C-3位于左线隧道正上方,其中, C-3位于左线隧道中心轴线左侧, A-2和C-2均位于左线隧道中线轴线右侧。左线隧道贯通时监测点C-3沉降占其总沉降的比例为95.13%, C-2与A-2相比距离左线隧道中线轴线更近,因此,左线隧道贯通时C-2沉降量相对其总沉降量占比大于A-2,两者分别为90.33%和89.36%；监测点B-3位于右线隧道外轮廓边缘,受右线隧道影响相对较大,左线隧道贯通时其沉降量相对其总沉降量占比仅为24.92%；监测点A-3及B-2位于左右线隧道中间偏向右线位置,且B-2距离左线隧道更近,受左线隧道开挖影响更大,左线隧道贯通时其沉降量相对其总沉降量占比也比A-3大,为52.38%。

(2)差异沉降

在隧道掘进过程中,房屋群各监测点累积沉降时空特性并不同步,导致监测点存在差异沉降。通过图6～图8可知，各监测点之间的差异沉降同累积沉降变化趋势相同,都在监测点-3D～6D(D为洞径)范围内加速变化,表6为监测点间最大的差异沉降。房屋群A、C被左线隧道侧穿,最大差异沉降均在10 mm以上；相比之下,房屋群B被双线隧道正穿,监测点差异沉降均小于房屋群A、C监测点差异沉降值。

表5 左线贯通最大沉降占双线贯通沉降比例

表6 监测点差异沉降 mm

4 实测数据分析

依托穿越均和村房屋群前的有限元分析结果,此区段采取先左线后右线的施工顺序,并在盾构穿越房屋群基础前10环左右逐渐放慢掘进速度,在正穿监测点正下方时加大注浆量,来控制既有建筑物变形。根据软弱地层盾构开挖纵向影响范围(-3D～6D,D为隧道洞径),将房屋监测点实测数据分析范围定为：盾构机距监测点前50环(75 m)作为分析起点,盾构机通过房屋监测点40环(60 m)作为分析终点。

考虑到监测点分布的空间差异,选择B-3、B-4以及C-2三个监测点的实测数据进行分析,覆盖了旁穿以及正穿这两种情况。其中左线隧道开挖后房屋监测点沉降实测数据如图9所示。

图9 部分监测点实际沉降值

由图9可知,当左线刀盘距离房屋中心距离过远时,各监测点产生微弱沉降,其中刀盘在距离监测点75 m时,各监测点产生的累积沉降变形不足1.0 mm；在刀盘距离监测点20 m左右时,隧道的开挖对各监测点产生较为明显扰动,各监测点开始加速沉降,使得刀盘到达B-3、B-4、C-2正下方时沉降分别达到4.76，6.11 mm和7.45 mm。在刀盘通过房屋基础后,土体应力二次释放,使得地表监测点沉降再次增大,在通过监测点10 m左右达到最大；随后监测点沉降速度有所减缓,最终在刀盘通过房屋后30 m左右时趋于稳定。

对比图7、图8及图9,可以发现,数值分析与现场实测数据变化趋势吻合度较高。在数值模拟和现场实测数据中,当盾构通过监测断面后,均存在一个较为明显的沉降回弹现象,但现场实测数据中监测点沉降范围较数值模拟偏大,主要分布在盾构通过监测断面10～20 m范围内,且回弹量值较数值模拟结果大。究其原因,沉降值回弹主要源于同步注浆浆液固化和盾构通过后的卸荷作用,而数值模拟仅考虑了浆液固化,未考虑盾构机自重在软弱地层对地层变形的影响,导致实际施工过程中沉降回弹量偏大。

由于各监测点空间位置差异,所受开挖影响程度有所不同。监测点C-2位移左线隧道正上方,因此,左线隧道通过导致其沉降变化幅度最大,其次是监测点B-4,监测点B-3受左线隧道开挖影响最小。上述3个监测点最大沉降值如表7所示,均未超过房屋沉降控制值20 mm,且略大于数值计算监测点最大沉降值。但鉴于有限元分析考虑的是在完全理想弹塑性条件下进行隧道开挖,而实际施工过程中,地层存在各种不确定因素,表明控制掘进速度和注浆量在一定程度上可降低既有建筑物变形,保证施工安全进行。