盾构隧道下穿施工对地面建筑基础影响的研究

2020-05-19杨凯文

山西建筑 2020年10期

杨凯文

(兰州市轨道交通有限公司，甘肃兰州 730070)

0 引言

随着城市轨道交通的快速发展，盾构隧道下穿既有铁路的工程越来越多。盾构隧道施工会对周围地层产生扰动，导致既有铁路站区地面建筑基础产生沉降，造成安全隐患[1-4]。某市地铁3号线下穿京沪普铁站区水电段供给所与养路工区1层～2层房屋，本文在前期调研的基础上，对下穿施工引起的建筑物基础沉降进行了研究分析。

1 研究概况

本模型中建立京沪普速铁路、地面建筑以及部分区间隧道。由于缺少足够的站区地面建筑资料，本模型假定建筑结构形式均为条形基础，上部结构简化为底板+面荷载。由于未考虑房屋结构整体刚度，差异沉降可以看作是更不利的计算方法。如果模拟结果安全，可以认为真实施工时地面建筑也是安全的，各建筑物编号1～7。

根据GB 50007—2011建筑地基基础设计规范[5]，地面建筑的允许最大沉降量和允许最大沉降差确定如表1所示，按照允许最大沉降量和允许最大沉降差中较小值控制。

表1 允许沉降值与允许沉降差

2 模型建立与施工模拟

2.1 模型建立

采用数值模拟方法计算盾构隧道下穿施工对京沪普铁站区地面建筑基础的影响。利用Plaxis 3D建立三维有限元模型，模型总长度155 m、总宽度为120 m，深度约为70 m。几何模型底部施加完全固定约束，两侧施加竖直滑动约束，模型表面为自由边界。土体采用硬土模型模拟，相关土层物理力学参数详见表2，得到计算模型如图1所示。

2.2 施工模拟

在Plaxis 3D有限元软件中通过冻结隧道范围内土体单元，激活管片单元，并进行断面收缩和施加掌子面压力来模拟盾构掘进过程。整个隧道施工过程模拟按照实际盾构施工推进方向和顺序进行分步开挖，先施工3号线左线隧道，再施工3号线右线隧道。选定开挖过程中具有特征性的8个工况(每条隧道的施工均有4工况)。有限元施工过程模拟如图2所示(图中隐藏了部分土层)。工况划分具体如下：

工况1：左线隧道盾构机刀盘接近房屋群；工况2：左线隧道盾构机刀盘到达房屋群中心位置；工况3：左线隧道盾构机刀盘穿过房屋群；工况4：左线隧道盾构机刀盘穿过铁路路基；工况5：右线隧道盾构机刀盘穿过铁路路基；工况6：左线隧道盾构机刀盘接近房屋群；工况7：右线隧道盾构机刀盘到达房屋群中心位置；工况8：右线隧道盾构机刀盘穿过房屋群。

表2 相关土层物理力学参数表

3 计算结果分析

由于1号和7号建筑物离隧道较远，受盾构施工影响相比其他建筑物小得多，因此只对2号～6号建筑做沉降分析。计算结果如表3,表4所示。

0.5%地层损失计算结果如下。

表3 建筑沉降统计表(一)

0.8%地层损失计算结果如下。

表4 建筑沉降统计表(二)

由表3，表4可得：

1)3号和4号建筑位于隧道正上方，整体沉降量较大，0.5%地层损失率时分别达到9.237 mm，8.664 mm，0.8%地层损失率时分别达到15.317 mm，15.250 mm。

2)2号、5号、6号建筑物相对位置偏向一边，差异沉降相对较大，0.5%地层损失率时分别达到3.802 mm，2.954 mm，4.958 mm，0.8%地层损失率时分别达到5.321 mm，

4.797 mm，7.746 mm。

3)2号～6号建筑沉降与差异沉降虽有差异，但量值都在允许范围内，满足控制标准。

从以上计算可知，地层损失率选取不同时，建筑物的最大沉降及最大沉降差相差较大，因此，盾构地铁的施工参数选取对于控制建筑物沉降极其重要，某市地铁3号线盾构下穿京沪普铁路基时隧道中心埋深15.5 m～16.4 m，主要穿越⑥-1硬塑粘土层，隧道上方分布有④-2砂质粉土。基于土力学原理，计算得到下穿京沪普铁时的理论土仓压力为0.14 MPa～0.15 MPa。在实际施工中，前仓土压力的设定比理论计算值高15 kPa～25 kPa，即一般取1.1倍～1.2倍的静止土压力。