粉质砂层地铁盾构下穿浅基础房屋地表沉降控制研究

2022-09-03易鹏程

甘肃科技纵横 2022年6期

易鹏程

（中铁十一局集团城市轨道工程有限公司，湖北武汉 430000）

随着城市的快速发展，地铁成为缓解交通拥堵的有效途径，由城市内环线向外环线形成交通闭环网，成为了城市地铁发展的趋势。然而，在外扩地铁线路的同时，不可避免地要穿越城郊一些老城区，在其不可拆除的情况下，盾构下穿浅基础房屋成为地铁隧道施工地表沉降控制的重难点。

李梓亮，汤劲松等［1］通过有限元软件探究不同影响因素对盾构隧道下穿砌体结构房屋的影响程度，得到隧道轴线与建筑物中心线间距是最主要影响因素，地层类型对房屋的影响最小；张学民，董宗磊等［2］通过注浆对上部建筑物变形特性及其损坏的影响研究，得到建筑物外侧墙体变形由“前后向内，两侧向外”向“前后向外，两侧向内”转化，然后逐渐减小最终趋于稳定，建筑物裂缝以角部受剪裂缝居多，测试期间未发生明显开展或闭合；孙杰，武科等［3］对盾构掘进下穿硬岩地层既有建筑物群变形的空间属性效应分析，得到建筑物沉降速率与隧道埋深及水平距离成反比，同时应加强建筑物转角及大型构筑物旁的小型建筑物变形监测；赵晓彦，张肖兵等［4］应用FLAC3D数值模拟软件模拟不同施工参数（掌子面支护压力、等代层弹性模量）下对地层沉降的影响，提出合理的盾构施工参数范围。

上述文献大多针对隧道下穿建筑物时，地层的沉降变形与施工参数控制措施的关系以及根据建筑物自身变形程度来推测建筑物破环的可能。然而，隧道下穿建筑物受地层及埋深、建筑构造等多方面因素的影响，特别是一些特殊地层，单一的地层研究成果推广具有局限性。同时对隧道下穿建筑物过程的沉降分析及建筑物中不同断面地表不均匀沉降研究较少。本论述通过FLAC3D有限差分软件模拟特殊粉质砂性地层盾构下穿浅基础房屋，分析不同掘进方式、施工参数在下穿过程不同断面地表沉降规律，依此确定多维条件下的建筑物沉降措施。加强研究课题的实用性和准确性，更好地服务于隧道建设。

1 工程概况

武汉某盾构区间段，线路形式为单洞单线。该段所处地层主要分为粉质黏性砂层。下穿经过浅基础密集砖混房屋，高低不一，地下水位埋深为1.5～13.2 m，隧道埋深约12～17 m。区间砂性土的渗透性较强，容易受扰动形成富水砂层，地面沉降变形控制难度较大，地面建筑物易损坏。研究盾构施工参数的动态调整，对地面沉降的控制以及地表建筑物安全起到关键性作用。

2 盾构下穿房屋模型建立

2.1 模型参数选择

根据相关盾构施工影响范围资料及经验，采取模型尺寸74 m×45 m×39 m（X×Y×Z），地铁盾构隧道外径6.0 m，衬砌厚度0.3 m，隧道埋深14 m，建模的土层划分及参数设置按照工程勘察的相关说明进行，采用位移边界条件。隧道的掘进方向沿Y轴正方向向前推进。土体采用Mohr-Coulomb本构模型，模拟参数见表1所列。

表1 各材料及地层物理参数

根据FLAC3D软件的局限性结合相关学者研究文献［5］，盾尾注浆体采用均质的等效层来模拟注浆压力，泊松比取0.26，厚度取30 cm，弹性模量采用未凝固前注浆压力，取0.3 MPa［6］。

隧道各地层模型网格划分及转换后如图1、2所示。

图1 盾构隧道模型网格划分

图2 导入后FLAC模型图

2.2 初始条件及应力平衡计算

考虑浅基础砖混民居群地表负重的影响，采用在隧道正上方地表建立2 m×12 m×30 m加40 kPa的Z方向均布荷载来模拟建筑物荷载影响。

地层土体自重及外部荷载作用下竖向位移云图如图3所示。

图3 地层自重竖向位移云图

3 盾构掘进不同施工参数对地表沉降的影响规律

盾构施工地表沉降影响因素众多，根据工程现场施工实际状况及技术资料，考虑土仓压力、地面荷载以及注浆压力3个关键的影响因素，同时数值模拟以开挖15 m为一阶段，不同的开挖支护时步对地表的沉降分析同样至关重要。

3.1 不同开挖方式

（1）通过分析左、右线不同开挖阶段在不同时步下地表沉降规律；（2）通过左、右线同时开挖不同时步地表沉降的规律。模拟监测数据曲线如图4所示。

图4 不同开挖方式下地表沉降曲线

根据图4可以看到，地表沉降曲线在单线开挖时呈正态分布，在隧道正上方地表沉降值最大，由隧道向两边先迅速降低后趋于稳定，主要沉降区域发生在隧道旁2.5D范围；在双线同时开挖时呈W形沉降曲线，在两隧道正上方沉降值最大，隧道中间位置发生隆起。左线开挖完成后建筑物下方沉降达到20.72 mm，右线开挖会导致左线沉降完成的基础上产生扰动沉降，右线开挖完成，左线的建筑下方最终沉降值在22.33 mm，增加1.61 mm；左线开挖15 m时，左建筑物下方沉降达到15.22 mm，右线开挖15 m时，左建筑下方地表沉降为21.22 mm，右建筑下方沉降10.78 mm，而且沉降由左线逐渐向右线降低，沉降呈斜坡式，对建筑物的不均匀沉降影响严重；双线开挖15 m时，双线建筑下方沉降值为7.44 mm，沉降均匀。通过两种开挖方式发现两线全部贯通时，先左后右开挖最终最大沉降值为23.54 mm，同步开挖最终最大沉降值为22.35 mm，相差1.19 mm。在通过危险砖混浅基础建筑物时，尽量避免来回对地层扰动，有利于控制地表沉降，对施工安全控制起到积极作用。

在研究分析不同开挖方式对建筑物地表沉降规律分析后，采用双线同步开挖方式，研究不同施工参数对地表沉降影响规律，为盾构施工提供参考依据。

3.2 不同建筑荷载

考虑穿越地层建筑加盖严重，层数不一，研究20 kPa、40 kPa、60 kPa不同建筑荷载对地表沉降规律分析，能有效为沉降预测提供参考。模拟得到地表沉降曲线如图5所示。

图5 不同建筑荷载下地表沉降曲线

通过图5分析可以看出，不同建筑荷载在相同开挖进尺下，沉降规律基本相同，随着建筑荷载的增加，建筑下方的沉降值逐渐增大，两建筑物中间挤压部分产生隆起值也随着增加。20 kPa、40 kPa、60 kPa开挖完成最终沉降分别为20.69 mm、22.33 mm、23.77 mm，两建筑中间沉降值分别为20.34 mm、21.15 mm、22.14 mm，隆起值分别为0.35 mm、1.18 mm、1.63 mm。

3.3 不同注浆压力

粉质砂层因其受刀盘扰动敏感性较强，同步注浆的压力及饱满程度对地表沉降影响较大。对0.2 MPa、0.3 MPa、0.4 MPa注浆压力盾构数值模拟，得到不同注浆压力下地表沉降曲线如图6所示。

图6 不同注浆压力下地表沉降曲线

由图6可知，在开挖15 m时离建筑正下方距离较远，不同注浆压力对建筑下方地表沉降影响不明显。随着进尺的逐渐推进，沉降明显加大。0.2 MPa、0.3 MPa、0.4 MPa最终地表最大沉降值分别为24.43 mm、22.33 mm、20.43 mm，建筑中间沉降分别在22 mm、20.15 mm、19.25 mm，隆起值分别为2.43 mm、2.18 mm、1.18 mm。通过合理的增加注浆压力能够减小建筑物间的不均匀沉降。