复合地层TBM隧道开挖对地表及建筑物的影响分析

赵志岗,张 通,李树光,吴燕开,李锁在

(1.中铁三局集团第四工程有限公司,北京 102300;2.山东科技大学土木工程与建筑学院,山东 青岛 266590)

1 工程概况

青岛地铁2号线一期调整段工程线路长度约3.9 km,共四站三区间,线路起于市南区轮渡站,终止于市北区泰山路站,地质情况属于典型的上软下硬土层,上部软土层厚0.30～29.60 m。本模型隧道的土层从上到下有:①1杂填土,厚度8 m,褐黄色,稍湿,松散～稍密;上强风化花岗岩上亚带,厚度3 m,褐黄色,节理密集发育,为极破碎的极软岩;下强风化花岗岩下亚带,厚度6 m,黄褐色,节理裂隙密集发育,为极破碎的软岩;中等风化粗粒花岗岩,厚度5 m,肉红色,节理裂隙很发育,属于较破碎的较软岩;微风化粗粒花岗岩,厚度48 m,肉红色,节理裂隙发育,属较完整的较硬～坚硬岩。

本线路下穿厂房、学校、高架桥、商铺、居民楼等建筑物,结构类型有砖混、框架等,建筑物基础类型形式复杂多样有条形基础、独立基础、桩基础等。隧道开挖形式为双护盾TBM机进行开挖,隧道洞径6.3 m,隧道衬砌采用外径为6 m的预制混凝土管片,厚为0.3 m,每环宽1.5 m。

2 数值模拟

2.1 模型参数

为了简化计算,采用平面应变问题来解决实际工程中非常复杂的隧道与建筑物之间的关系。为了更好的接近实际工程,采用了青岛地铁2号线西延段的地质勘查数据,土体采用摩尔—库伦本构模型,并且采用软化模量法进行模量折减40%,来模拟应力的释放,采用平面4节点单元。管片的厚度为0.3 m,单元类型为实体单元,属于线弹性材料。注浆层的厚度为0.15 m,单元类型为实体单元,属于线弹性材料,采用不同的弹性模量模拟其硬化。建筑物为6层的梁柱体系,基础类型为条形基础、独立基础和桩基础,条形基础埋深2 m、独立基础埋深2 m,桩基础埋深9 m,单元类型为4节点实体单元,活荷载按规范取值,将其施加于梁柱上。具体参数见表。

表1 材料物理力学参数

2.2 模型建立

为消除边界效应,依据圣维南原理,将该模型水平x方向的尺寸取100 m,竖直y方向尺寸取70 m。由于隧道中部变形影响较大,故采取加密网格处理。该模型上表面为自由边界,不做约束,左右两侧约束其法向位移,底部为固定边界,限制水平和竖向位移。

2.3 模拟步骤

(1)使用Model change技术先禁用衬砌结构并且对土体和建筑物进行地应力平衡操作;(2)禁用左隧道需要开挖的土体,释放土体应力;(3)激活左隧道的管片单元;(4)激活左隧道的注浆层单元;(5)左隧道的注浆层硬化。(6)禁用右隧道需要开挖的土体,释放土体应力;(7)激活右隧道的管片单元;(8)激活右隧道的注浆层单元;(9)右隧道的注浆层硬化。

2.4 模拟工况

工况1:水平距离S为0D、1D、2D、3D、4D的条形基础、独立基础和桩基础建筑物对地表的影响;

工况2:隧道埋深H为10、15、20、25、30、35、40 m时不同基础建筑物存在时地表的变形;

工况3:隧道间距L为10、12、14、16、18、20、22 m时不同基础建筑物存在时地表的变形;

工况4:水平距离S为0D、1D、2D、3D、4D的条形基础、独立基础和桩基础建筑物的变形;

工况5:隧道埋深H为10、15、20、25、30、35、40 m 时条形基础、独立基础和桩基础的建筑物的变形;

工况6:隧道间距L为10、12、14、16、18、20、22 m 时条形基础、独立基础和桩基础的建筑物的变形。

3 结果分析

3.1 隧道开挖对地表的影响

(1)建筑物不同位置对地表的影响

本工程隧道埋深H为25 m,隧道间距L为16 m,分别分析无建筑物和建筑物轴线与隧道轴线水平距离S为0D、1D、2D、3D、4D时的地表的变形,得出不同水平距离S下不同基础类型的建筑物的地表沉降对比曲线,如图3所示。

图1 建筑物不同位置时的地表沉降曲线

图2 不同隧道埋深下的地表沉降曲线

图3 不同隧道间距下的地表沉降曲线

由图3可知,当无建筑物时,地表沉降曲线呈现轴对称分布。当建筑物存在时,地表沉降值明显增大,当水平距离S为0D时,在建筑物存在区域,沉降值明显增大,但基本一致,呈现出整体下降的趋势,对于建筑物的破坏较小。当水平距离S为1D时,建筑物基本位于右线隧道正上方,此时地表沉降曲线不在呈现出轴对称分布,独立基础的建筑物与桩基础的建筑物出现倾斜,并且沉降差较大,距离隧道轴线较近的一侧,即建筑物左侧柱子处,沉降值较大,右侧柱子处沉降值较小,这种情况下极易导致建筑物出现裂缝。条形基础的建筑物存在处的地表,较S=0D时,出现整体向右偏移,但依旧为整体沉降。当水平距离S为2D时,此时建筑物中线位于右线隧道稍偏右,独立基础、条形基础与桩基础的建筑物地表沉降曲线均呈现出倾斜,距离隧道近的一侧沉降值较大。当水平距离S为3D时,此时建筑物的沉降差进一步缩小。当水平距离S为4D时,此时建筑物已经远离隧道,三种基础类型的建筑物的地表沉降曲线与无建筑物时相接近,建筑物的沉降差几乎可以忽略,表明隧道开挖对地表的影响较小。

由图1还可以得出,当S接近0D时,此时建筑物位于隧道正上方,虽然沉降值较大,但是建筑物是整体沉降,建筑物不会产生倾斜开裂;当1≤S≤4时,此时建筑物容易产生不均匀沉降,导致建筑物倾斜开裂;当S>4D时,此时隧道开挖对地表的影响较小。

(2)隧道埋深对地表的影响

本工程隧道间距为16 m,建筑物水平距离S为0D,分别分析TBM埋深为10、15、20、25、30、35、40 m时的地表的变形,取独立基础、条形基础和桩基础下地表沉降曲线如图2所示。

由图2可知,当隧道埋深由10 m增加到15、20、25、30、35、40 m过程中,独立基础的最大沉降值由20.66 mm变化到6.09、0.29、0.24、0.25、0.24、0.24 mm;条形基础的最大沉降值由22.52 mm变化到6.81、0.30、0.26、0.27、0.27、0.28 mm;桩基础的最大沉降值由21.57 mm变化到9.16、0.37、0.30、0.31、0.31、0.30 mm,可以看出当隧道埋深变大后,地表沉降值逐渐减小,但是隧道埋深过大时,地表沉降值基本不变。由于强风化和中风化花岗岩强度较低,当隧道埋深在10～20 m之间时,隧道开挖导致的地表沉降值较大,并且建筑物基础形式为条形基础时的地表沉降值大于桩基础大于独立基础。并且由图中可以明显看出,当隧道埋深较浅时,独立基础和条形基础时的地表沉降曲线呈现“U”形,而桩基础时的地表沉降曲线呈现“W”形,这是因为由于隧道埋深较浅,并且建筑物位于隧道正上方,隧道与两侧桩基础之间垂直距离较近,由于建筑物的自重和桩基础的持力层减弱,导致两侧桩基础的地表沉降值较大。

(3)隧道间距对地表的影响

本工程隧道埋深H为25 m,建筑物水平距离S为0D,取隧道间距L为10、12、14、16、18、20、22 m七种工况分别进行分析,得到独立基础、条形基础和桩基础下地表沉降曲线如图3所示。

由图3可知,当隧道间距由10 m增加到12、14、16、18、20、22 m过程中,独立基础的最大沉降值由0.31 mm变化到0.29、0.26、0.24、0.23、0.22、0.21 mm;条形基础的最大沉降值由0.31 mm变化到0.30、0.28、0.26、0.25、0.23、0.22 mm;桩基础的最大沉降值由0.38 mm变化到0.36、0.33、0.30、0.28、0.27、0.25 mm,可以看出当隧道间距变大后,地表沉降值逐渐减小,但由图中也可以看出当间距变大后,建筑物基础范围以外区域沉降值变大。基础形式对于地表沉降的影响为:在隧道间距的增大过程中,建筑物为桩基础时,地表沉降值最大,独立基础与条形基础时沉降值基本相同,但独立基础的地表沉降曲线呈现“V”形,而条形基础与桩基础的地表沉降曲线呈现“U”形,即条形基础与桩基础区域的地表呈现整体沉降。

3.2 隧道开挖对建筑物的影响

(1)建筑物不同位置的影响

本工程隧道间距L为16 m,隧道埋深H为25 m,分别分析建筑物轴线与隧道轴线水平距离S为0D、1D、2D、3D、4D时的建筑物的变形,得出不同水平距离S下不同基础类型的建筑物中间顶部的沉降对比曲线。

可知,三种基础类型的建筑物均呈现出,隧道与建筑物之间的水平距离S越大,建筑物的沉降值越小。当隧道与建筑物的水平距离S为0D时,即建筑物位于两隧道正上方时,建筑物的沉降值最大,桩基础的建筑物沉降值为0.3 mm,条形基础的沉降值为0.25 mm,独立基础的沉降值为0.24 mm,呈现出桩基础的沉降值大于条形基础大于独立基础。当水平距离S变为2D时,此时建筑物中线位于右线隧道稍偏右,建筑物的沉降主要受右线隧道的影响,桩基础的建筑物沉降值急剧减小并与条形基础相同,但小于独立基础。S为3D时,建筑物位于右线隧道右侧,桩基础的建筑物继续减小与独立基础的沉降值相同,大于条形基础。S为4D时,建筑物已经远离隧道,桩基础的建筑物沉降值继续减小达到0.05 mm,小于独立基础与条形基础0.08 mm。可以看出在水平距离的变化过程中,桩基础的建筑物沉降值变化最大,即水平距离S的改变对桩基础的建筑物影响最大。

(2)隧道埋深对建筑物的影响

本工程隧道间距L为16 m,建筑物水平距离S为0D,分别分析TBM埋深H为10、15、20、25、30、35、40 m时的建筑物的变形,得出不同开挖深度时不同基础类型的建筑物中间顶部的沉降对比曲线。

可知,隧道的埋深和建筑物的沉降值呈负相关关系,即建筑物的沉降量随着隧道埋深的减小而增大。当隧道埋深在10～20 m之间时,由于隧道在强度较低的强风化和中风化花岗岩中穿越,因此建筑物的沉降较为明显,当隧道埋深大于20 m时,由于隧道基本都在强度较高的微风化花岗岩中穿越,因此埋置深度的变化对建筑物的影响较小。在埋深10 m时,条形基础的建筑物最大沉降达到了22 mm,独立基础的最大沉降为20.43 mm,桩基础的最大沉降为17.4 mm,在埋深为15 m时,条形基础的建筑物最大沉降达到了6.66 mm,独立基础的最大沉降为6.06 mm,桩基础的最大沉降为5.96 mm,由此可以看出,在隧道埋置深度较浅时建筑物的沉降由大到小为条形基础、独立基础、桩基础。

需要注意的是,当隧道埋深为10 m时,由于隧道与两侧桩基础之间垂直距离较近,隧道的开挖导致桩基础的持力层减弱,加大了两侧桩基础的沉降,因此在施工中应当注意。

(3)隧道间距对建筑物的影响

本工程隧道埋深H为25 m,建筑物水平距离S为0D,取隧道间距L为10、12、14、16、18、20、22 m七种工况分别进行分析,由TBM隧道开挖掘进完成后建筑物中间顶部的沉降曲线可知,当隧道间距为10 m时,条形基础的建筑物最大沉降达到了0.31 mm,独立基础的最大沉降为0.31 mm,桩基础的最大沉降为0.39 mm,当隧道间距为22 m时,条形基础的建筑物最大沉降达到了0.22 mm,独立基础的最大沉降为0.21 mm,桩基础的最大沉降为0.24 mm,间距由10 m增加到22 m,条形基础的建筑物沉降值减小了0.09 mm,独立基础的建筑物沉降值减小了0.10 mm,桩基础的建筑物沉降值减小了0.15 mm,可以看出隧道间距变大后,建筑物的沉降值变小,并且桩基础的沉降值大于条形基础大于独立基础,当隧道间距变得很大时,桩基础与独立基础和条形基础沉降值趋于相同。

由于本工程隧道埋深25 m,隧道穿越岩层为微风化花岗岩,岩层特性较好,因此整体沉降值偏小,但依旧能体现隧道间距的改变对于既有建筑物有一定的影响。

4 结 论

(1)地表沉降与建筑物与隧道之间的水平距离S有一定关系。当S接近0D时,此时建筑物位于隧道正上方,虽然沉降值较大,但是建筑物是整体沉降,建筑物不会产生倾斜开裂;当1≤S≤4时,此时建筑物容易产生不均匀沉降,导致建筑物倾斜开裂;当S>4D时,此时隧道开挖对地表的影响较小。

(2)当隧道埋深H变大后,地表沉降值逐渐减小,但是隧道埋深H过大时,地表沉降值基本不变。当隧道在强度较低的岩层中穿过时,隧道开挖导致的地表沉降值较大,并且建筑物基础形式为条形基础时的地表沉降值大于桩基础大于独立基础。独立基础和条形基础时的地表沉降曲线呈现“U”形,而桩基础时的地表沉降曲线由于隧道开挖导致桩端持力层减弱呈现“W”形。

(3)当隧道间距L变大后,地表沉降值逐渐减小,但间距L变大后,建筑物基础范围以外区域沉降值变大。在隧道间距L的增大过程中,建筑物为桩基础时,地表沉降值最大,独立基础与条形基础时沉降值基本相同。

(4)隧道与建筑物之间的水平距离S越大,建筑物的沉降值越小。在水平距离的变化过程中,桩基础的建筑物沉降值变化最大,即水平距离S的改变对桩基础的建筑物影响最大。在隧道间距L不变时,建筑物的沉降与隧道埋深H呈现非线性的负相关关系,隧道埋深H越小,建筑物的沉降值越大,不同的基础类型有着不同的影响,由大到小为条形基础、独立基础和桩基础。隧道间距L变大后,建筑物的沉降值变小,并且桩基础的沉降值大于条形基础大于独立基础,当隧道间距L变得很大时,桩基础与独立基础和条形基础沉降值趋于相同。