盾构隧道下穿既有建筑施工监控分析

杨 军 黄 钞

(中国水利水电第七工程局成都水电建设工程有限公司 成都 611130)

在地下空间开发利用规模与需求日益增加的背景之下,地下轨道交通的发展得到愈来愈多的重视[1-2]。随着城市地铁线路的增加,难免出现隧道下穿既有建筑物的情况。而盾构法作为常用的地铁施工方法,其推进过程对土体的扰动会导致地面发生一定程度变形,对地面建筑物产生影响。因此,为了避免地面变形对地面建筑物及盾构工程本身带来事故,研究盾构下穿既有建筑物过程具有重要意义。

针对盾构下穿问题,已有不少学者进行了研究。朱蕾等[3]总结软土地区盾构下穿已建成隧道的研究现状,监测分析了实际工程中既有隧道的变形数据,并认为盾构在纵向推进方向影响范围为3D～5D间。杨成永[4]、马文辉等[5]等结合数值模拟与现场监测等手段,分析不同地层条件下盾构穿越既有盾构隧道的变形规律,总结了施工控制经验。胡高明[6]、谭贝等[7]通过数值模拟研究了盾构下穿过程中高速公路路基的沉降变化。刘勇等[8]采用几何相似比1∶5的模型试验,模拟盾构下穿高铁路基,探究不同埋深对轨道沉降的影响规律,且认为盾尾脱出是引起沉降的主要因素。宋钢[9]总结土压平衡盾构下穿浅基础房屋的主要风险与房屋加固措施,并针对掘进过程中的盾构参数、注浆方法,以及渣土改良等技术提出了建议。文献[10-11]依托不同地铁盾构工程,采用数值模拟方法研究盾构施工对地面建筑物的影响规律,并提出了可行的加固措施。

上述研究较多针对盾构穿越过程中的地层沉降及建筑物加固措施,而对于发生在砂卵石泥岩复合地层的下穿及管片结构本身受力特性的研究还存在空白。本文拟以成都地铁19号线二期工程盾构下穿某公安局为研究背景,提出下穿工程的施工控制措施,并通过数值模拟分析施工过程中地层、管片和建筑物的受力特性,以为实际工程提供参考。

1 工程概况

1.1 基本概况

成都地铁19号线二期工程双线盾构隧道下穿某机场公安分局,其相对位置见图1。

图1 盾构下穿公安局相对位置图

下穿段盾构直径8.3 m,穿越密实砂卵石与中风化泥岩复合地层。在此种上软下硬地层中掘进时,容易发生开挖面失稳、盾构姿态偏移等问题。此外,由于上、下部分掘进效率的差异,软土部分容易超挖,从而引起较大的地表沉降。建筑物及基础采用C30混凝土,隧道管片、注浆材料采用C50混凝土,各地层及建筑材料物理力学性质见表1。

表1 地层及建筑材料物理力学参数

机场公安局为6层钢筋混凝土框架结构,其基础为AB400的PHC管桩,桩基最深9 m。盾构隧道顶部距离基础底部最小距离约14.9 m。在复合地层掘进时各地层间作用复杂,加之砂卵石地层原有状态容易破坏,可能存在既有建筑物基础下沉、开裂及倾斜等风险,故盾构下穿该公安局属超规模危大工程。

1.2 注浆加固

在穿越既有建筑物前,采用增加注浆孔的加强型管片,在穿越时必须进行二次注浆,以弥补同步注浆填充不足。同时,采用直径×壁厚为42 mm×3.5 mm钢花管进行洞内深孔注浆加固。地层及注浆加固断面图见图2。

如图2,深孔注浆深度上部范围为3 m,下部范围为0.5 m,注浆终压0.2～0.4 MPa,注浆材料一般采用水泥浆液,注浆体材料参数见表1。结合地面监测,特殊情况下可采用水泥-水玻璃双液浆,其中水泥浆水灰比为0.8～1.0,水玻璃浓度为38～40°Bé,水泥浆水玻璃混合体积比为1.0～2.0,控制初凝时间在20 s内。

2 数值模拟

采用ANSYS有限元软件建立数值模型。考虑到轨道交通3号线及基坑降水开挖的影响范围,模型尺寸定为141 m(横向)×53 m(竖向)×114 m(纵向),见图3。模型边界条件为:隧道轴线方向,模型前后两面边界结点施加水平纵向约束;隧道横向方向,模型左右两面边界结点施加水平横向约束;模型底面结点施加竖向约束。

图3 地层-结构模型示意图

为简化计算,假设各土层为均质层状,地层本构采用摩尔-库仑模型。建筑物、基础、衬砌材料则采用线弹性本构模型。

下穿既有建筑物形状整体呈“工”字形,选取其基础不同位置管桩作为沉降监测点,见图4,以探究其沉降及倾斜状况。

图4 建筑物沉降监测点布置图

模拟开挖时,使用ANSYS中单元的“生死”控制模拟土体开挖及支护过程,即开挖土体时在模型中“杀死”相应部分的单元,而安装管片和盾尾注浆时则激活相应的单元。单个开挖步开挖6 m,并分为3个时间步。在每一开挖步内,计算注浆层、土体、管片系统的应力、应变,并在考虑边界条件影响的条件下得到土层、管片的位移、应力等重要数据。左、右线分别开挖,共计循环开挖38步,直至隧道开挖结束。

3 数值计算结果分析

3.1 地表沉降

右线下穿开挖完成后,地层最终竖向位移见图5。选取右线正上方地表中心点作为监测点,其沉降值随开挖距离变化曲线见图6。

图5 地层竖向位移图

图6 地表监测点沉降变化曲线

如图6所示,随着基坑开挖进行,地表沉降逐渐增大,在隧道掘进完成后达到最大沉降量19.539 mm。地表沉降速度整体呈现先增大,达到最大之后逐渐放缓并趋于稳定。开挖50～70 m处时,盾构下穿既有建筑物,开挖60 m处,地表沉降速度最大达到10.5%,而在模型边界处地表沉降速度稳定为1.9%左右。原因在于隧道掘进到达建筑物前由于地表荷载增加,隧道开挖导致的地表沉降逐渐加快并在隧道穿越建筑物重心正下方时数值达到最大。随着远离建筑物,地表沉降速度逐渐减小并回归正常趋势。

3.2 管片衬砌变形

隧道掘进至既有建筑物下方时,建筑物自重将对管片结构受力产生一定影响。开挖完成后,管片衬砌结构的竖向、水平沉降云图见图7。由图7a)可知,管片在既有建筑物作用下,竖向位移为负,即结构整体向下沉降。但由于底部存在地层反力,管片下部沉降相较于上部较小,位移为2～3 mm。在隧道纵向上,既有建筑物正下方管片上部结构沉降相对其余位置管片上部结构沉降较大。由图7b)可知,管片结构远离对向隧道的一侧向内位移,对侧位移方向相反且更小。结构整体竖向位移相较水平位移明显较大,且上部管片变形更为明显。

图7 管片位移云图

管片竖向及水平最大位移值变化曲线见图8。

图8 管片结构竖向及水平最大位移值变化曲线

由图8可知,管片竖向最大位移沿开掘距离呈增大趋势,增长速度先逐渐增加且在下穿建筑物时达到最大,之后逐渐减缓并趋于稳定,最大位移值为7.419 mm。而管片最大水平位移在开挖后增大至峰值0.882 mm,在下穿建筑物后逐渐减小。在50～70 m的下穿段间,结构位移变化趋势显著,进行盾构施工时需要注意观察监测隧道管片的位移变形,以免发生工程事故。

3.3 既有建筑物沉降及倾斜变形

开挖完成后,管桩竖向位移见图9。

图9 管桩竖向位移云图

如图9所示,由于开挖位置靠近建筑物右侧,右侧管桩沉降整体较左侧更大。其中,开挖正上方管桩受影响较大,其沉降较其它位置更大。图10为各监测点纵向沉降随双线隧道不同掘进距离变化曲线。

图10 监测点沉降曲线

由图10曲线可知,随着盾构掘进的进行,初期沉降缓慢,随盾构掘进到监测点所在监测面,依次产生明显向下沉降,并随盾构远离机场公安局建筑物,沉降逐渐趋于稳定。其中,靠近盾构开挖线路的7号监测点沉降值最大,达-16.8 mm;12号监测点离隧道最远,其沉降值与沉降速率较小;2号监测点由于位于建筑物角部,穿越完成后仍具一定沉降速率,施工过程中需重点关注。

由于盾构掘进方向与既有建筑物存在一定夹角,利用1、6、7、12号4个角部管桩沉降值计算建筑物最大倾斜率,即

Qmax=ABS(Hmax-Hmin)/D

(1)

式中:Qmax为建筑物的最大倾斜率;Hmax为建筑物最大角部管桩沉降;Hmin为建筑物最小角部管桩沉降;D为最大和最小沉降角点的直线距离。

建筑物倾斜曲线见图11。由于在盾构掘进到建筑物前对施工方向前端的地层造成的推力,加之建筑物荷载,形成了复杂应力场,其下部基础会产生一定程度的不均匀隆起。由图11可见,随盾构开挖到44～84 m,位于建筑物正下方时,距离开挖线路近处的角点产生更大纵向位移变形,导致了明显的倾斜变形。随着盾构远离,开挖所造成的沉降叠加效果逐渐减小,建筑物倾斜变形趋于稳定,最终倾斜率约为0.075%,满足设计规范,倾斜规律符合实际情况。

图11 建筑物倾斜曲线

4 施工监测数据分析

4.1 掘进参数控制

盾构掘进过程中,坚持以“控制扰动,安全、连续、快速均衡通过”的原则进行掘进段参数预设定,具体参数设置见表2。施工时,及时根据地面监测数据对盾构参数进行调整。

表2 下穿段预设盾构参数

右线盾构于1 320～1 330环下穿公安局,穿越过程中掘进参数见图12。

图12 右线盾构下穿过程掘进参数

由图12a)可见,盾构掘进至1 320环时,为避免大幅扰动地层,掘进速度减慢,在结合地面监测点数据后,快速、均匀通过下穿段,平均掘进速度为57.7 mm/min。如图12b)所示,为控制地面沉降,掘进时同步注浆量与掘进速度相匹配,且不低于11.8 m3/环,下穿段平均注浆量为12.6 m3/环。刀盘推力受地层性质、埋深等因素影响,在下穿过程中,其变化与掘进速度有相反趋势,平均推力为25 727 kN。

4.2 实测沉降数据分析

取公安局地表沉降变形监测点JGC101-30～JGC101-34进行分析,监测点布置见图13。

图13 监测点布置图

左、右线各监测点沉降变形时程曲线见图14,右线于28-29日穿越建筑物正下方,左线于14-15日穿越建筑物正下方。由图14a)可见,右线盾构下穿过程中建筑物沉降变形可分为“微小隆起-开始沉降-趋于稳定”3个阶段。盾构开始下穿时地表略有隆起;下穿过程中地表沉降加大,期间最大沉降值为-3.14 mm;下穿通过后,地表沉降变形保持稳定,各监测点整体变形值为0.5～-3 mm。由图14b)可见,左线7号盾构穿越时,在穿越建筑物正下方后3 d内持续沉降,最大沉降值为-6.40 mm,沉降规律基本与8号盾构一致。实测沉降值总体相对模拟值较小,说明模拟结果偏保守,但实测数据变化规律与模拟数据基本一致。建筑物沉降与倾斜率变化量与变化速率均小于控制值,满足施工监测要求。

图14 监测点沉降时程曲线

5 结论

文中对复杂地层下盾构穿越既有机场公安局全过程进行数值模拟研究,并结合施工实测数据进行论证,研究得到以下结论。

1) 地层沉降量在掘进完成后达到最大值19.539 mm,且在盾构掘进至建筑物下方时,沉降速率最大。

2) 盾构下穿过程中,靠近建筑物下方的管片沉降更大,管片最大竖向与水平位移分别为7.419,0.882 mm,在开挖50～70 m下穿段位移变化趋势显著。

3)“工”字形建筑物在靠近盾构开挖线路位置沉降最大达到-16.8 mm,且两端的监测点最终位移更大;盾构掘进至建筑物正下方时,其倾斜变形最为明显,最终倾斜率为0.075%。

4) 施工监测中,及时根据监测数据控制盾构参数,做到了同步注浆量与掘进速度相匹配,快速均匀通过建筑物;左线下穿施工时监测点整体变形值相较右线更大;沉降实测值较模拟更小,但沉降规律基本一致,且满足施工监测要求。