地铁隧道近接下穿城市沉降敏感区影响及优化分析

王万锋,陈宇华,赵 凯,邹祯祥,邱军领*,杨 桃

(1.中铁建云南投资有限公司,云南 昆明 650200;2.长安大学 公路学院,陕西 西安 710064;3.四川都金山地轨道交通有限责任公司,四川 成都 611830;4.四川蜀道新制式轨道集团有限责任公司,四川 成都 610023)

随着城市的快速发展,地面空间的利用率趋于饱和,地铁等城市交通轨道对促进城市交通发展有着重大的意义。盾构法以其施工较安全、施工效率高和对地层以及上部建筑物扰动影响小等优点,逐渐成为了城市地铁施工的主要方式[1]。然而受到复杂地质条件和施工地区周围环境的影响,盾构推进过程所造成的不利影响仍然是不能被忽略的[2]。目前,盾构开挖隧道与地上、地下建筑物的相互作用所引起的地表以及既有建筑的沉降分析成为许多专家学者研究的热点[3]。

国内外学者在盾构施工所造成的地表以及建筑物沉降的分析中,大多以理论分析、有限元模拟和实地监测为主[4]。于丹丹等[5]通过理论分析研究了盾构隧道近接建筑物所造成的影响以及对建筑物本身抵抗变形的因素,并对建筑物的风险等级进行分级;黄宏伟等[6]依托现场监测对盾构隧道施工所引起的地表沉降进行了研究;Yin等[7]通过数值模拟研究了盾构隧道施工近接穿越既有隧道时对相邻现有隧道的影响并提出了相应的控制措施;Bilotta等[8]对隧道穿越邻近历史建筑物进行三维有限元数值模拟,并分析了自然地下条件与考虑建筑影响两种情况下的地面沉降影响。

现有研究主要集中于盾构隧道下穿既有建(构)筑物所造成的影响,鲜有研究盾构近接下穿城市中沉降敏感区地带方面的报道。加油站通常会将油库或者油罐埋于地下,其受到隧道施工扰动的影响应着重研究。本文依托于地铁盾构隧道下穿加油站及其下埋油罐工程实例,建立三维有限元模型,研究地铁盾构下穿加油站时地表和油罐的沉降特性,对比分析不同油罐放置方式对隧道开挖后地表沉降的影响,以期为盾构隧道近接城市中沉降敏感区等类似工程提供参考。

1 工程概况

某地铁隧道采用盾构法施工,下穿加油站以及侧穿埋于加油站下方的油罐,二者之间的位置关系如图1所示。加油站油棚为1.5 m独立基础的1层网架结构,距隧道拱顶约12.7 m;4个地下油罐位于加油站的侧下方,其中2个汽油罐、2个柴油罐,双层排列,油罐直径2.5 m,油罐长约6 m,体积约为25 m3。该区间穿越地层从上到下依次为粉质黏土、粉质黏土-黏土、粗砂-砂砾、强风化安山岩和中风化安山岩。其中加油站区域隧道穿越地层为中风化安山岩,拱顶覆岩厚度小于1 m。设计定义风险源等级为 I 级。根据《城市轨道交通地下工程建设风险管理规范》(GB 50652—2011)[9]要求,穿越加油站时必须降低风险源等级。根据《城市轨道交通工程监测技术规范》(GB 50911—2013)[10]要求,建筑物以及油罐竖向位移沉降控制值以及加油站倾斜控制值如表1所示。

图1 盾构隧道与建筑物相对位置

表1 竖向位移沉降控制值

2 有限元模型

2.1 模型建立

为接近真实情况,有限元模型的尺寸根据所在地区围岩的情况选为90 m×30 m×40 m(长×宽×高),各层土体深度依次为6、4、4、5、21 m,并且在模型的底部、四周侧边分别施加固定边界的约束。盾构隧道采用圆形断面,隧道直径6 m,盾构注浆区域0.3 m,两隧道净距14 m,隧道拱顶埋深19.7 m。有限元模型见图2所示,地层及建筑物材料建模参数见表2、表3。本模型主要模拟地层的沉降,因此在数值模拟的过程中加油站仅以均布荷载的形式加载在混凝土底座上。加油站占地面积为30 m×12 m。

图2 有限元模型

表2 地层物理参数

表3 施工所需材料物理参数

2.2 盾构施工模拟

盾构长度取隧道方向30 m,施工顺序为双线分开施工,左线施工完毕后进行右线的施工。根据现场施工实测[11],其施工控制参数为掘进压力9 000 kN,顶推力500 kN,注浆压力0.5 MPa。施工过程可分为三个步骤:第一步,盾壳先行,在原本的开挖区以及注浆层施加掘进压力,每环推进3 m,开挖出注浆和安装管片的土体;第二步,向前推进两环,施加顶推力,安装管片;第三步,在管片安装好后,开始移出盾壳,更换注浆层的属性用以模拟施加在管片上的注浆层,并在注浆后一个阶段施加注浆压力。

3 模型计算结果

3.1 地表沉降分析

在隧道施工过程中,不可避免地会影响到附近地层,因此,本文对地表的沉降以及建筑物附近的地表沉降进行研究。

3.1.1 地表沉降随施工过程的沉降变化规律

由于盾构隧道的推进会从加油站及附属建筑物下方穿过,所以本文对加油站所在位置的地表选取六个测点,如图3所示,以分析加油站区域地表沉降变化。

图3 建筑物测点沉降

左线先行施工,该过程中测点1与测点4的沉降变化比较明显且沉降的变化率相似,左线施工完成后两测点沉降均维持在9.49 mm,占总体沉降的89%;而测点2、5,由于测点位置位于双线隧道的正上方,其在左线施工过程中趋近于线性变化,在左线施工完毕时两测点的沉降均达到4.98 mm,占总体沉降的49%;测点3、6位于右线隧道上方,因此受到左线施工的影响较小,左线施工结束时两测点沉降维持在1.21 mm处,占总体沉降的8%。在右线施工的过程中测点1、4距离施工区域较远,受到影响较小,在施工结束后两测点沉降增至9.90 mm;测点2、5,其沉降规律仍趋近于线性变化,在施工结束时,沉降增至10.52 mm;测点3、6距离右线施工区域较为接近,其沉降变化率增大,待右线施工结束两测点处沉降达到9.60 mm。

由上述分析可知,当双线隧道施工结束后,建筑物各测点的沉降均维持在9.80～10.50 mm,沉降均保持在表1所给出的一级控制值之内,隧道施工安全穿越建筑物。

3.1.2 施工结束后的地表沉降分布规律

地表在施工结束后的沉降规律见图4,地表的沉降以隧道施工区域为对称轴呈“V”型分布,在隧道正上方的沉降达到最大值。累计沉降最大值达到11.48 mm,位于左、右线隧道起始点的上方,且靠近左线施工区域。距离隧道施工范围外的地表区域会产生小范围的隆起,且隆起高度最大为0.5 mm,对建筑物以及地上道路的影响可忽略。

图4 施工结束后的地表沉降

施工结束后,加油站所在位置的地表出现了一定程度的下沉,并且建筑物为网架结构,建筑物所在地区的沉降达到了10.36 mm,从图3(b)中可以看出接近建筑物地区的沉降变化梯度有所减小,达到近乎水平的程度,说明建筑物在施工结束后的沉降较为均匀,并没有出现倾斜的情况。根据表1所提供的建筑物沉降控制值,模拟结果处在报警值以内,是偏于安全的。由图5实测结果可知地表在施工过程中产生的最大沉降为9.93 mm[11]。

图5 沉降实测曲线

与实测数据相比,模拟数值偏大,这与施工及地上的行车会对土体产生扰动有关,同时实测时的环境因素也是使数据出现偏差的原因之一。

3.2 油罐沉降分析

油罐位于左线隧道的侧上方,以石粉层填筑,在石粉层下方施加混凝土底板。由于隧道的施工,对加油站下方埋置的油罐会有一定的影响,现将隧道所测穿的油罐进行编号,见图2。

3.2.1 油罐沉降随施工过程的变化规律

油罐可能会受到隧道施工的影响产生沉降或挤压。对此进行模拟计算,分析油罐表面测点随着施工过程所产生的位移。沉降情况取各个油罐上侧与下侧的测点进行沉降监测,沿罐身选取如图6(a)所示三个测点。

图6 油罐罐身测点沉降

根据图6中结果,油罐的沉降随着Y方向坐标的增长有所增加,沉降累计最大值为2.84 mm。油罐靠近左线施工区域,左线的掘进施工对油罐的扰动相对较明显,并且在盾构隧道的施工中,注浆压力的施加阶段会对油罐的沉降影响较为明显,会使油罐有些许的隆起;之后由于施工进行到下一个阶段,油罐表面将会再次沉降;最终油罐的沉降稳定在2.75 mm。可以看出,盾构的施工对油罐会有一定程度的影响,而且对于处在第二层的两个柴油罐来说,较上层两汽油罐所产生的沉降幅度大。油库沉降报警值为1.5 cm符合规范[9]要求,隧道施工可安全通过油罐部分。实际工况的累计最大沉降为3.49 mm[11],见图7,模拟与实测结果的偏差,可能与施工过程对土体的扰动比模拟的情况更加复杂有关。

图7 施工结束后罐身沉降

3.2.2 油罐沉降分布规律

由上述分析可以看出,隧道施工的过程对油罐有一定的扰动,且施工结束后油罐的沉降基本较为平稳。为了更加细致地分析隧道施工对油罐所造成的影响。在罐身上侧与下侧沿着罐身轴线每0.5 m设置一个测点,分析其沉降规律,其施工结束后的沉降结果如图7所示。

各油罐的沉降均由罐首至罐尾逐渐减小。另外每个油罐的上部测点与下部测点的变化率并不一致,由图7对比得出,一号汽油罐与一号柴油罐的上下测点的沉降幅度相差较为显著,一号柴油罐在3 m处(油罐罐体中段)的上下部沉降差相差最为明显。

对于油罐所处的位置来说,位于上层的两个汽油罐的沉降幅度小于下方的两个柴油罐的。上层汽油罐的最大沉降达到2.69 mm,而对于下层的两个柴油罐,由于距离施工隧道更近,所以受到的影响就更加显著,其最大沉降达到2.84 mm。

油罐外侧的石粉层,可以降低油罐受到隧道施工的影响。根据图8石粉层结构的位移云图可以看出,石粉层的沉降分布由上至下逐渐增大。沉降最小部分位于左上部分,平均沉降达到2.42 mm;沉降的最大部分位于石粉层的下部,平均沉降达到3.04 mm,受到施工影响较为明显。对于石粉层的内部安置油罐的部分,其沉降变形情况与罐体的沉降情况一致,隧道施工造成罐体与石粉层外壳出现空隙,故隧道施工可安全穿越油罐所在区域。

图8 石粉层沉降云图

4 优化方案对比分析

根据上述分析可知,油罐的布置形式会导致上下两层罐体的沉降随着施工而出现偏差。本次数值模拟借鉴郑州地铁隧道下穿加油站中油罐水平依次排列方式[12],改变油罐的排列方式见图9所示。测点选取同图6(a),对油罐沉降随施工步骤的变化进行分析,如图10所示。

图9 更改位置后的相对位置

图10 更改油罐排列位置后的油罐罐身测点沉降

根据模拟结果可知,更改油罐的安装位置后,油罐的沉降随着施工的进行逐渐增大,最终均稳定在2.68 mm。较之前的安装模式,四个油罐位于同一高度,其沉降较为均匀,并且其沉降的幅度也较之前有所减小,同时也会减轻油罐四周石粉层所产生的变形。为进一步探究这种排列方式对减小油罐表面沉降的影响,在施工结束阶段对四油罐进行研究,测点的选取同为油罐上、下表面轴线,计算结果见图11。位于左线隧道正上方的二号汽油罐受到隧道开挖的影响相对较大,上下相差最大处位于二号汽油罐中部,较原始工况的沉降差减少38%。更改排列位置后,罐身的沉降变化率相比之前减少41%。

图11 更改油罐排列方式后的罐身沉降

更改油罐摆放顺序后,不仅可消除上下层油罐的相对影响,同时罐体上、下沉降差减小显著。隧道掘进施工对油罐有一定扰动,但扰动影响较少。

加油站地表沉降在改变油罐位置后其变化规律如图12所示。可以看出,其地表最大沉降相较于油罐改变位置前降低了24%,加油站附近地表受到隧道开挖所产生的沉降也较之前有所降低。

图12 地表沉降对比

5 结论

1)油罐位于左线隧道一侧,受施工扰动影响较大。施工结束后,隧道上方最大沉降位于两隧道中心偏左线一侧,为11.48 mm。在盾构隧道施工扰动和建筑载荷影响下,最终沉降稳定在9.50 mm至10.75 mm,左线隧道附近略大于右线。建议在双线隧道施工中,提前对先施工一侧隧道附近的建筑进行加固,可以减轻对先施工一侧地表的影响。

2)油罐的沉降变化会在施工阶段中受到注浆压力的影响,沉降会在隧道施加注浆压力的阶段有所减小。在左线施工的过程中油罐的整体沉降会达到2.50 mm,而右线施工结束后,油罐的整体沉降达到2.85 mm,可以看出油罐的沉降受到左线的影响较大,因此应该在左线施工的过程中注重油罐的保护。

3)在上下双层油罐布置下,油罐上下侧轴线处沉降差值最大为单层的5.69倍。下层油罐不仅受隧道施工影响,还受到上层油罐额外荷载影响。如果将油罐改为单层摆放,则油罐上下侧最大沉降差值可减少38%,最大沉降减小19%,地表沉降减小24%。因此,建议隧道下穿油罐时,将油罐改为单层排列,这有利于减少油罐沉降,提高施工安全性。