上軟下硬地層下盾構近距離穿越房屋影響分析

李曉生,王 建,劉小文

(1.中鐵隧道集團三處有限公司,深圳 518052;2.南昌大學工程建設學院,南昌 330031)

近年來,盾構法成為地鐵施工首要施工方法,但在盾構過程中不可避免地要穿越建筑物,如何控制建筑物的沉降及傾斜在一定的安全范圍內是必須解決的重大技術和安全問題。國內大量學者對地鐵盾構進行了研究,王謙等[1]對盾構近距離下穿建筑物進行數值模擬,研究成果指導施工并保護了建筑物的完整性與安全性;魏綱等[2]基于杭州地鐵1號線某區間盾構隧道下穿建筑物工程實例,對雙線盾構隧道施工過程中引起的建筑物和地表沉降進行了現場監測,研究了雙線盾構隧道掘進施工引起不同位置、不同結構建筑物的沉降規律。丁智[3]對杭州地鐵1號線打鐵關站—閘弄口站區間工程進行了現場實測,研究了盾構掘進對土體變形及鄰近不同基礎建筑物的影響。葛世平等[4]結合上海某地鐵隧道穿越地面既有嚴重傾斜危房的工程實例,計算分析盾構穿越引起的施工期沉降、后期固結沉降及其對房屋的影響。車風等[5]以某地鐵盾構隧道穿越建筑物淺基礎的工程項目為背景,采用有限元模擬的方法,分析了隧道下穿淺基礎的偏心比、埋深對淺基礎及地表土體變形的影響規律。劉歡[6]利用有限差分軟件FLAC3D,分析了盾構施工以小凈距側穿橋樁對既有橋樁的影響;

劉雪嬌、魯茜茜等學者[7-9]對軟土層下地鐵盾構的影響性做了研究;閆國棟等學者[10-12]對盾構隧道下穿、側穿建筑物進行變形預測分析;秦學波等學者[13-14]分別對北京地區與鄭州地區地鐵盾構下穿建筑物風險控制措施進行了研究。

上述研究在一定程度上可以為地鐵盾構穿越軟弱地層提供借鑒,但對于南昌地區上軟下硬地層下雙線盾構隧道下穿建筑物的影響研究較少。南昌地鐵軌道交通4號線桃苑站～繩金塔站近距離下穿建筑物,該區間處于上軟下硬地層,如何控制地表沉降、房屋變形是必須解決的重大技術和安全問題。

1 工程概況

南昌市軌道交通4號線桃苑站～繩金塔站區間位于南昌市西湖區,本區間出繩金塔站明挖區間后,沿金塔西街(美食街)向西,于海關橋南側下穿撫河,過撫河后進入桃苑大街接入桃苑站。據統計本區間共下穿建筑物5棟,側穿12棟建筑物。距離隧道最近的建筑物金塔西街位置見圖1。

圖1 房屋所在地理位置平面示意圖Fig.1 Location plan of the house

金塔西街7#樓距離隧道最近,其為地上2層框架結構,基礎為人工挖孔樁,樁徑0.9～1.4 m,樁底標高11.55 m,樁頂標高21.55 m,樁身處于中砂層。左線隧道下穿建筑,建筑物樁底距離隧道最小垂直距離7.05 m;盾構區間隧道拱頂埋深6.29～19.2 m,地鐵盾構穿越土層位于粗砂層及中風化泥質粉砂巖,屬于上軟下硬地層,如圖2、3所示。

圖3 樁基與隧道關系剖面Fig.3 Relationship section between pile foundation and tunnel

2 盾構下穿建筑物影響性分析

2.1 計算模型

為了減少自然邊界條件對模型的影響,模型的長寬高取60 m×36 m×45 m,X、Y、Z方向見圖4。樁身直徑為0.9 m,每一層取均布荷載20 kPa作用于樁上,兩層小樓荷載為40 kPa,數值計算模型如圖4所示。垂直面水平向約束、模型底面豎向約束。共劃分36 632個單元。

2.2 計算參數

采用plaxis 3D軟件進行模擬計算中土體采取彈塑性模型,樁采用樁單元,管片采用板單元,具體的土層及相關結構參數均結合勘察報告取值,如表1。

圖4 計算模型圖Fig.4 Calculation model diagram

表1 土層及相關結構材料參數Table 1 Parameters of soil layer and related structural materials

2.3 盾構施工模擬

根據區間工程巖土工程勘察報告提供的地質情況及隧道埋深等情況,進行理論計算切口平衡壓力;正面平衡土壓力公式p=k0×γ×h,其中:p為平衡壓力;γ為土體的平均重度;h為隧道埋深;k0為土的側向靜止土壓力系數,隧道穿越粗砂層(,砂層容重約為20.5 kN·m-3,地層靜止側壓力系數取值k0=0.38,h取20.5 m,土壓力p=k0γh=160 kPa。

分析三種盾構順序對建筑物影響。方案一為先進行右線隧道施工,待右線隧道施工完畢之后再進行左線隧道施工;方案二為先進行左線隧道施工,再進行右線隧道施工;方案三為雙線同時盾構施工。

單側隧道分為30個開挖步數,每一個開挖步驟為管片長度1.2 m,共36 m,雙側隧道開挖步數共60個。首次經過樁基的盾構步數為15步。

樁基與隧道的位置關系如圖5所示。

2.4 模擬結果分析

不同盾構順序下的沉降云圖如圖6、7、8所示,可以看出沉降云圖均呈兩個“漏斗狀”。三個方案沉降發生的最大值均在拱頂處,方案一、二、三的拱頂處沉降最大值分別為0.81、0.86及0.94 mm,方案三拱頂處沉降最大。

圖5 樁基與隧道位置關系圖Fig.5 Layout diagram of house observation points

圖6 方案一沉降分布云圖Fig.6 Cloud map of settlement aistributim in scheme Ⅰ

圖7 方案二沉降分布云圖Fig.7 Cloud map of settlement distribution in scheme Ⅱ

圖8 方案三沉降分布云圖Fig.8 Cloud map of settlement distribution in scheme Ⅲ

圖9為不同方案下最終地表沉降,從圖9可以看出三個方案對地表沉降影響范圍略有不同,沉降影響范圍為兩隧道中心兩側范圍大約15、18及20 m左右。方案一地表沉降最大點在隧道中軸線右側。其值為-0.41 mm;方案二地表沉降最大點在隧道中軸左側,其值為-0.32 mm;方案三地表沉降最大點在隧道中軸處,其值為-0.52 mm?？梢钥闯龇桨敢粚ψ髠鹊乇沓两涤绊懽钚?。

圖9 不同方案的地表沉降Fig.9 Surface subsidence of different schemes

隧道盾構過程地表最大沉降如圖10所示,可以看出隨著隧道不斷開挖,地表沉降不斷發展,最終方案一地表最大沉降為0.49 mm;方案二地表最大沉降為0.73 mm;方案三地表最大沉降為0.98 mm。

圖10 地表最大沉降Fig.10 Maximum surface settlement

1#樁距離盾構隧道最近,盾構對1#樁影響最大。圖11為盾構對1#樁沉降影響曲線。

圖11 盾構對1#樁沉降影響Fig.11 Influence of shield on settlement of 1# pile

從圖11可以看出,隨著盾構開挖面距離樁基距離越近,對樁影響就越大;當盾構開挖面距離樁5 m時,盾構對樁沉降影響較大;開挖面出樁5 m后,樁沉降速率減小,沉降逐漸趨于穩定。方案一、二、三樁基沉降最大值分別為0.60、0.75、0.82 mm。沉降量均不大。

通過對三個不同施工方案的模擬,并將其結果進行對比,可以看出方案一對房屋樁基影響最小及地表沉降影響最小,所以實際施工中采取方案一進行。

圖12為方案一模擬值與實際監測的數據對比圖?？梢钥闯鰯抵涤嬎憬Y果與實測結果規律相同,模擬得到樁沉降為0.60 mm,實際沉降結果為0.78 mm,兩者較接近。

圖12 1#樁基沉降對比Fig.12 1# Comparison of pile foundation settlement

圖13為方案一地表最大沉降計算結果與實測對比圖?？梢钥闯鲭S著盾構的進行,地表最大沉降不斷發展。計算地表最大沉降為0.49 mm,實際監測沉降結果為0.63 mm,兩者亦較接近。

圖13 地表最大沉降Fig.13 Maximum surface settlement

無論從房屋樁基沉降還是地表沉降的角度看,計算結果與實測結果較接近,說明數值模擬方法正確,也說明采用方案一盾構方案對地表沉降及樁沉降影響最小。

2.5 盾構施工參數影響分析

1)開挖速度的影響

圖14為不同開挖速度下建筑物樁基沉降。隨著開挖速度的增大,建筑物的樁基沉降會減少;這是因為開挖速度越快,土層固結時間就越短,使得樁基沉降隨之減小。但開挖速度增至4環/d后,開挖速度對樁端沉降的影響逐漸減小。

圖14 開挖速度對樁基的影響Fig.14 Influence of excavation speed on pile foundation

2)掌子面壓力的影響

圖15為不同掌子面壓力下樁基沉降?？梢钥闯鲭S著掌子面壓力的增大,樁基的沉降不斷增大,掌子面壓力為160 kPa,樁基沉降為0.60 mm;當掌子面壓力增大到240 kPa時,樁基沉降為0.78 mm;當掌子面壓力為320 kPa時,樁基沉降為1 mm。這是因為掌子面的壓力越大,對土體的擾動越大,沉降就會增大。合理選取掌子面的壓力對樁沉降影響非常重要。

圖15 掌子面壓力對樁基的影響Fig.15 Influence of tunnel face pressure on pile foundation

3)盾構隧道與樁端位置關系影響

為分析盾構隧道與樁位置關系對地表沉降影響規律,選取了左側隧道頂與1#樁端不同距離及左側隧道與1#樁之間不同的水平距離進行分析。圖16為盾構隧道與樁端不同位置關系下地表最大沉降曲線。從圖可以看出,隨著樁與隧道最近水平與垂直距離增大,地表沉降逐漸減小,這是因為開挖面距離房屋越遠,對房屋的影響性就越小。當左側隧道頂與1#樁端垂直距離超過7 m,隧道與1#樁之間水平距離的大小對1#樁沉降影響較小。

圖16 開挖面位置對建筑物的影響Fig.16 Influence of excavation face position on buildings

3 結論

1)通過對雙線盾構隧道不同施工順序模擬得出先進行左線盾構施工,再進行右線施工對地表沉降、建筑物樁基沉降影響最小。模擬結果與實測結果較吻合,盾構施工對建筑物影響很小,施工順序合理。

2)盾構施工時,當盾構開挖面距離樁5 m時,盾構對樁沉降影響較大;開挖面出樁5m后,樁沉降速率減小,沉降逐漸趨于穩定。

3)盾構開挖施工速度越快,土體的固結時間越少,開挖速度增至4環/d后,開挖速度對樁端沉降的影響逐漸減小;掌子面壓力越大,對土體的擾動越大,建筑物樁基沉降越大,采用側向靜止土壓力系數計算掌子面壓力合理可行;盾構開挖面與建筑物水平及垂直距離越大,地表最終沉降越小,當開挖面與建筑物樁基最近垂直距離超過7 m時,開挖面與建筑物的水平距離大小對樁沉降影響較小。