盾構擴挖地鐵車站對鄰近建筑物影響分析

2012-02-02 06:55:24吳占瑞漆泰岳

鐵道建筑 2012年6期

吳占瑞，漆泰岳，李斌

(西南交通大學土木工程學院，四川成都 610031)

盾構擴挖地鐵車站對鄰近建筑物影響分析

吳占瑞，漆泰岳，李斌

(西南交通大學土木工程學院，四川成都 610031)

廣州地鐵六號線東山口站采用盾構擴挖解決了城市地鐵盾構在不具備設置接收井的條件下進行施工的難題。結合盾構擴挖法施工，研究了施工中對周圍鄰近建筑物的影響，采用有限差分軟件FLAC3D對地層與建筑物的相互作用進行三維數值模擬分析。分析結果表明，在擴挖階段，無論從建筑物的內力變化量上，還是建筑物基礎沉降值或沉降差值上都要明顯大于盾構階段，并且建筑物底部結構的變形量大于頂部框架結構，結構底層柱和梁的內力變化趨勢不同，應加強重點構筑物的監測，以防基礎沉降差過大造成框架結構的破壞。

盾構擴挖鄰近建筑物地鐵車站沉降監測

城市地鐵通常要在復雜條件下修建，隨著城市地鐵線網增加，城市地鐵的修建條件將會越來越復雜，有些地段不具備設置地鐵盾構的接收井的條件，采用傳統盾構擴挖工法可以解決上述難題。

目前國際上盾構擴挖施工常用的擴挖工法有兩種：擴徑盾構法和在盾構隧道基礎上采用傳統方法擴挖。擴徑盾構施工法是在原有盾構隧道上的部分區間進行直徑擴展，以滿足修建地鐵車站和安裝其他設備之需要，我國目前應用此種工法的條件還不成熟。我國現階段采用盾構擴挖法修建地鐵車站宜在盾構施工完成后采用傳統方法進行擴挖，也就是以盾構法施工先行通過，在已經形成的盾構隧道基礎上再采用傳統方式即礦山法進行擴挖，這樣不僅可大幅縮短盾構的停機等待時間，確保施工期間的安全，也很好地解決了多年來城市地鐵盾構在不具備設置接收井的條件下修建地鐵車站的難題，又能提高地鐵盾構一次掘進效率。

1 盾構擴挖施工法對建筑物的影響分析

以廣州市地鐵六號線東山口車站為例，主要采用數值模擬計算的研究方法，對盾構擴挖法修建地鐵車站對周圍鄰近建筑物的影響進行分析。在盾構擴挖左線隧道時，對隧道上方省二輕工業集團綜合樓的基礎沉降進行監測。

本模型旨在分析地鐵盾構擴挖施工對二輕工業集團綜合樓的影響，從而找出對建筑物的影響規律，對樓體安全性進行可靠預測。

二輕綜合樓采用的是灌注樁基礎形式，根據資料樁基礎平面如圖1所示。

圖1 樁基礎平面示意

模型尺寸98 m×50 m×35 m，單元網格數為89 000個。在模擬計算中，初期支護采用Shell單元模擬，錨桿單元采用FLAC中Cable單元，樁基采用Pile單元模擬，樁荷載根據地質勘察資料確定。建筑物為六層框架結構，樓板梁與柱均采用Beam單元模擬。土體采用實體單元模擬，土體的本構模型采用摩爾—庫倫模型;襯砌采用實體彈性殼體單元，模擬材料性質為鋼筋混凝土。

根據工程實際要求只對左線隧道進行模擬分析。研究斷面在計算時，約束左右邊界的水平位移，約束下邊界的豎向位移，上邊界為自由邊界。隧道土體的開挖分為盾構推進部分和擴挖部分，擴挖部分采用臺階法開挖，上下臺階長度7 m。隧道拱部土方采用人工開挖上半斷面，每0.7 m一循環。隧道模型及鄰近建筑物立面圖如圖2所示，盾構推進及上下臺階開挖輪廓圖如圖3所示。圖3中，P1為上臺階開挖輪廓;P2為下臺階開挖輪廓;P3為盾構推進區域;P4為大管棚影響區域;P5為小導管注漿影響區域。

圖2 隧道模型及鄰近建筑物立面

圖3 盾構推進及上下臺階開挖輪廓

2 地面建筑物受力和移動特征

2.1 結構內力分析

框架結構建筑物的主要受力部分為梁和柱，由于該框架結構的柱和樓板梁的數目較多，內力分析的主要監測部位取處于隧道開挖上部的中間排(B排)的頂層與底層(也即第一層)柱和樓板梁，根據隧道上方地表框架建筑結構的實際概況，利用FLAC3D對其內力進行模擬計算，分析在隧道盾構推進和擴挖兩個不同階段在不同開挖距離的變化趨勢，模擬計算出來的軸力數據變化曲線如圖4～圖7所示。

由圖4～圖7所示柱內力變化得出以下結論：

1)在自重作用下，框架柱受壓力。B側底層邊柱在盾構推進和擴挖兩個初始階段軸力變化為正方向，表現為受拉力作用;B側頂層邊柱在盾構過站初始階段表現為少許的正方向受拉作用，之后趨勢線趨于平緩。在擴挖初始階段軸力線向上稍微凸起表現為受拉作用，隨著開挖距離的加大，軸力線向下有相對較陡的發展，表現為受壓作用，之后隨著擴挖距離的進一步加大，軸力線稍有回彈并趨于穩定的平緩狀態，說明隨著B側邊柱擴挖距離加大，對該柱的影響也在減小;B側底層和頂層的中柱軸力變化趨勢分別和邊柱的底層和頂層的變化趨勢近于相反狀態，從而也說明了柱之間軸力的相互分配原則。

通過整個階段的軸力變化趨勢線可以看出，盾構過站階段軸力變化比較平緩，而擴挖階段在距離柱較近處柱軸力變化要相對陡一些，說明盾構階段對建筑物軸力影響要比擴挖階段小得多。

圖4 底層邊柱軸力變化曲線

圖5 頂層邊柱軸力變化曲線

圖6 底層中柱軸力變化曲線

圖7 頂層中柱軸力變化曲線

2)在隧道開挖過程中，結構頂層的柱由于基礎沉降所產生的附加內力并不大，說明隧道的開挖對結構底層柱產生附加內力影響，頂層柱較不容易受開挖影響。

由圖8可以看出：B側底層和頂層樓板梁在盾構過站初始階段其剪力變化呈上凸狀態，剪力表現為隨開挖的推進減小，表現為卸載，之后在推進到該樓板梁所在柱下方附近時，該樓板梁的剪力有增大趨勢，隨著盾構推進逐漸遠去，該樓板梁所受剪力稍有回彈呈減小趨勢;在擴挖階段開始之后底層和頂層的樓板梁的剪力變化曲線下降比較明顯，表現為加載，之后隨著擴挖逐漸遠離該樓板梁所在柱子位置，樓板梁所受剪力變化趨于近似穩定的水平狀態。

由圖9可以看出，B側底層和頂層樓板梁在盾構過站初始階段其彎矩變化略呈上升趨勢，表現為隨開挖的推進彎矩增大，呈加載狀態;隨著盾構逐漸推進，該樓板梁所受彎矩變化比較穩定，曲線呈近乎水平狀態;從擴挖階段開始之后到擴挖至該樓板梁所在B側柱子下方周圍為止，底層和頂層的樓板梁的彎矩變化較為明顯，曲線呈上升趨勢，表現為加載狀態，之后隨著擴挖逐漸遠離該樓板梁所在柱子位置，樓板梁所受彎矩變化趨于近似穩定的水平狀態。

圖8 梁剪力變化曲線

圖9 梁彎矩變化曲線

從剪力和彎矩曲線圖可以看出，盾構階段樓板梁承受的剪力和彎矩要小于之后的擴挖階段，底層樓板梁所受剪力和彎矩要遠大于頂層樓板梁所受的力。說明擴挖階段樓板梁所受剪力和彎矩影響要大于盾構階段，底層樓板梁所受剪力和彎矩影響要大于頂層。

2.2 基礎沉降分析

隧道開挖必然引起周圍地層的移動，一般來說，地表一定量的均勻下沉對建筑物的穩定性和使用條件并不會產生太大的危害，而地層的不均勻沉降可能對建筑物產生較大危害。基礎是埋于地層中的結構，因此應首先考慮基礎的沉降情況，圖10～圖12是框架結構底部每排第一根樁基礎隨隧道開挖距離的推進，而產生的沉降變化曲線。由圖1樁基礎平面示意圖可知，所選的3根樁基礎分別位于初始開挖側框架結構底部兩端和中部的位置。所選取的這三根樁基礎作為典型可以很好地反應框架結構的基礎沉降情況。

圖10 A 排21號樁沉降曲線

圖11 B 排11號樁沉降曲線

圖12 C 排1號樁沉降曲線

由圖10～圖12可知，在隧道盾構開挖起始階段，各基礎部分有微量的隆起，在隧道開挖到1 m處時，A排21號樁基礎的隆起值為正方向0.025 mm，此后該基礎開始向下沉降，其沉降值以等速率稍有增大，當開挖達到15 m時，21號樁的沉降放緩，說明此后開挖對21號樁基礎的沉降影響將變得越來越小。待到盾構過站施作完畢之后，開始對該段區間隧道進行上下臺階法擴挖。由擴挖段的樁基礎沉降曲線可知，在盾構基礎上對隧道區間進行擴挖，對樁基礎的影響速率顯然比盾構階段要大，在擴挖到20 m之后，擴挖沉降曲線開始放緩，說明隨著開挖逐漸遠離該21號樁基礎，隧道開挖對該基礎影響減小。A排21號樁基礎盾構階段沉降值為－2.42 mm，擴挖階段也即最終沉降值為－7.38 mm。

B排11號樁位于開挖正上方，受其位置影響，隧道開挖對其作用要比左側21號樁要大，在盾構階段的曲線圖差別不大，主要反映在擴挖階段，可以看出，在擴挖階段11號樁的沉降速率及沉降值都要大于相同開挖距離時的21號樁基礎，同樣，當擴挖至20 m之后，11號樁的沉降曲線開始放緩，說明隨著隧道開挖逐漸遠離該樁，開挖對其影響減小。B排11號樁基礎盾構階段沉降值為－3.89 mm，擴挖階段也即最終沉降值為－11.94 mm。

C排1號樁位于開挖初始位置右上方，其沉降變化曲線和11號樁基礎相似，由于受右隧道施工情況影響，其沉降值比中間排(B排)11號樁要稍有增大。C排1號樁基礎盾構階段沉降值為－4.08 mm，擴挖階段也即最終沉降值為－12.22 mm。

由于各基礎抵抗沉降的能力大小不一、沉降的時間不一，因此伴隨著隧道開挖的推進，相鄰基礎間必然會出現沉降差，為了進一步分析基礎間的沉降差隨隧道開挖的動態變化情況，將差值變化作于圖13中，由圖13可知，各相鄰基礎間的沉降差是動態變化的。在隧道盾構推進和之后的擴挖兩個階段過程中，基礎間的沉降差主要體現在樁基礎A21與基礎B11之間，其沉降差值趨勢線速率為先增大而后減小最后呈平緩狀態發展，經過擴挖階段之后即左隧道擴挖完畢之后樁基礎A21與B11最終沉降差為4.6 mm。樁基礎B11與C1之間的沉降差值相對較小，經歷了先減小后增大最后呈平緩狀態發展的過程。因此在隧道穿越建筑物過程中，應加強對A排樁基礎與B排樁基礎之間結構的監測，以防沉降差而產生破壞。

圖13 相鄰基礎間的沉降差曲線

3 結論

本文對廣州地鐵六號線東山口車站鄰近建筑物省二輕工業集團六層綜合樓進行綜合研究分析，分析表明：

1)盾構擴挖法修建地鐵車站的施工過程中，不論是對于地表建筑物內力的影響，還是樁基礎沉降和差異沉降，擴挖階段對它們的影響速率都要大于盾構階段，因此要做好擴挖階段的監控量測工作。

2)隧道鄰近地面建筑物施工時，改變了建筑結構各單元的內力，在盾構擴挖過程中，框架結構頂層的柱和梁由于基礎沉降所產生的內力變化都要小于結構底層，說明隧道的開挖對結構底層柱產生內力影響，應重點監測，并且框架結構各個部分的柱和梁的內力變化趨勢是不一樣的，要對變化較大的部位根據其變化趨勢制定相應的保護措施，保證隧道上方樓房的安全。

3)盾構擴挖隧道完畢之后樁基礎A21與B11最終沉降差為4.6 mm，是相對于其他相鄰樁基差異沉降最大的，應加強對A排樁基礎與B排樁基礎之間結構的重點監測，以防基礎沉降差過大造成框架結構的破壞。

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