砂性土中盾構(gòu)隧道施工產(chǎn)生的影響范圍研究

張 煒

(上海市隧道工程軌道交通設(shè)計(jì)研究院，上海 200235)

0 引言

目前我國(guó)待建或在建的軌道交通項(xiàng)目大部分穿越城市中心區(qū)域。而城市中心區(qū)域(由于是老城區(qū))由于發(fā)展時(shí)間久、缺乏統(tǒng)一規(guī)劃致使老城區(qū)道路狹窄并存在大量老舊建(構(gòu))筑物以及密集的管線等對(duì)于地鐵施工及運(yùn)營(yíng)極為敏感的風(fēng)險(xiǎn)源。因而施工前對(duì)盾構(gòu)隧道沿線周邊風(fēng)險(xiǎn)源進(jìn)行辨識(shí)并采取針對(duì)性的保護(hù)措施顯得尤為重要。

1 現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題

軌道交通建設(shè)過(guò)程中，尤其是盾構(gòu)隧道施工時(shí)，會(huì)不斷地對(duì)盾構(gòu)機(jī)前端及周圍土體產(chǎn)生擾動(dòng)。盾構(gòu)機(jī)在向前推進(jìn)時(shí)，前方土體受到擠壓變形，使得盾構(gòu)前方土體產(chǎn)生不同程度隆起。同時(shí)，管片拼裝完成之后，管片與土體之間存在不同程度的空隙，導(dǎo)致地層損失而引起沉陷。這些擾動(dòng)都會(huì)對(duì)周邊建(構(gòu))筑物產(chǎn)生沉降、傾斜、裂縫等等不良事故。

為了避免此類事故的發(fā)生，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究。我國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部及國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局聯(lián)合發(fā)布了GB 50652—2011 城市軌道交通地下工程建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)管理規(guī)范(下文簡(jiǎn)稱《風(fēng)險(xiǎn)規(guī)范》)，并于2012年1月1日起實(shí)施。

《風(fēng)險(xiǎn)規(guī)范》規(guī)定了軌道交通項(xiàng)目在不同實(shí)施階段需要進(jìn)行的風(fēng)險(xiǎn)研究，其中軌道交通地下工程施工環(huán)境影響的分級(jí)首先按照條文說(shuō)明7.3.4 中表6 確定鄰近關(guān)系，再按照條文說(shuō)明7.3.4中表7 進(jìn)行定級(jí)。

為了安全起見(jiàn)，大部分城市在地鐵設(shè)計(jì)時(shí)，會(huì)根據(jù)《風(fēng)險(xiǎn)規(guī)范》均采用投影距離。但同時(shí)，此種判定方法忽略了不同埋深下的盾構(gòu)隧道對(duì)于地表影響的不同，因此會(huì)造成在設(shè)計(jì)和施工上的浪費(fèi)。針對(duì)上述問(wèn)題，筆者結(jié)合實(shí)際工程對(duì)不同埋深的盾構(gòu)隧道對(duì)地表建構(gòu)筑物的影響進(jìn)行了分析。

2 工程概況

本文選取哈爾濱軌道交通3 號(hào)線二期工程某段盾構(gòu)進(jìn)行研究，隧道全長(zhǎng)約596 m，沿線為哈爾濱市核心區(qū)域，線路兩側(cè)均為密集的居住及商業(yè)建筑，同時(shí)存在大量的歷史保護(hù)建筑。隧道線路縱斷面采用2‰，14.23‰，2‰的單向坡，隧道中心線最淺埋深為8.65 m，最深處為21.60 m。根據(jù)勘察報(bào)告，該場(chǎng)地地層結(jié)構(gòu)從上到下依次為:表層由①雜填土組成;上部地基土主要由粉細(xì)砂組成，分別為②1粉質(zhì)粘土、②2粉砂、②3細(xì)砂、②4中砂;中間主要由中粗砂夾厚薄不均的粘性土組成，分別為⑦1粘土、⑦2中砂;下部基巖為⑧1全風(fēng)化白堊紀(jì)泥巖。

3 計(jì)算模型

本文采用plaxis 有限元軟件，建立二維平面應(yīng)變模型，對(duì)盾構(gòu)穿越兩層歷史保護(hù)建筑進(jìn)行模擬，選取同一斷面不同深度進(jìn)行對(duì)比。隧道襯砌及地面建筑用板單元模擬，土體采用H-S 模型，用15 節(jié)點(diǎn)的三角形單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格。為了進(jìn)行對(duì)比，分別選取了盾構(gòu)中心線埋深12.5 m 及22 m 兩種深度進(jìn)行計(jì)算分析。

在模擬隧道開(kāi)挖時(shí)，有徑向收縮法、應(yīng)力釋放法、等代層法及注漿壓力法等一系列方法。在本次plaxis 模擬計(jì)算中，采用徑向收縮法來(lái)模擬地層損失，取收縮率為0.5%。

4 計(jì)算結(jié)果及分析

經(jīng)計(jì)算，可以得出如圖1～圖4 及表1 所示結(jié)果。

圖1 淺埋工況土體豎向變形云圖

圖2 深埋工況土體豎向變形云圖

表1 計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

由計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)隧道中心處于12.5 m 埋深處時(shí)，應(yīng)屬于淺埋隧道，其上覆土應(yīng)按全土柱模式計(jì)算。圖1 顯示了此埋深下土體豎向位移變化，由于隧道開(kāi)挖引起的上方土變形近似為隧道上方豎向區(qū)域內(nèi)，地表影響范圍較小，但豎向沉降值較大。且由于影響范圍較小，使得建筑物接近于隧道處的沉降大于遠(yuǎn)離處的沉降，造成不小的差異沉降，如圖3 所示。而當(dāng)隧道中心處于22 m 埋深時(shí)，由圖2 可看出隧道上方土體變形已不止是隧道正上方，而是沿著隧道底部形成一漏斗形區(qū)域。土體由于擾動(dòng)形成了明顯的拱效應(yīng)。變形最大土體在隧道正上方形成了高約10 m 的拱。由此可以看出，此時(shí)已符合深埋隧道的特點(diǎn)。而隧道上方形成的塌落拱可按太沙基公式近似計(jì)算，計(jì)算模型如圖5 所示。

圖3 淺埋工況隧道兩側(cè)建筑物底板豎向沉降

圖4 深埋工況隧道兩側(cè)建筑物底板豎向沉降

圖5 壓力拱模型簡(jiǎn)圖

覆土厚度H=19 m，計(jì)算半徑R0約為3 m。根據(jù)太沙基理論公式可得出:

由上式可知，根據(jù)太沙基理論公式所求得的塌落拱土體高度h0與plaxis 計(jì)算出的變形拱的高度吻合，故根據(jù)計(jì)算可知，雖然隨著隧道埋深的增加，盾構(gòu)施工對(duì)地表的變形影響區(qū)域會(huì)增大，但由于土體塌落拱的形成，使得地表的變形量反而減小，并且由于范圍的加大，引起建筑物豎向沉降的范圍也相應(yīng)加大，從而使得建筑物自身的差異沉降相對(duì)減小。由此可見(jiàn)，同一土層中，隧道埋深越深，反而對(duì)地面建筑影響越小并趨于有利。

5 結(jié)論與建議

1)根據(jù)本次模擬計(jì)算可知，盾構(gòu)隧道施工對(duì)于地面建筑，尤其是淺基礎(chǔ)的磚木結(jié)構(gòu)建筑，影響很大。如果不做好保護(hù)措施，會(huì)導(dǎo)致不良后果;隧道施工會(huì)使已有建筑物產(chǎn)生差異沉降，對(duì)于年代久遠(yuǎn)的歷史建筑，差異沉降將嚴(yán)重威脅建筑安全。

2)計(jì)算結(jié)果顯示，不同埋深的盾構(gòu)隧道，對(duì)地表淺基礎(chǔ)建筑影響不同。隨著埋深的增加，地表受影響區(qū)域不斷加大。

3)雖然隧道施工在地表引起的范圍隨深度不斷增加，但其對(duì)于地表的影響程度卻隨著盾構(gòu)隧道埋深的增加而降低，因此當(dāng)遇到地面風(fēng)險(xiǎn)源時(shí)，可適當(dāng)增加隧道埋深來(lái)降低風(fēng)險(xiǎn)。

4)隨著盾構(gòu)隧道埋深的增加，砂性土中會(huì)逐漸形成拱效應(yīng)，而土拱之外的土層所受到的影響會(huì)相應(yīng)減小。因此設(shè)計(jì)和施工時(shí)，如果可以充分利用此效應(yīng)，使周邊建(構(gòu))筑物處于此范圍之外，可在一定程度上降低風(fēng)險(xiǎn)，降低相應(yīng)加固量，從而起到控制施工質(zhì)量和成本的作用。

［1］GB 50652—2011，城市軌道交通地下工程建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)管理規(guī)范［S］.

［2］中國(guó)土木工程學(xué)會(huì)，同濟(jì)大學(xué).地鐵及地下工程建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)管理指南［Z］.2007.

［3］The International Association of Engineering Insurers (IMIA).Human factors in engineering risk［Z］.The International Association of Engineering Insurers Working Group No.8，2000.

［4］GB 50157—2013，地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［5］劉建行，侯學(xué)淵.盾構(gòu)法隧道［M］.北京:中國(guó)鐵道出版社，1991.