西安地鐵盾構隧道施工對鄰近建筑物的影響及控制技術

任建喜 楊 鋒 朱元偉

(1.西安科技大學建筑與土木工程學院,710054,西安; 2.中鐵十五局集團有限公司,710018,西安∥第一作者,教授)

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西安地鐵盾構隧道施工對鄰近建筑物的影響及控制技術

任建喜1楊 鋒2朱元偉2

(1.西安科技大學建筑與土木工程學院,710054,西安; 2.中鐵十五局集團有限公司,710018,西安∥第一作者,教授)

以西安地鐵3號線某區間盾構隧道下穿既有建筑物工程為背景,采用FLAC數值模擬軟件對盾構施工引起建筑物變形規律進行預測,計算結果表明盾構施工影響建筑物安全使用。在采取相關減災技術措施后,保證了盾構施工過程中建工金華酒店的安全穩定,表明盾構下穿建工金華酒店時的減災技術是合理有效的。

地鐵; 盾構隧道; 施工模擬; 基礎沉降; 減災技術

First-author′s address Department of Architecture and Civil Engineering,Xi′an University of Science and Technology,710054,Xi′an,China

盾構法施工[1-2]以其高效、安全、環保等優點已被廣泛應用于城市軌道交通修建。隨著城市地鐵建設的不斷發展,地鐵盾構施工對地面既有建筑物的影響[3-4]引起了社會各界的高度關注。FLAC(有限差分法)主要適用于模擬計算地質材料和巖土工程的力學行為,能夠很好地反映巖土力學效應和解算巖土類材料的非線性、不可逆剪切破壞和蠕變等,可以科學地分析巖土破壞原理[5]。本文依托西安地鐵3號線某區間盾構隧道工程,采用FLAC三維數值模擬軟件對該區間盾構施工過程中既有建筑物的變形進行預測[6-7]研究,預測結果可為鄰近建筑物條件下的西安地鐵盾構隧道安全施工提供理論支撐。

1 工程概況

西安市地鐵3號線某區間盾構隧道工程起迄里程為YDK31+365.965～YDK30+926.761和ZDK31+381.182～ZDK30+926.761,右線全長428.114 m,左線全長452.399 m。該區間左線隧道在里程ZDK31+011～ZDK31+045處下穿建工金華酒店樓房基礎,隧道外邊線最大侵入距離為4.8 m,隧道拱頂埋深9.2～9.4 m。建工金華酒店樓房為9層鋼筋混凝土框架結構,基礎是條形基礎。盾構隧道與建工金華酒店樓房平面關系見圖1。

圖1 區間隧道與建工金華酒店樓房平面關系圖

1.1 工程地質條件

該區間的地勢南邊比北邊高,地面高程在406.18～413.32 m之間。該區間從上至下地層結構是:地表的人工雜填土(Q4ml)，結構疏松的新黃土(Q3eol),第四紀古土壤(Q3el),古早更新統老黃土(Q2eol),沖積粉質黏土(Q2al)。

1.2 水文地質條件

經過詳勘得出，該區間地下水位埋深在11.23～16.08 m之間,與之相對應的標高在396.64～398.95 m之間。主要含水層是中砂,揭露的最大厚度高達5.44 m,最淺埋深34.23 m。

2 盾構隧道引起建筑物變形規律預測

2.1 建立FLAC模型

2.1.1 模型建立與單元劃分

采用FLAC軟件對該段區域進行數值模擬,模擬區域沿隧道橫向取70.9 m,沿隧道縱向取50 m,深度取32.87 m,建工金華酒店樓房高27 m,故模型尺寸是70.90 m×50.00 m×59.87 m。因為建工金華酒店基礎是鋼筋混凝土條形基礎,在建模過程中對該基礎賦予鋼筋混凝土結構的物理力學參數。根據盾構施工對隧道周圍土層影響大小的不同,對模型中不同位置地層的網格劃分疏密程度不同劃分單元。三維計算模型見圖2。

圖2 FLAC三維模型

2.1.2 本構模型的選取

選擇摩爾-庫倫模型作為土體本構模型。因為土體破壞大多以剪切破壞為主,摩爾-庫倫屈服準則模型能夠準確反映土體的破壞形式,而且簡單實用,在工程實踐中已得到廣泛應用。

2.1.3 盾構施工的模擬方法

第一步:殺死開挖的單元格,進行應力釋放,同時在掘削面施加頂進壓力,根據現場情況，計算中采取盾構機推力為地層側壓力,取0.28 MPa。

第二步:在恒定盾構推力狀況下,完成地鐵盾構開挖,在開挖的同時完成應力釋放。

盾構掘進方向隧道長度為50 m,分十步開挖,每步開挖5 m。

2.2 建筑物變形規律模擬分析

2.2.1 土層參數

根據研究該區間的地質勘察報告,得到FLAC需要的計算參數見表1。

表1 土層力學指標

2.2.2 FLAC計算結果分析

為了預測盾構隧道開挖過程中建工金華酒店樓房的變形規律,包括樓房地面沉降和基礎沉降，在建工金華酒店布置變形監測點見圖3。

圖3 建工金華酒店樓房監測點布置圖

2.2.2.1 盾構施工引起樓房地面沉降預測

在建工金華酒店樓房底層地面處埋設3個監測點JG1、JG2、JG3,監測點分布見圖3。該區間先對隧道左線進行盾構開挖,然后對右線進行盾構開挖。左右線盾構開挖樓房地面沉降位移云圖及位移曲線見圖4～圖7。

圖4 左線開挖結束后隧道豎向位移云圖

圖5 右線開挖結束后隧道豎向位移云圖

圖6 左隧道盾構開挖過程中FLAC預測樓房地面沉降曲線

圖7 右隧道盾構過程中FLAC預測樓房地面沉降曲線

對圖4分析可知,左隧道盾構開挖過程中隧道拱頂變形最大,且拱頂變形呈沉降趨勢,最大沉降值是26.84 mm。對圖5分析可知,右隧道盾構開挖過程中,左右隧道拱頂變形最大,且都是沉降,左線拱頂最大沉降值是37.17 mm,右線拱頂最大沉降值在20 mm范圍內。

對圖6、圖7分析可知,在左右隧道盾構開挖過程中,監測點JG1、JG2、JG3的變化趨勢基本一致,但是沉降值SJG1>SJG2>SJG3。這是因為監測點JG1距盾構工作面最近,所受擾動也最大。左隧道盾構過程中JG1監測點處最大沉降值為24.00 mm;右隧道盾構過程中JG1監測點處最大沉降值為35.90 mm。因為地面沉降的時效性和右隧道盾構施工的影響,右隧道盾構開挖誘發建工金華酒店樓房地面沉降比左隧道盾構開挖大,這與隧道開挖結束后位移云圖的分析結果是一致的。

2.2.2.2 盾構施工引起樓房基礎變形預測

左右隧道盾構開挖過程中樓房基礎沉降位移云圖及位移曲線見圖8～圖11。

圖8 左線開挖結束后樓房基礎沉降位移云圖

圖9 右線開挖結束后樓房基礎沉降位移云圖

圖10 左隧道盾構開挖過程中FLAC預測樓房基礎沉降曲線

圖11 右隧道盾構過程中FLAC預測樓房基礎沉降曲線

對圖8、圖9分析可知,左線隧道盾構施工結束后,建工金華酒店樓房基礎沉降是23.37 mm;右線隧道盾構施工結束后,建工金華酒店樓房基礎沉降是33.67 mm。

對圖10及圖11分析可知,在左右隧道盾構開挖過程中,監測點JC1、JC2、JC3的變化趨勢基本上一致,但JC1和JC2監測點沉降值變化范圍一致,這是因為這兩個監測點距盾構工作面的距離相同,而JC3監測點沉降最小,因為JC3距盾構工作面最遠,所受擾動最小。左隧道盾構施工結束后JC1監測點處最大沉降值為22.58 mm;右隧道盾構施工結束后JC1監測點處最大沉降值為34.00 mm。在盾構開挖過程中,建工金華酒店樓房基礎呈現不均勻沉降,導致樓房出現傾斜,影響建工金華酒店樓房的安全使用。

3 盾構隧道施工過程中建筑物變形控制技術

根據國內盾構施工經驗,盾構施工過程中控制既有建筑物變形的措施主要是通過調控盾構掘進參數及對建筑物基礎進行注漿。

3.1 調控盾構掘進參數

(1) 合理控制土壓力,防止超挖:建工金華酒店樓房處是隧道埋深為8.97 m,綜合考慮地面各種因素,借鑒地鐵施工的成功經驗,確定上土壓大小范圍是0.08～0.09 MPa,下土壓大小范圍是0.14～0.16 MPa,中間土壓大小范圍是0.09～0.10 MPa,盾構推力為1 400～1 600 t,具體大小可根據現場情況隨時確定。

(2) 合理控制盾構掘進速度:在下穿建工金華酒店時,盡可能降低施工速度(通過現場計算確定盾構掘進速度為20～25 mm/min)確保盾構在施工過程中的穩定性,并保證盾構沿著設計路線進行施工,避免出現盾構偏離現象。

(3) 盾構姿態控制:① 盾構千斤頂的行程差控制在50 mm以內,頂力差控制在5 MPa以內。② 盾構機在推進過程中平面糾偏在-30～30 mm范圍內,垂直糾偏在-50～50 mm范圍內。這樣基本認為盾構機在掘進過程中始終處于穩定狀態,對周圍土體的擾動也是最小。

3.2 建筑物基礎注漿加固

對于控制建筑物基礎不均勻沉降的主要是措施通過注漿抬升。這種加固方法主要是通過注漿提高地基土的抗變形強度,增大地基土抵抗盾構施工對周圍土層的擾動能力,進而減小建筑物變形量,確保建筑物結構安全。目前,這種加固方法在盾構隧道穿越建筑物工程中應用十分廣泛。一般情況下對建筑物進行注漿抬升,首先確保建筑物基礎周圍土體填充效果良好,然后形成一圈止漿圍護結構,最后進行注漿抬升。在對建工金華酒店基礎進行注漿過程中需合理控制注漿壓力及注漿方式,根據計算及成功經驗,采用手動注漿方式且注漿壓力為0.10 MPa。

4 現場監測

建工金華酒店樓房變形監測儀器主要有水準儀及配套標尺。用水準儀及配套標尺測量該樓房的地面沉降和基礎沉降。

4.1 地面沉降實測值分析

通過分析建工金華酒店樓房地面沉降實測值,得出盾構施工引起建工金華酒店樓房地面沉降變形規律,分析結果見圖12～圖13。

圖12 左隧道盾構開挖過程中實測樓房地面沉降曲線

圖13 右隧道盾構開挖過程中實測樓房地面沉降曲線

對圖12和圖13分析可知,采取減災措施以后,建工金華酒店樓房地面沉降明顯得到控制,且JG1、JG2和JG3監測點處沉降的變化趨勢基本一致,都是先增大,最后隨著盾構推進而趨于穩定狀態。左隧道盾構開挖結束后地面沉降最大值是11.30 mm，右隧道盾構開挖結束后地面沉降最大值是19.43 mm,均在地面沉降允許值范圍內。

4.2 建筑物基礎沉降實測值分析

建工金華酒店樓房實測基礎沉降分析結果見圖14～圖15。

對圖14和圖15分析可知,采取減災技術措施以后,建工金華酒店樓房基礎沉降得到改善,不均勻沉降現象得到控制。左盾構開挖結束后基礎最大沉降值為9.28 mm,右盾構開挖結束后地面沉降最大值為13.12 mm,均在基礎沉降允許范圍內。

圖14 左隧道盾構開挖過程中實測樓房基礎沉降曲線

圖15 右隧道盾構開挖過程中實測樓房基礎沉降曲線

5 結語

(1) 通過FLAC數值模擬軟件預測盾構施工過程中建工金華酒店的沉降變形規律,由分析計算結果可知,盾構施工過程中該樓房地面沉降最大值為35.90 mm,超過了地面沉降允許值30 mm;樓房基礎最大沉降為34.00 mm,不均勻現象明顯,會嚴重影響建工金華酒店樓房安全使用,為了確保盾構施工過程中樓房的安全穩定,必須采取減災技術措施。

(2) 在盾構下穿建工金華酒店時采取控制盾構掘進參數及對建筑物基礎進行注漿的減災技術措施。采取相應減災技術措施后,建工金華酒店樓房地面最大沉降為19.43 mm，基礎最大沉降為13.12 mm,都在可控范圍內,大大降低了盾構施工的風險,確保施工過程中建工金華酒店樓房的安全。這表明盾構隧道下穿建工金華酒店時的減災技術措施是合理有效的。

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上海軌道交通11號線迪士尼站投入試運營

本刊綜合報道 上海軌道交通11號線迪士尼站已于4月26日上午10時投入載客試運營。迪士尼站的1號出口正對上海迪士尼園區,步行約5 min即可到達正門。乘客出站后,迪士尼的城堡、小鎮等景點可盡收眼底。地鐵車站內部的設計裝飾也兼有迪士尼風格和中國風格：車站扶梯邊的墻上布滿了米奇、米妮、唐老鴨、高飛、布魯托等經典的卡通形象；在車站站廳的中央,則有兩座約3 m高的米奇、米妮雕塑；負責車站設計的馬凌穎表示,該設計靈感來自中國傳統剪紙藝術,主題墻與外立面的祥云和門釘也都突出了中國元素。車站東南西北4個出入口的雨棚和車站的頂棚采用的是與北京“水立方”相類似的“氣膜結構”,在節能的同時,也方便引導乘客進站。迪士尼站還配有上海地鐵第一間母嬰室。據上海地鐵第二運營有限公司總工程師吳強介紹,目前迪士尼站站廳面積是9 800 m2,可站立1.7萬人次/h。吳強說,迪士尼站的安檢較全網其他站點的安檢模式有所不同,4個出入口處實施“進站即檢”的模式,即進入迪士尼站入口的玻璃平衡門后就要接受安檢,嚴禁攜帶易燃易爆物品,如煙花和(氫)氣球等。

Effect of Shield Construction of Xi'an Metro on Adjacent Buildings and the Control TechnologyREN Jianxi, YANG Feng, ZHU Yuanwei

The shield tunneling crosses under adjacent buildings in a section of Xi′an metro is taken as the background,the FLAC software is used to predict the buildings′ deformation law caused by the shield construction.The calculation results show that the shield construction would directly influence the safety of adjacent buildings. After taking relevant technical measures, the security and stability of Jiangong Jinhua Hotel during the shield construction is guaranteed. This case shows that the mitigation measures taken for shield tunneling under the adjacent buildings are reasonable and effective.

metro; shield tunnel; construction simulation; foundation settlement; disaster reduction technology

TU 433

10.16037/j.1007-869x.2016.05.022

2015-11-18)