雙線盾構施工引起地表及建筑物沉降規律研究

李超人 周傳波 陳 東 蔡佳愿 蔣 楠

(1.武漢地鐵集團有限公司,430063,武漢; 2.中國地質大學(武漢)工程學院,430074,武漢; 3.廣州華路交通科技有限公司,510420,廣州∥第一作者,助理工程師)

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雙線盾構施工引起地表及建筑物沉降規律研究

李超人1周傳波2陳 東1蔡佳愿3蔣 楠2

(1.武漢地鐵集團有限公司,430063,武漢; 2.中國地質大學(武漢)工程學院,430074,武漢; 3.廣州華路交通科技有限公司,510420,廣州∥第一作者,助理工程師)

結合武漢地鐵3號線19標段雙線隧道施工,利用數值模擬和現場測試的方法,研究盾構施工過程中建筑物及地表沉降變形特征,并根據同一建筑物不同部位的沉降差判定施工過程中建筑物的安全性。研究結果表明:地表沉降在建筑物處明顯增大,建筑物所在位置及其周圍土體呈現整體傾斜變形; 隧道橫向上建筑物長寬比越大,地層滑移角及沉降槽寬度越大; 建筑物和基礎的沉降變形與隧道施工動態相關,基礎的不均勻沉降導致建筑物安全性降低。由此可知,盾構施工對上部建筑物的影響非常顯著,研究成果可為今后類似工程設計施工提供參考。

地鐵隧道; 雙線盾構; 建筑物沉降; 數值模擬

First-author′s address Wuhan Metro Group Co.,Ltd.,430063,Wuhan,China

城市軌道交通隧道施工不僅會造成周圍地層的擾動并產生沉降變形,還會使其上部建筑產生整體沉降及不均勻沉降,進而造成建筑物內部結構錯動,產生不利影響。為保證盾構下穿城鎮多層居民區施工過程中地面建筑物的安全穩定,開展城市復雜施工環境下盾構隧道下穿民房造成的沉降影響以及房屋安全性評價研究具有重要的工程指導意義及應用價值。

近年來,針對雙線隧道施工引起的地表沉降問題開展了大量研究,但是對施工給建筑物所造成的影響及基礎周圍地層沉降變化特征的研究相對較少。地表無建筑物時的地表沉降特征已有許多研究先例,其中最具代表性的是文獻[1]提出的橫向沉降槽經驗公式。文獻[2-3]研究了單線隧道穿越建筑物時對建筑物自身沉降和內力的影響;文獻[4]采用兩階段分析方法就盾構隧道穿越對建筑物PHC (預應力高強度混凝土)管樁基礎影響進行了分析;文獻[5]針對新奧法隧道施工下建筑物結構的扭曲變形進行了研究,并得出了平面變形扭曲的量化表征和計算方法。但上述相關研究均未涉及到雙線隧道施工引起的地面淺基礎建筑物沉降影響。

基于此,本研究以武漢地鐵3號線后湖大道站—市民之家站區間(以下簡為“后—市區間”)工程為例,建立雙線近距平行隧道盾構法施工下穿建筑物數值模型,并利用數值分析與現場監測數據相結合的方式進行研究。研究內容包括：無建筑物時,橫向地表沉降變化規律; 有建筑物時橫向地標沉降變化規律; 地鐵隧道施工時地表建筑物不均勻沉降規律; 隧道施過程中建筑物安全評價。

后—市區間跨長江左岸Ⅰ級階地與Ⅱ級階地,都屬埋藏型階地。場地內第四系地層廣泛分布,厚達42～63 m。區間隧道主要穿越土層從上至下依次為雜填土、素填土、黏土、粉質黏土。地面建筑多為待拆遷低矮房屋。區間隧道直接下穿1棟5層民房,側穿32棟民房。隧道采用土壓平衡盾構法施工。隧道開挖采用單線開挖,先開挖完成左線隧道,然后開挖完成右線隧道。

1 建立模型

1.1 地層和隧道條件

隧道埋深為20 m,兩隧道軸線間距為15 m,洞徑為6 m,管片厚度為0.3 m、寬度為1.5 m。數值計算的邊界條件為底部全約束、左右兩側約束x方向位移。材料本構關系采用彈塑性摩爾-庫倫模型,利用有限差分軟件FLAC3D進行數值計算。以下穿的某5層民房為例，樓房、隧道及地層位置關系如圖1所示。

圖1 樓房、隧道及地層位置圖

1.2 樓房結構及與隧道的相對位置

樓房尺寸為25 m×12 m×22 m(長×寬×高)。該樓為5層磚混結構,采用2 m埋深的筏板基礎。

結合現場情況,分別選取樓房長度方向與隧道走向垂直、平行和45°斜交3種情況進行分析(見圖2)，且樓房中心點A置于右線隧道正上方。

1.3 模型參數

模型尺寸為100 m×90 m×50 m(長×寬×厚)。地層和樓房使用Mohr-Coulomb屈服準則建立實體單元。模型中，樓房的墻體、樓板、樓頂及基礎均按照實際尺寸建模；管片襯砌在隧道開挖后施加,選用殼體單元。圍巖及建筑物的模型參數分別如表1～表2所示。

表1 圍巖物理力學參數

表2 建筑物物理力學參數

2 地表變形特征分析

為分析建筑物對地表橫向沉降的影響,按照存在建筑物和無建筑物情況進行模擬。模擬過程與地鐵施工工序相同：首先開挖完成左線隧道,然后再開挖右線隧道。

2.1 地表無建筑物時

沿隧道掘進方向取A點前20 m、30 m及40 m處作為分析測點，進行數值模擬試驗與實測試驗。則右線隧道開挖且沉降穩定后的地表橫向測點沉降模擬值與實測值如圖3、圖4所示。

圖3 無建筑物時地表測點的沉降量模擬值

圖4 無建筑物時地表測點的沉降量實測值

對比圖3、圖4可知，無建筑物影響時地面橫向沉降模擬結果和實測值較為吻合。這表明數值模擬運用于分析和預測盾構施工引起的地表沉降問題是可行的。由圖3可知,右線隧道開挖完成后,地表沉降曲線變化很大,沉降槽寬度增加,沉降量增大,沉降曲線對稱軸偏向隧道右線一側,最大沉降發生在兩隧道中心線靠近右線隧道一側。這是由于右線隧道晚于左線施工,使左線隧道施工擾動過的土體再次受到擾動,故土體變形量增大,從而導致右線隧道地面沉降變形量增加。在實測試驗中,右線隧道中心線上方地表沉降比左線隧道中心線上方地表沉降大2.84 mm。在模擬試驗中,右線隧道中心線上方地表沉降比左線隧道中心線上方地表沉降大2.50 mm。無建筑物時A點截面位移云圖見圖5。

2.2 地表有建筑物時

當地表存在建筑物時,地層會受到地基的約束作用,從而使得地表沉降槽發生明顯變化。圖6～圖8是隧道與建筑物以不同的方式布置時距A點處的截面位移云圖。由圖6～圖8可知，由于建筑物的質量對周圍土體產生了作用,故建筑物周圍地表沉降量增大,沉降槽寬度增加。對比圖5及圖8可知,地表有建筑物時與無建筑物時的地層滑移線和沉降槽有較大區別。

(1) 雙線隧道開挖完成后,在地表建筑物的作用下,房屋基礎周圍及下部的地層沉降量明顯增大。

(2) 通過將圖6、圖7、圖8與圖5對比可以看出,房屋基礎外側的地層滑移角(地層滑移線與水平方向的夾角)出現明顯加大。

(3) 當存在建筑物時,在房屋基礎的約束及均布荷載的作用下,其周圍土體地表沉降范圍發生擴散,地表沉降槽明顯增大。

圖5 無建筑物時A點處截面位移云圖

圖6 樓房長軸線與隧道軸線平行時A點處截面位移云圖

圖7 樓房長軸線與隧道軸線45°斜交時A點處截面位移云圖

圖8 樓房長軸線與隧道軸線垂直時A點處截面位移云圖

(4) 由圖6～圖8可知,當建筑物與隧道位置關系由平行、45°斜交向垂直變化時,其沉降影響范圍隨之擴大,且雙線隧道中軸線上方的地表沉降量也隨之增大。

綜上所述,地層滑移角因受建筑物影響而改變。總體來說,地層滑移角在房屋基礎局部地區會出現明顯的增大。此外,建筑物的存在會使地表沉降量及沉降槽寬度均增大。

3 建筑物沉降及變形特征分析

3.1 樓房的不均勻沉降

在地鐵隧道下穿樓房的施工過程中,為保證隧道施工以及上部建筑物安全,有必要對沉降影響范圍內建筑物進行沉降監測。以長軸平行于隧道的樓房為例(如圖9所示),其樓房周圍共布置了8個測點。各測點沉降時序曲線如圖10所示。

圖9 房屋測點布置示意圖

圖10 樓房基礎沉降實測時序曲線

由數值模擬結果和實測結果可知,當左線盾構掘進至距離樓房2倍隧道洞徑(6 m)時,隧道施工開始對樓房周圍地層沉降產生影響。

(1) 當盾構掘進至房屋前端時,樓房整體出現不均勻沉降。最大不均勻沉降模擬值為3.7 mm,實測值為3.2 mm。與此同時,由于剛性基礎作用,樓房另一端開始隆起,隆起變形模擬值為1.9 mm,實測值為1.6 mm。這時,實測的樓房中心沉降量為2.8 mm。

(2) 當左線盾構機掘進穿越樓房中心后,樓房出現最大不均勻沉降。最大不均勻沉降模擬值為7.3 mm,實測值為6.0 mm。這時,實測的樓房中心沉降量為11.2 mm。當左線盾構開挖至距樓房2倍隧道洞徑外時,樓房的沉降變形趨于穩定。

(3) 在右線隧道掘進穿越樓房中心位置后,樓房的不均勻沉降再次出現最大值。最大不均勻沉降模擬值為7.0 mm,實測值為5.1 mm。這時,實測的樓房中心沉降量為15.7 mm。在右線隧道施工完成后,樓房的沉降量達到最大。建筑物中心最大沉降量的模擬值為26.0 mm,實測值為20.4 mm。

通過數值模擬數據及實測數據可知,隧道開挖后,且樓房沉降穩定時,房屋基礎四周最終沉降較為平均。此時,模擬和實測的最大不均勻沉降量均小于1.0 mm。這是由于筏板基礎的剛度大,不僅限制了樓房基礎周圍土體的位移,而且還將樓房荷載平均分布至下層土體,從而使得樓房不均勻的沉降量大幅減小。

3.2 建筑物變形特征

地鐵隧道的施工對地層會造成不可避免的擾動,從而引起地表沉降；地層的變化也通過基礎傳遞給上部建筑物。可見,基礎將建筑物和地層聯系起來。故研究隧道施工對建筑物的影響，其本質在于研究地層變形與基礎的相互作用。

建筑物與隧道位置關系分別為垂直、平行及45°斜交時,均存在建筑物在隧道施工的某時刻出現最大不均勻沉降量現象。但該時刻建筑物中心的沉降量發展并不大,建筑物中心的最大沉降發生在右線隧道穿越施工結束之后。

由于建筑物基礎對地層有約束作用,故在盾構隧道施工過程中,建筑物所在位置的地表沉降會發現明顯變化。同時，由于基礎剛度較大,故基礎呈現出整體平面傾斜變形和沉降。

4 建筑物安全評價

在隧道施工過程中,建筑物和隧道結構安全與否,最重要的判定準則就是其結構的變形是否滿足控制標準[6-7]。根據GB 50007—2011《建筑地基基礎設計規范》,樓房基礎沉降量應滿足:

(1)

式中：

L——樓房基礎的沉降量，mm；

ΔL——樓房基礎的不均勻沉降量，mm；

E——樓房基礎的長度或者寬度，m。

不同城市對于地表和建筑物沉降量的規定有所不同。本工程的地表和建筑物沉降量均要求不大于30 mm。對于不同結構形式的建筑物,規范規定的地表相對沉降量標準是統一的。

從工程實測數據分析可知,本樓房的沉降量L=20.4 mm<30.0 mm,ΔL=6.0 mm

5 結論

采用模擬計算與實測試驗結合的方式，通過對長—市區間隧道下穿某5層居民樓時的地表沉降及建筑物沉降變形特征分析，評價了建筑物的安全，并得到以下結論:

(1) 右線隧道開挖完成后,地表沉降曲線變化很大；沉降槽寬度增加,沉降量增大,地表沉降曲線對稱軸偏向隧道右線一側。最大沉降發生在兩隧道中心線偏右線隧道一側。

(2) 有無建筑物時的地表沉降差距很大。存在建筑物時,基礎及其周圍土體呈現出整體傾斜變形,遠離建筑物的地表沉降逐漸恢復到無建筑物時的形式。

(3) 建筑物的存在使得地表沉降槽的寬度以及地層滑移角增大。當建筑物基礎橫向布置范圍加大時,其沉降影響范圍隨之擴大,隧道上方大范圍的地層沉降。

(4) 建筑物和基礎的沉降變形特性與隧道施工及與隧道之間布置關系密切相關。出現最大不均勻沉降量時,建筑物處于最不安全狀態。這常發生在隧道下穿建筑物時,且此時并未發生建筑物中心的最大沉降。建筑物中心的最大沉降發生在隧道開挖結束之后；此時由于剛性基礎的調節作用,不均勻沉降反而減小。

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On Surface and Building Subsidence Rule Induced by Construction of Double-line Shield Tunnel

LI Chaoren, ZHOU Chuanbo, CHEN Dong, CAI Jiayuan, JIANG Nan

Combined with the double-line tunnel construction of bidding section 19 on Wuhan metro Line 3,through numerical simulation and field test,the subsidence deformation characteristics of building and surface in the process of tunnel construction are studied, the safety of buildings according to differential settlements in different parts of one building is determined.The result indicates that the strata subsidence increases significantly while there is a building,the soils surrounding the building present an integral tilt deformation;the bigger length-width ratio of the building in the transverse direction of the tunnel can cause bigger enlargement of formation slip angle and width of settling tank.Since the building and foundation settlement deformation characteristics are related to the tunnel construction process,the uneven settlement will reduce the safety of buildings.Therefore,the shield tunnel construction could influence significantly the upper structures on the ground.This research will provide a reference for similar projects in the future.

metro tunnel; double-line shield; building subsidence; numerical simulation

TU433

10.16037/j.1007-869x.2017.06.024

2015-07-12)