復(fù)合地層TBM隧道施工引起建筑物沉降規(guī)律研究

劉赟君, 李化云, 黃 丹

(1. 貴州宏信創(chuàng)達(dá)工程檢測(cè)咨詢有限公司, 貴州 貴陽 550014; 2. 西華大學(xué)土木建筑與環(huán)境學(xué)院,四川 成都 610000; 3. 中鐵五局集團(tuán)建筑工程有限責(zé)任公司, 貴州 貴陽 550000)

0 引言

近年來,我國(guó)城市軌道交通工程迅猛發(fā)展,越來越多的城市已建成或在籌建軌道交通運(yùn)輸體系。在地鐵隧道建設(shè)過程中,不同城市所面臨的地質(zhì)問題不同,從而決定了施工工法不同。目前,對(duì)于巖質(zhì)地層,多采用礦山法施工,但根據(jù)既有建設(shè)經(jīng)驗(yàn),巖質(zhì)地層礦山法施工存在爆破振動(dòng)擾民的問題。對(duì)此,重慶開始采用單護(hù)盾TBM施工。

城市地鐵隧道由于埋深普遍較淺,隧道穿越區(qū)圍巖多為上軟下硬復(fù)合地層。復(fù)合地層隧道施工過程中,圍巖受擾動(dòng)較大,尤其是上部軟巖地層,極易引起地表建筑物沉降[1-2]。目前,針對(duì)復(fù)合地層盾構(gòu)或TBM下穿建筑物的研究已取得了一定成果。李偉等[3]依托杭州地鐵1號(hào)線,采用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的方法,得出了盾構(gòu)施工引起建筑物變形的規(guī)律。李海[4]依托蘇州地鐵蘇州樂園—塔園路區(qū)間,分析了同步注漿對(duì)建筑物沉降的影響,明確了注漿及二次補(bǔ)漿對(duì)控制建筑物沉降的意義。孫鶴明等[5]采用數(shù)值模擬的方法,探討了復(fù)合地層中,單護(hù)盾TBM施工引起的沉降槽范圍與建筑物沉降的空間關(guān)系。張頂立等[6]結(jié)合工程實(shí)踐,研究了城市隧道開挖影響下建筑物的變形特征,并建立了建筑物變形與隧道埋深、圍巖條件的關(guān)系。以上研究,均分析了復(fù)合地層盾構(gòu)及TBM開挖引起的建筑物沉降規(guī)律,并給出相應(yīng)的加固措施指導(dǎo)工程施工。對(duì)于單護(hù)盾TBM施工隧道,均采用管片作為支護(hù)結(jié)構(gòu),實(shí)際工程中,管片與圍巖之間存在5～10 cm的空隙,一般采用豆礫石回填并注漿[7-10]。但是,目前限于施工工藝,豆礫石吹填與注漿均滯后于管片安裝,這就使得支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖無法及時(shí)形成穩(wěn)定的受力體系[11-13],造成建筑物后續(xù)沉降過大,而目前的研究均忽略了豆礫石的作用,與工程實(shí)際存在一定的差別。

為了探明淺埋復(fù)合地層中單護(hù)盾TBM施工引起的建筑物沉降規(guī)律,采用數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的方法,分析豆礫石吹填注漿及軟硬巖交界面位置對(duì)建筑物沉降的影響,以期為淺埋復(fù)合地層中單護(hù)盾TBM下穿建筑物施工提供借鑒。

1 TBM與地層空間關(guān)系

重慶軌道交通環(huán)線1標(biāo)段采用單護(hù)盾TBM施工,TBM刀盤直徑為6.83 m。TBM隧道穿越區(qū)周邊環(huán)境復(fù)雜,存在大量建筑物。線路隧道埋深普遍為15～25 m,隧道穿越區(qū)主要為砂質(zhì)泥巖和砂巖,表現(xiàn)為典型的上軟下硬復(fù)合地層。TBM隧道采用“5+1”的管片支護(hù)型式,管片厚度為35 cm,外徑為6.6 m,混凝土等級(jí)為C50。管片錯(cuò)縫拼裝,縱向設(shè)置10根螺栓,環(huán)向設(shè)12根螺栓,螺栓采用8.8級(jí)M30高強(qiáng)螺栓。

單護(hù)盾TBM由刀盤、前盾和尾盾3個(gè)部分組成,機(jī)身整體設(shè)計(jì)成倒梯形。施工過程中,管片安裝是在尾盾的保護(hù)下進(jìn)行的,因此,管片脫出盾尾后通常與圍巖之間存在5～10 cm的空隙,TBM、管片、圍巖空間關(guān)系見圖1。

圖1 圍巖、TBM、管片空間關(guān)系Fig. 1 Space relationship of rock, TBM and segments

目前,管片與圍巖之間的空隙多采用豆礫石回填,豆礫石回填材料見圖2。豆礫石回填后,對(duì)回填的豆礫石進(jìn)行注漿固結(jié),從而形成圍巖-豆礫石-管片的穩(wěn)定受力體系。但限于施工工藝,豆礫石吹填與注漿均滯后于管片安裝,其中,豆礫石吹填往往滯后于管片安裝5～7環(huán),注漿則滯后于管片安裝20～30環(huán)。這就使得支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖無法及時(shí)形成穩(wěn)定的受力體系,易引起建筑物后續(xù)沉降過大。

2 考慮豆礫石的數(shù)值建模及建筑物沉降分析

2.1 數(shù)值建模

以TBM隧道下穿的3層房屋為原型,采用FLAC3D建立數(shù)值模型分析TBM施工引起的建筑物沉降規(guī)律。計(jì)算模型采用實(shí)體單元,圍巖模型尺寸為75 m×50 m×35 m,見圖3(a);建筑物為磚混結(jié)構(gòu),尺寸為18 m×16 m×12 m,見圖3(b);建筑物基礎(chǔ)為墻下條基,深度為2.6 m,見圖3(c)。隧道埋深為18.4 m,為淺埋隧道,隧道位于建筑物正下方,隧道軸線與建筑物中線約以80°角相交,數(shù)值模擬中簡(jiǎn)化為正交。單護(hù)盾TBM刀盤外徑6.83 m、長(zhǎng)度約1.5 m,前盾外徑6.79 m、長(zhǎng)度約4.5 m,尾盾外徑6.77 m、長(zhǎng)度約3 m,管片外徑6.6 m、單環(huán)管片長(zhǎng)度1.5 m,見圖4。數(shù)值建模過程中,刀頭與圍巖接觸,前盾上部與圍巖存在2 cm空隙,尾盾與圍巖空隙為3 cm,管片底部設(shè)置了墊塊,上部與圍巖空隙為13 cm。管片脫離盾尾后,首先對(duì)底部吹填豆礫石;脫離盾尾2環(huán)后對(duì)中部開始吹填豆礫石;脫離盾尾5環(huán)后對(duì)頂部吹填豆礫石;脫離盾尾20環(huán)后對(duì)豆礫石進(jìn)行注漿。豆礫石吹填壓力為0.3 MPa,注漿壓力為0.5 MPa。

隧道開挖模擬步驟如下: 1)對(duì)掌子面、首環(huán)管片施加9 000 kN的推力和1 600 kN·m的轉(zhuǎn)矩,開挖掌子面并刪除相應(yīng)的推力和轉(zhuǎn)矩,隨后逐步生成刀盤、前盾、尾盾以及管片,沿隧道軸向每次前進(jìn)1.5 m; 2)管片脫離盾尾后,底部吹填豆礫石; 3)隨著刀盤、前盾、尾盾的前進(jìn),逐步對(duì)管片背后空隙進(jìn)行回填; 4)管片脫離盾尾20環(huán)后,改變?cè)摥h(huán)豆礫石參數(shù),模擬注漿后的豆礫石,并對(duì)圍巖、管片施加一定時(shí)間的注漿壓力。在模擬過程中,TBM各結(jié)構(gòu)之間均設(shè)置接觸面,避免結(jié)構(gòu)下沉塌穿[14]。管片采用均值圓環(huán)模擬,并依據(jù)相應(yīng)成果進(jìn)行折減[14-15]。豆礫石共分為2種狀態(tài),分別采用不同的彈性模量等效模擬。考慮到刀盤、主軸承、主梁等的質(zhì)量極大,所以TBM自重采用等效密度,即TBM自重除以模型中各部件體積。單護(hù)盾TBM、管片、建筑物均假定為線彈性材料,主要計(jì)算參數(shù)見表1,圍巖為彈塑性材料,符合摩爾-庫侖破壞準(zhǔn)則,其物理力學(xué)參數(shù)見表2。

圖3 計(jì)算模型Fig. 3 Calculation model

圖4 單護(hù)盾TBM模型Fig. 4 Model of single shield TBM

表1 主要計(jì)算參數(shù)Table 1 Major calculation parameters

表2 圍巖物理力學(xué)參數(shù)Table 2 Physical and mechanical parameters of surrounding rock

2.2 考慮豆礫石的建筑物沉降規(guī)律分析

為分析單護(hù)盾TBM及豆礫石對(duì)建筑物沉降的影響,首先分析全砂巖地層、全砂質(zhì)泥巖地層與建筑物沉降規(guī)律。讀取隧道開挖斷面拱頂部位圍巖及隧道軸線正上方建筑物條基頂部(為沉降優(yōu)勢(shì)部位)沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,圍巖及建筑物沉降曲線見圖5和圖6。

圖5 拱頂圍巖下沉?xí)r程曲線Fig. 5 Time-history curve of surrounding rock subsidence at vault

圖6 建筑物沉降規(guī)律Fig. 6 Law of building settlement

由圖5和圖6可知,TBM掘進(jìn)過程中,軟巖地層拱頂圍巖下沉可分為6個(gè)階段: 1)開挖未到達(dá)監(jiān)測(cè)斷面,拱頂圍巖在推力、轉(zhuǎn)矩作用下出現(xiàn)輕微隆起; 2)開挖接近斷面后,拱頂圍巖開始下沉,沉降速度在刀頭通過后開始增加,由于拱頂圍巖與前護(hù)盾具有一定間隙,此時(shí)圍巖未受支護(hù),拱頂下沉速度較快; 3)由于拱頂沉降速率過快,后護(hù)盾通過時(shí),后護(hù)盾與圍巖開始接觸,受護(hù)盾支撐作用,圍巖拱頂沉降速度減緩; 4)后護(hù)盾通過后,管片與圍巖之間空隙較大,圍巖未受到支護(hù)作用,拱頂下沉速度再次增加,且下沉速度達(dá)到整個(gè)掘進(jìn)階段的最大值; 5)豆礫石回填后,拱頂下沉速率減緩,但由于受豆礫石壓縮影響,拱頂圍巖下沉持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng),且無收斂趨勢(shì); 6)豆礫石注漿后,受注漿壓力影響,拱頂圍巖出現(xiàn)輕微隆起,并很快收斂,此時(shí)圍巖、回填層、管片已形成穩(wěn)定受力體系。

硬巖地層由于變形小,圍巖與護(hù)盾沒有接觸,其變形趨勢(shì)相對(duì)平滑,可分為4個(gè)階段: 1)未掘進(jìn)至監(jiān)測(cè)斷面時(shí)出現(xiàn)輕微隆起; 2)開挖后,圍巖與TBM不接觸,變形相對(duì)較快,但持續(xù)時(shí)間較短; 3)豆礫石回填后,拱頂沉降速率逐漸降低,但整體持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng); 4)注漿后拱頂圍巖出現(xiàn)輕微隆起,但迅速穩(wěn)定。由計(jì)算結(jié)果可知,豆礫石回填前拱頂下沉相對(duì)較快,回填后變形有所減緩,但變形持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng),可見豆礫石的作用不可忽略。

與圍巖拱頂下沉相比,建筑物沉降曲線則較為平滑,軟地層中也基本看不出TBM護(hù)盾支護(hù)作用的影響。建筑物沉降大致可劃分為4個(gè)階段: 1)未掘進(jìn)至監(jiān)測(cè)斷面時(shí)建筑物出現(xiàn)輕微隆起; 2)監(jiān)測(cè)斷面開挖后,建筑物出現(xiàn)較大的沉降,且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng),直至豆礫石吹填完成后; 3)豆礫石吹填完成后,建筑物下沉速度減緩,但依舊持續(xù)一段時(shí)間; 4)圍巖注漿后,建筑物沉降開始收斂。

依據(jù)計(jì)算結(jié)果,在考慮施工過程的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步分析各個(gè)施工階段拱頂圍巖及建筑物沉降的量值及占總沉降的比例,分析結(jié)果見表3和表4。

表3 各施工階段拱頂?shù)貙酉鲁罷able 3 Ground subsidence of vault in each construction stage

表4 各施工階段建筑物沉降Table 4 Building settlement at each construction stage

由表3和表4可以看出,圍巖及建筑物沉降最快階段均為隧道開挖后(刀頭通過)到豆礫石吹填完成前,軟巖地層拱頂圍巖下沉及建筑物沉降所占比例分別約為72%和69%,硬巖地層中分別占72%和78%。由于TBM、圍巖與管片的空間關(guān)系,該階段圍巖基本處于無支護(hù)狀態(tài),地層及建筑物的沉降速度相對(duì)較快。

整環(huán)豆礫石吹填完成后,建筑物及地層沉降速度均開始降低,可見及時(shí)吹填豆礫石對(duì)控制地層及建筑物沉降具有實(shí)際意義。由于豆礫石存在較高的孔隙率,彈性模量較低,可壓縮性較強(qiáng),隧道處于弱支護(hù)狀態(tài),因此,該階段建筑物及地層均會(huì)出現(xiàn)較大的沉降,軟巖地層圍巖下沉及建筑物沉降所占比例分別約為28%和29%,硬巖地層中分別約為28%和20%。注漿后,穩(wěn)定的支護(hù)體系開始形成,建筑物及地層沉降開始迅速收斂穩(wěn)定。由此可以進(jìn)一步得出,豆礫石吹填和注漿對(duì)建筑物及地層沉降具有重要的意義,施工階段應(yīng)把握好豆礫石吹填和注漿的時(shí)機(jī)。

3 復(fù)合地層TBM施工建筑物沉降規(guī)律及處治措施

3.1 交界面對(duì)建筑物沉降影響及對(duì)應(yīng)處治措施

復(fù)合地層是城市地鐵建設(shè)中面臨的重要難題之一,實(shí)際工程中,地層軟硬巖交界面往往起伏不平。交界面與隧道斷面關(guān)系不同,TBM施工對(duì)建筑物所造成的影響不同。對(duì)復(fù)合地層建筑物沉降控制措施選取時(shí),應(yīng)考慮交界面與隧道的位置。采用數(shù)值模擬方法計(jì)算分析淺埋隧道不同交界面位置的建筑物沉降規(guī)律。首先分析交界面位于隧道斷面上方0.5D處(D為隧道開挖外徑)、斷面拱頂處、斷面中線處、斷面隧底處4種工況下建筑物沉降規(guī)律,見圖7。

由計(jì)算結(jié)果可知,隨著軟硬巖交界面逐漸接近以至于侵入隧道開挖斷面,隧道上部建筑物的沉降逐漸增大,建筑物下沉持續(xù)時(shí)間增長(zhǎng)。可見,在復(fù)合地層中進(jìn)行TBM施工,軟硬巖交界面的位置對(duì)建筑物下沉具有重要影響,對(duì)建筑物進(jìn)行加固防護(hù)時(shí)應(yīng)考慮隧道開挖面與軟硬巖交界面的位置。對(duì)此,研究繼續(xù)增加了計(jì)算工況,分析了交界面位于斷面上方(1D、0.75D、0.5D、0.25D)、斷 面 內(nèi) 部(0D、0.25D、0.5D、0.75D、D)、斷面下部(0.25D、0.5D、0.75D、D)13種工況的建筑物沉降規(guī)律,并提取了建筑物沉降最大值,見圖8。

圖7 復(fù)合地層建筑物沉降規(guī)律Fig. 7 Law of building settlement in composite ground

圖8 交界面位置與建筑物沉降關(guān)系Fig. 8 Relationship between interface location and building settlement

由建筑物最大變形可以看出,隨著軟地層的逐漸侵入,最大變形逐漸增加。當(dāng)軟硬巖交界面位于隧道斷面上部0.5D及以上范圍時(shí),建筑物沉降幾乎不受軟硬巖交界面位置的影響。當(dāng)交界面超過隧道上部0.5D的位置后,建筑物沉降隨著交界面下移開始逐漸緩慢增加,此時(shí)交界面對(duì)建筑物沉降為弱影響。當(dāng)交界面超過隧道斷面內(nèi)部0.25D時(shí),建筑物沉降開始迅速增長(zhǎng),可見,交界面超過隧道斷面內(nèi)0.25D后,軟硬巖交界對(duì)建筑物沉降的影響由弱影響變?yōu)閺?qiáng)影響。當(dāng)交界面位于隧道斷面0.75D后,建筑物沉降超過控制基準(zhǔn)值,并接近全軟地層最大沉降值。當(dāng)交界面位于斷面底部及以下時(shí),建筑物最大沉降不再隨交界面的下移而繼續(xù)增大。可見,交界面一旦超過隧道斷面0.75D后,應(yīng)完全按照全軟地層設(shè)計(jì)施工。

根據(jù)建筑物沉降規(guī)律,將交界面對(duì)建筑物沉降的影響劃分為無影響、弱影響、強(qiáng)影響3個(gè)類別。根據(jù)工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工情況,總結(jié)出了各類地層對(duì)應(yīng)的安全控制措施,見表5。

表5 交界面位置對(duì)建筑物沉降影響劃分及處治措施Table 5 Influence of interface location on building settlement and disposal measures

3.2 工程應(yīng)用及驗(yàn)證

依托工程現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際地層為砂質(zhì)泥巖和砂巖復(fù)合層,其中,2種巖性的交界面位于隧道斷面內(nèi)部0.7D處。由上述計(jì)算結(jié)果可知,軟硬巖交界面對(duì)建筑沉降為強(qiáng)影響。對(duì)此,現(xiàn)場(chǎng)施工中主要采取以下加固措施: 1)采用小推力、低轉(zhuǎn)速的方式掘進(jìn),推力控制在8 000 kN,轉(zhuǎn)矩控制在1 400 kN·m,轉(zhuǎn)速控制在4～4.5 r·min-1; 2)豆礫石吹填完成10環(huán)后便注漿,降低后續(xù)沉降; 3)在TBM掘進(jìn)前,采用水泥漿液對(duì)建筑物進(jìn)行注漿加固,注漿范圍為隧道斷面上部9 m至斷面下部3 m處。

采用數(shù)值模擬對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的加固措施進(jìn)行分析,并與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置為隧道軸線正上方建筑物條基頂部位置(建筑物前側(cè)、后側(cè)2個(gè)點(diǎn)),數(shù)值模擬讀取的點(diǎn)位置為隧道軸線正上方建筑物條基頂部(建筑物前側(cè))。數(shù)值模擬與計(jì)算結(jié)果現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)對(duì)比見圖9。

圖9 建筑物沉降對(duì)比Fig. 9 Comparison of building settlement

由圖9可知,數(shù)值計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)接近、規(guī)律一致,由此可驗(yàn)證數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性。由計(jì)算結(jié)果和工程實(shí)測(cè)還可看出,在地表對(duì)地層注漿加固后,建筑沉降未超過安全控制基準(zhǔn),建筑物處于安全狀態(tài)。同時(shí),由于對(duì)豆礫石進(jìn)行了及時(shí)注漿,建筑物沉降能夠在較短的時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定,且豆礫石壓縮引起的后續(xù)沉降所占比例降低至17%。由此可以看出,復(fù)合地層、軟巖地層中采取地層注漿加固和及時(shí)回填豆礫石注漿的措施對(duì)控制建筑物沉降有著重要的工程意義。

4 結(jié)論與討論

淺埋復(fù)合地層TBM下穿建筑物施工過程中,上部軟巖受施工擾動(dòng)較大,易引起較大的建筑物沉降。針對(duì)復(fù)合地層單護(hù)盾TBM下穿建筑物問題,采用數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的方法,重點(diǎn)研究了豆礫石回填注漿及軟硬巖交界面位置對(duì)建筑物沉降的影響,研究得出以下結(jié)論:

1)單護(hù)盾TBM施工過程中,地層及建筑物沉降最快的階段為隧道開挖(刀盤通過)后到豆礫石吹填完成前,該階段建筑物沉降值約占總沉降的70%,分析其原因?yàn)樵撾A段圍基本處于無支護(hù)狀態(tài);豆礫石吹填后,由于豆礫石可壓縮性較強(qiáng),隧道處于弱支護(hù)狀態(tài),建筑物依然會(huì)出現(xiàn)一定的下沉,此階段沉降值約占總沉降的30%,及時(shí)吹填豆礫石并注漿對(duì)控制建筑物沉降具有重要意義。

2)軟硬巖交界面位置對(duì)復(fù)合地層中建筑物沉降具有重要影響,依據(jù)建筑物沉降規(guī)律,將交界面位置的影響分為無影響、弱影響、強(qiáng)影響(沉降超限、未超限)3類,并通過總結(jié)現(xiàn)場(chǎng)工程經(jīng)驗(yàn),分別給出了對(duì)應(yīng)的建筑物沉降安全控制措施。

3)現(xiàn)場(chǎng)的工程監(jiān)測(cè)及數(shù)值模擬均顯示,地表注漿和豆礫石及時(shí)回填注漿對(duì)控制建筑物沉降具有重要意義。

4)研究以埋深為2～3倍洞徑的淺埋隧道為依托,得出了豆礫石回填注漿和軟硬巖交界面對(duì)建筑物沉降的影響,并提出相應(yīng)的施工措施,研究成果可為淺埋復(fù)合地層TBM下穿建筑物施工提供借鑒。同時(shí),隧道埋深、交界面角度、建筑物位置等均會(huì)對(duì)建筑物沉降產(chǎn)生影響,后續(xù)研究可進(jìn)一步對(duì)以上因素進(jìn)行探討,建立更為全面的影響分類方法,從而進(jìn)一步提高研究成果的通用性。