盾構(gòu)隧道下穿施工對(duì)地面建筑基礎(chǔ)影響的研究

楊 凱 文

(蘭州市軌道交通有限公司，甘肅 蘭州 730070)

0 引言

隨著城市軌道交通的快速發(fā)展，盾構(gòu)隧道下穿既有鐵路的工程越來(lái)越多。盾構(gòu)隧道施工會(huì)對(duì)周圍地層產(chǎn)生擾動(dòng)，導(dǎo)致既有鐵路站區(qū)地面建筑基礎(chǔ)產(chǎn)生沉降，造成安全隱患[1-4]。某市地鐵3號(hào)線下穿京滬普鐵站區(qū)水電段供給所與養(yǎng)路工區(qū)1層～2層房屋，本文在前期調(diào)研的基礎(chǔ)上，對(duì)下穿施工引起的建筑物基礎(chǔ)沉降進(jìn)行了研究分析。

1 研究概況

本模型中建立京滬普速鐵路、地面建筑以及部分區(qū)間隧道。由于缺少足夠的站區(qū)地面建筑資料，本模型假定建筑結(jié)構(gòu)形式均為條形基礎(chǔ)，上部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為底板+面荷載。由于未考慮房屋結(jié)構(gòu)整體剛度，差異沉降可以看作是更不利的計(jì)算方法。如果模擬結(jié)果安全，可以認(rèn)為真實(shí)施工時(shí)地面建筑也是安全的，各建筑物編號(hào)1～7。

根據(jù)GB 50007—2011建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[5]，地面建筑的允許最大沉降量和允許最大沉降差確定如表1所示，按照允許最大沉降量和允許最大沉降差中較小值控制。

表1 允許沉降值與允許沉降差

2 模型建立與施工模擬

2.1 模型建立

采用數(shù)值模擬方法計(jì)算盾構(gòu)隧道下穿施工對(duì)京滬普鐵站區(qū)地面建筑基礎(chǔ)的影響。利用Plaxis 3D建立三維有限元模型，模型總長(zhǎng)度155 m、總寬度為120 m，深度約為70 m。幾何模型底部施加完全固定約束，兩側(cè)施加豎直滑動(dòng)約束，模型表面為自由邊界。土體采用硬土模型模擬，相關(guān)土層物理力學(xué)參數(shù)詳見表2，得到計(jì)算模型如圖1所示。

2.2 施工模擬

在Plaxis 3D有限元軟件中通過(guò)凍結(jié)隧道范圍內(nèi)土體單元，激活管片單元，并進(jìn)行斷面收縮和施加掌子面壓力來(lái)模擬盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程。整個(gè)隧道施工過(guò)程模擬按照實(shí)際盾構(gòu)施工推進(jìn)方向和順序進(jìn)行分步開挖，先施工3號(hào)線左線隧道，再施工3號(hào)線右線隧道。選定開挖過(guò)程中具有特征性的8個(gè)工況(每條隧道的施工均有4工況)。有限元施工過(guò)程模擬如圖2所示(圖中隱藏了部分土層)。工況劃分具體如下：

工況1：左線隧道盾構(gòu)機(jī)刀盤接近房屋群；工況2：左線隧道盾構(gòu)機(jī)刀盤到達(dá)房屋群中心位置；工況3：左線隧道盾構(gòu)機(jī)刀盤穿過(guò)房屋群；工況4：左線隧道盾構(gòu)機(jī)刀盤穿過(guò)鐵路路基；工況5：右線隧道盾構(gòu)機(jī)刀盤穿過(guò)鐵路路基；工況6：左線隧道盾構(gòu)機(jī)刀盤接近房屋群；工況7：右線隧道盾構(gòu)機(jī)刀盤到達(dá)房屋群中心位置；工況8：右線隧道盾構(gòu)機(jī)刀盤穿過(guò)房屋群。

表2 相關(guān)土層物理力學(xué)參數(shù)表

3 計(jì)算結(jié)果分析

由于1號(hào)和7號(hào)建筑物離隧道較遠(yuǎn)，受盾構(gòu)施工影響相比其他建筑物小得多，因此只對(duì)2號(hào)～6號(hào)建筑做沉降分析。計(jì)算結(jié)果如表3,表4所示。

0.5%地層損失計(jì)算結(jié)果如下。

表3 建筑沉降統(tǒng)計(jì)表(一)

0.8%地層損失計(jì)算結(jié)果如下。

表4 建筑沉降統(tǒng)計(jì)表(二)

由表3，表4可得：

1)3號(hào)和4號(hào)建筑位于隧道正上方，整體沉降量較大，0.5%地層損失率時(shí)分別達(dá)到9.237 mm，8.664 mm，0.8%地層損失率時(shí)分別達(dá)到15.317 mm，15.250 mm。

2)2號(hào)、5號(hào)、6號(hào)建筑物相對(duì)位置偏向一邊，差異沉降相對(duì)較大，0.5%地層損失率時(shí)分別達(dá)到3.802 mm，2.954 mm，4.958 mm，0.8%地層損失率時(shí)分別達(dá)到5.321 mm，

4.797 mm，7.746 mm。

3)2號(hào)～6號(hào)建筑沉降與差異沉降雖有差異，但量值都在允許范圍內(nèi)，滿足控制標(biāo)準(zhǔn)。

從以上計(jì)算可知，地層損失率選取不同時(shí)，建筑物的最大沉降及最大沉降差相差較大，因此，盾構(gòu)地鐵的施工參數(shù)選取對(duì)于控制建筑物沉降極其重要，某市地鐵3號(hào)線盾構(gòu)下穿京滬普鐵路基時(shí)隧道中心埋深15.5 m～16.4 m，主要穿越⑥-1硬塑粘土層，隧道上方分布有④-2砂質(zhì)粉土。基于土力學(xué)原理，計(jì)算得到下穿京滬普鐵時(shí)的理論土倉(cāng)壓力為0.14 MPa～0.15 MPa。在實(shí)際施工中，前倉(cāng)土壓力的設(shè)定比理論計(jì)算值高15 kPa～25 kPa，即一般取1.1倍～1.2倍的靜止土壓力。

4 結(jié)語(yǔ)

利用Plaxis 3D有限元軟件來(lái)模擬某市地鐵3號(hào)線盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程對(duì)于地面建筑基礎(chǔ)的影響，可得以下主要結(jié)論：

1)地層損失率為0.5%和0.8%時(shí)，京滬普鐵南側(cè)水電段某市供給所和某市養(yǎng)路工區(qū)房屋基礎(chǔ)最大沉降分別為9.237 mm，15.317 mm；最大沉降差為4.958 mm，7.746 mm。

2)不同地層損失率情況下，各建筑的最大沉降及最大沉降差相差較大，但均滿足規(guī)范要求，可見地鐵3號(hào)線能夠下穿京滬普鐵站區(qū)地面建筑基礎(chǔ)。

3)地鐵3號(hào)線下穿京滬普鐵時(shí)的理論土倉(cāng)壓力為0.14 MPa～0.15 MPa，實(shí)際值應(yīng)比理論計(jì)算值高15 kPa～25 kPa。