鄰近小型盾構(gòu)隧道施工安全評價標(biāo)準(zhǔn)及控制措施

魯茜茜， 夏正茂, 韓高生, 蹇蘊奇

(1. 西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點實驗室, 四川成都 610031; 2. 中國電力建設(shè)股份有限公司洛陽分公司, 河南洛陽 471000; 3. 中國水利水電第四工程局有限公司, 青海西寧 810007)

隨著城市快速發(fā)展，城市交通網(wǎng)愈來愈完善，城市用地面積愈來愈緊張，在既有小型隧道周圍修建建筑物必不可免[1-2]，建筑物施工擾動必然導(dǎo)致既有隧道產(chǎn)生附加變形，為了確保既有隧道在修筑過程中的安全，必須事先明確建筑物修筑過程中既有隧道變形規(guī)律。

目前，已有部分學(xué)者利用數(shù)值模擬來研究施工對既有隧道的影響。張萬斌[3]等利用MIDAS-GTS對擬建項目施工后既有隧道結(jié)構(gòu)強度進(jìn)行分析，確定擬建項目實施的可能性；劉方琨[4]等利用MIDAS-GTS研究建筑物修筑各施工階段對既有隧道的應(yīng)力場以及位移場的影響，并揭示了建筑物修筑過程中的應(yīng)力重分情況，結(jié)果表示在既有隧道邊緣40m范圍以外，施工擾動對其影響較??；李國龍[5]等利用有限元軟件對建筑物修建對既有隧道產(chǎn)生的擾動進(jìn)行分析，結(jié)果顯示建筑物修筑對既有隧道洞周收斂產(chǎn)生的影響較小，管片位移以及附加應(yīng)力在允許范圍內(nèi)，從而證明施工方案的可行性；鄭剛[6]等利用PLAXIS有限元軟件研究不同施工參數(shù)下坑外既有隧道的變形影響區(qū)，得出影響區(qū)的大致形狀為直角梯形；劉慶晨[7]等利用有限元軟件ABAQUS對基坑的施工過程進(jìn)行動態(tài)模擬，研究采取隧道兩側(cè)土體加固、澆筑底板以及堆載回壓等不同控制措施對既有隧道的影響及有效性，指出有針對性地綜合采用上述保護(hù)措施，能夠及時有效地控制既有隧道上抬，保證地鐵的安全運營；林杭[8]等利用有限元軟件FLAC3D研究基坑長度、寬度以及既有隧道與基坑相對位置的變化對既有隧道影響的范圍，位于基坑正下方和右側(cè)的隧道，其拱頂?shù)呢Q向位移和左拱腰水平位移與基坑寬度和深度成正比，與隧道中心和基坑相對距離成反比。但現(xiàn)有的研究主要集中在修筑建筑物與既有隧道兩者之間的施工凈距固定的施工案例，對兩者在不同施工凈距下，既有隧道產(chǎn)生變形規(guī)律研究成果尚不多見。

本文利用有限元軟件ABAQUS對建筑物修建過程中，基坑開挖的“卸載”和上部結(jié)構(gòu)修建的“加載”作用進(jìn)行模擬，研究不同水平凈距下開挖擾動對既有小型盾構(gòu)隧道產(chǎn)生的附加變形，根據(jù)研究結(jié)果提出中小盾構(gòu)隧道周圍修筑建筑物的安全評價標(biāo)準(zhǔn)，并針對不同施作對象，提出控制既有隧道附加變形的措施，可為后續(xù)類似工程提供指導(dǎo)與借鑒作用。

1 數(shù)值計算模型及參數(shù)

由于既有盾構(gòu)埋深15m，隧道外徑4.2m，內(nèi)徑3.6m，管片厚度0.3m，開挖基坑尺寸為：橫向36m×豎向17m(埋深)×縱向48m(沿隧道軸線方向)，為減小邊界效應(yīng)和考慮模型施工影響范圍，現(xiàn)確定模型尺寸為：橫向111m×豎向48m(埋深)×縱向120m(沿隧道軸線方向)，模型圖見圖1，其中建筑物基坑大樣圖如圖2所示。

圖1 整體模型

圖2 建筑物基坑大樣及管片接頭處理

模型邊界條件為，在模型側(cè)面采用滑動鉸支座，對側(cè)面土體進(jìn)行垂直該方向的約束；模型土體下表面為固定約束，對底部節(jié)點的位移及轉(zhuǎn)角進(jìn)行約束；模型土體上表面為自由面，用于觀察上覆土體及地表沉降。

在數(shù)值模擬過程中，充分考慮隧道結(jié)構(gòu)環(huán)縫以及縱向接頭對隧道整體剛度弱化的影響，環(huán)縫接頭位置采取剛度折減，折減系數(shù)為0.85，環(huán)縫的影響范圍可近似取為縱向螺栓長度[9]，因此本文將環(huán)縫弱化區(qū)長度取為0.4m。既有隧道縱向接頭處理結(jié)果如圖2。材料物理參數(shù)見表1。

表1 材料物理力學(xué)參數(shù)

2 模擬施工過程

建筑物施工對既有隧道產(chǎn)生的附加變形表現(xiàn)在兩個方面，一方面是基坑開挖“卸載”作用，另一方面是周圍建筑物修建“加載”作用。先以既有隧道與建筑基坑的水平距離為1d、2d、3d、4d為計算工況(d=4.2m，為既有盾構(gòu)隧道外徑)，來研究鄰近建筑物施工對既有隧道結(jié)構(gòu)的影響。第一次施工開挖至地表以下5m，在地表以下4m位置施加第一道橫撐；第二次施工開挖到地表以下9m，于地表以下8m位置施加第二道橫撐，第三次施工開挖至地表以下14m，在地表以下13m位置施加第三道橫撐，最后開挖至基坑底部并施作底板，基坑開挖完成后，由下至上拆除橫撐，依次施加垂直于底板的建筑物荷載值，每一級建筑物荷載值為5層樓房建筑物荷載值，每一層建筑物荷載值參見相關(guān)規(guī)范確定為1 200kN/m2，共計20層。施工工序見表2。

3 計算結(jié)果分析

3.1 施工過程影響

在周圍建筑物施工過程中，會對既有隧道產(chǎn)生一定程度的附加變形。既有隧道最大豎向、最大橫向以及最大縱向變形曲線如圖3～圖5所示。

由圖3可知，在不同水平凈距下，基坑開挖卸載過程中既有隧道出現(xiàn)“上浮”，即既有隧道出現(xiàn)豎直向上的位移，這是

表2 建筑物施工步序

圖3 既有隧道最大橫向變形

由于隨著基坑卸載的進(jìn)行，既有隧道原有地層平衡條件被破壞，為趨于穩(wěn)定既有隧道產(chǎn)生卸載方向的位移變形，且位移隨著卸載的進(jìn)行逐漸增大，當(dāng)基坑施作完成最大豎向位移達(dá)到峰值，此后，既有隧道受到建筑物施工“加載”作用，對結(jié)構(gòu)的“上浮”起到抑制作用，使得結(jié)構(gòu)最大豎向位移逐漸減小。在不同凈距下既有隧道產(chǎn)生最大豎向位移有所差異，隨著施工水平凈距的增大，最大豎向位移的峰值有所減小，從1d的42.57mm減小至4d的15.76mm，而且在施工凈距為1d～3d，卸載和加載過程中，既有結(jié)構(gòu)最大豎向位移方向發(fā)生變化，可能會隨著施工的繼續(xù)進(jìn)行，使得既有結(jié)構(gòu)產(chǎn)生過大的豎向變形，造成不利影響。

圖4為不同凈距條件下，既有隧道最大橫向變形曲線圖，以水平遠(yuǎn)離基坑為正，反之為負(fù)。

圖4 既有隧道最大豎向變形

由圖4可知，在不同水平施工凈距下，各工況下既有隧道最大橫向變形趨勢相同，隨著基坑卸載的施工既有隧道最大橫向變形在數(shù)值上逐漸增大，基坑施作完成最大橫向變形達(dá)到峰值；隨著建筑物施作加載，最大橫向變形有所減小最終趨于穩(wěn)定，說明建筑物施工的“加載”作用對基坑開挖的“卸載”作用起到一定減緩作用，并且鄰近建筑物的“加載”作用相對基坑開挖的“卸載”作用對橫向變形的影響小，這是由于建筑物加載是在豎直方向改變原有平衡，對橫向的影響較弱。在不同凈距下，既有隧道的橫向變形也有所差異，隨著施工凈距的減小，最大橫向變形在數(shù)值上逐漸增大，從4d的16.61mm的逐漸增加到1d的20.7mm，增長幅度達(dá)到19.76 %，施工凈距的減小，在一定程度加快了隧道結(jié)構(gòu)的橫向變形。

圖5 既有隧道最大縱向變形

圖5為不同凈距條件下，既有隧道最大橫向變形曲線圖，正負(fù)同坐標(biāo)軸取向相同。由圖5可知，既有隧道的縱向變形同最大橫向變形趨勢相同，都是隨著基坑“卸載”作用，最大縱向位移逐漸增大，當(dāng)基坑施作完成達(dá)到峰值，之后隨建筑物施作，最大縱向變形逐漸減小最終趨于穩(wěn)定。施工凈距對最大縱向變形的影響主要表現(xiàn)在最大縱向變形的峰值以及最終趨于穩(wěn)定的最大縱向變形，隨著施工凈距的減小，這兩者都有所增加，但變化差異不大，表明施工凈距對既有隧道縱向變形影響效果不顯著。

3.2 環(huán)向空間位置的影響

受鄰近建筑物施工的影響，既有中小型隧道會產(chǎn)生不均勻附加變形，取基坑開挖完成后，既有隧道中心管片環(huán)豎向以及橫向位移進(jìn)行分析，其豎向和橫向空間分布圖見圖6、圖7。

圖6 既有隧道管片豎向位移空間分布

圖6為既有隧道管片襯砌豎向位移空間分布圖，從0°位置開始沿雷達(dá)圖順時針方向為遠(yuǎn)離基坑方向，管片豎向位移以向上為正，反之為負(fù)。由圖7可知，基坑在不同水平凈距施工過程中，基坑的“卸載”作用，使得既有隧道管片襯砌整體出現(xiàn)“上浮”現(xiàn)象，受空間位置的影響，管片環(huán)的豎向位移呈不均勻分布，在迎基坑側(cè)管片襯砌豎向位移變化顯著，而背離基坑側(cè)豎向位移變化相對較小，從而導(dǎo)致管片襯砌出現(xiàn)“橢圓化”。并且隨著施工凈距的不同，管片襯砌豎向變形表現(xiàn)出差異性，隨著施工凈距的減小，管片環(huán)豎向位移呈逐漸增大趨勢，尤其是施工凈距小于2d時，管片襯砌豎向變形急劇增加，管片襯砌“橢圓化”程度加劇，加大了既有隧道的局部失穩(wěn)的可能性。

圖7 既有隧道管片橫向位移空間分布

圖7既有隧道管片襯砌橫向位移空間分布圖，從0°位置開始沿雷達(dá)圖順時針方向為遠(yuǎn)離基坑方向，管片橫向位移以靠近基坑方向為正，反之為負(fù)。

由圖8可知，受基坑開挖的“卸載”作用，既有隧道周圍原有地層平衡被破壞，為趨于穩(wěn)定既有隧道管片橫向位移整體靠近基坑卸載方向，受空間位置分布的影響，在靠近基坑位置的一側(cè)，管片橫向位移較另一側(cè)變化顯著，具體分布位于管片襯砌靠近基坑開挖側(cè)的拱肩至拱腰位置。由于橫向位移的空間分布的不均勻性，致使管片襯砌出現(xiàn)“橢圓化”，并隨著施工凈距的減小，既有隧道管片襯砌橫向位移逐漸增加。因此在小凈距下進(jìn)行基坑的開挖，既有隧道管片襯砌環(huán)不均勻程度更為嚴(yán)重，極易導(dǎo)致管片襯砌錯臺以及開裂，在實際施工過程中應(yīng)引起重視。

4 安全施工控制標(biāo)準(zhǔn)的確立

由于既有隧道空間位置分布特性，導(dǎo)致周圍鄰近建筑物施工對既有隧道產(chǎn)生不均勻附加變形現(xiàn)象較為嚴(yán)重，甚至引起工程事故。為了確保既有隧道以及新建構(gòu)筑物施工過程中的安全，考慮兩者水平凈距，進(jìn)而提出小盾構(gòu)隧道安全施工控制標(biāo)準(zhǔn)。目前，我國多個城市將隧道結(jié)構(gòu)變形限界值確定為±20mm[10]。綜合以往既有盾構(gòu)隧道變形控制實例，現(xiàn)將既有隧道結(jié)構(gòu)豎向變形以及橫向變形限界值確定±20mm，縱向變形限界值確定為±10m。根據(jù)數(shù)值計算結(jié)果，得到周圍建筑物施工對既有隧道產(chǎn)生的附加變形如表3所示。

表3 周圍建筑物施工附加變形

通過上述既有隧道變形限界值以及不同水平凈距下產(chǎn)生的附加變形，最終確定既有隧道鄰近建筑物的施工安全控制標(biāo)準(zhǔn)如下：當(dāng)既有隧道和建筑物的水平凈距大于3d(d=4.2m為既有隧道外徑)，既有隧道產(chǎn)生的附加變形小于變形限界值，施工較安全，實際施工可根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，確定是否需要采取措施控制變形；當(dāng)施工凈距為2 d～3 d，既有隧道產(chǎn)生的變形與變形限界值相近，應(yīng)采取適當(dāng)措施控制變形；當(dāng)施工凈距小于2 d時，既有隧道附加位移大于限界值，施工危險，必須采取措施控制變形，保證施工安全。

5 隧道變形控制措施

周圍鄰近建筑物施工擾動使既有隧道產(chǎn)生較大的附加變形，可采取適當(dāng)控制措施減小這種影響。對于鄰近既有隧道附件變形控制措施，按照施作對象可分為：針對既有隧道結(jié)構(gòu)、針對鄰近建筑物、針對中間地層三類不同控制措施。

(1)針對既有隧道。施作過程中可采取回填注漿、設(shè)置高強度擋板、設(shè)置金屬網(wǎng)、修筑二次襯砌以及對既有隧道管片襯砌螺栓進(jìn)行加固等措施來控制既有隧道的變形。

(2)針對修筑建筑物。地表建筑物的施工，可增加修筑基坑的強度與剛度，做好防水排水措施來提高基坑的穩(wěn)定性，并對基坑附近的土體做好監(jiān)測工作以及應(yīng)急防護(hù)措施，來減小地表建筑物修筑對既有結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的附加變形。

(3)針對中間層。這種控制措施，主要是用來減小鄰近建筑物施工擾動的傳播?？蓪χ虚g層進(jìn)行注漿加固，設(shè)置隔離樁以及對中間土體進(jìn)行改良增加土體強度，來削弱鄰近建筑物施工對既有隧道產(chǎn)生的擾動，從而控制既有隧道的變形。

6 結(jié)論

為了研究鄰近建筑物施工對小盾構(gòu)隧道的影響，本文利用數(shù)值模擬對建筑物施工對既有隧道產(chǎn)生的附加變形進(jìn)行研究，模擬采用變剛度隧道結(jié)構(gòu)模型并考慮了漿液的固化，根據(jù)研究結(jié)果最終提出了小盾構(gòu)隧道近接施工的安全評價標(biāo)準(zhǔn)，得出以下結(jié)論：

(1)在鄰近建筑物的施工過程中，基坑開挖的“卸載”作用會導(dǎo)致既有隧道管片“上浮”，而上部結(jié)構(gòu)施作的“加載”作用則會抑制基坑開挖引起的既有隧道產(chǎn)生的變形，但相比之下基坑開挖作用效果更為顯著。

(2)由于鄰近建筑物在基坑開挖中的土體卸載作用，導(dǎo)致既有隧道結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生偏向基坑的不均勻變形，使得既有隧道管片襯砌出現(xiàn)“橢圓化”，當(dāng)兩者之間的水平凈距達(dá)到2 d時，既有隧道的產(chǎn)生的不均勻變形急劇增大，最大豎向位移24.29mm，超出限界標(biāo)準(zhǔn)值。

(3)在鄰近建筑物施工擾動下，既有隧道產(chǎn)生的變形主要有豎向變形和橫向變形，在水平凈距大于2 d時，兩者都是主要變形且最大變形值相近；當(dāng)施工凈距不大于2 d時，以豎向變形為主，施工凈距為1 d時達(dá)到42.56mm的變形值。

(4)當(dāng)建筑物與既有隧道之間的凈距小于2 d時，既有隧道產(chǎn)生的豎向變形超出限界值，基坑的開挖對既有隧道的擾動風(fēng)險將增大，必須針對既有隧道、鄰近建筑物或者中間地層采取不同控制措施。