復雜巖溶環(huán)境盾構(gòu)下穿建筑物影響規(guī)律研究*

鐘志全，陳 澤，張 東

(1.中國建筑第五工程局有限公司，湖南 長沙 410004； 2.湖南大學土木工程學院，湖南 長沙 410082)

0 引言

城市地鐵隧道施工穿越的區(qū)段往往是城市核心區(qū)域，盾構(gòu)下穿既有建筑物會引發(fā)地表變形進而導致上層建筑物產(chǎn)生沉降，嚴重的將引發(fā)安全事故。當隧道盾構(gòu)穿越巖溶區(qū)時，溶洞的存在將加劇盾構(gòu)對地層的擾動，地層自穩(wěn)能力會更弱。尤其當上部有密集建筑群時，盾構(gòu)在下穿或者側(cè)穿建筑群時將產(chǎn)生較大差異沉降，輕則導致建筑物傾斜或開裂，重則引起房屋倒塌。施工中，如何處理巖溶區(qū)不良地質(zhì)條件下地層擾動較大的難題，控制地層及建筑物沉降，是盾構(gòu)施工的難點[1]。

目前，國內(nèi)外常用數(shù)值模擬法對盾構(gòu)下穿建筑群進行研究[2-6]。胡建平等[7]利用ANSYS建立了5種工況19個模型，得出了盾構(gòu)施工對離隧道中線25m外的建筑物影響較小這一結(jié)論；李結(jié)全等[8]采用MIDAS GTS分析了溶洞分別位于隧道底部、側(cè)面和頂部時，盾構(gòu)施工和地面沉降的相互影響關(guān)系，建議處理在隧道結(jié)構(gòu)外0.5倍直徑范圍內(nèi)的溶洞，但均未考慮巖溶區(qū)存在時的情況。本文依托某工程為研究背景，利用有限元軟件PLAXIS 3D建立建筑物下方有無溶洞兩種情況下盾構(gòu)下穿的數(shù)值模型，對比了兩種工況下盾構(gòu)下穿對上層建筑的沉降影響及影響范圍。

1 工程概況

某地鐵工程區(qū)間隧道總長1.737km，里程DK29+245—DK30+982采用土壓平衡盾構(gòu)，直徑6m。其中DK29+695—DK29+755區(qū)段下穿某工程大樓，該區(qū)段區(qū)間結(jié)構(gòu)覆土19.1～19.9m。工程大樓為4～5層框架結(jié)構(gòu)建筑，地下1層為地下室，局部存在地下2層，建筑基礎(chǔ)形式為交叉梁基礎(chǔ)。工程大樓地上部分有土木系實驗室、材料系實驗室、高分子物理實驗室、無機材料物理化學實驗室、內(nèi)燃機實驗室等，地下1層為車庫及道路實驗室加速加載環(huán)道試驗場，地下2層為設(shè)備層、循環(huán)水池和疲勞實驗室。區(qū)間隧道外輪廓至地下1層基礎(chǔ)底部最小豎向凈距約14.6m，距離地下2層基礎(chǔ)底部最小豎向凈距約11.2m，隧道與工程大樓的相對位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 隧道與工程大樓相對位置

2 工程地質(zhì)條件

該工程大樓建筑物呈“口”字形，建筑物為交叉梁基礎(chǔ)，沿東西方向跨度大，隧道擬在正下方穿過工程大樓，該區(qū)段地質(zhì)條件復雜，所處地層為泥灰?guī)r，具備巖溶發(fā)育條件。鉆孔探測結(jié)果顯示，建筑物周邊存在巖溶發(fā)育，巖溶形態(tài)以溶洞為主，溶洞高度0.8～5.6m，頂板厚度最小僅0.5m，無充填或充填黏性土與細砂。盾構(gòu)掘進易發(fā)生突水而導致地面沉陷，危及上覆建筑群。

該段地下水按賦存方式主要分為第四系上層滯水、松散巖類孔隙水、基巖裂隙水、碳酸鹽巖類巖溶裂隙水。其中基巖裂隙以風化節(jié)理裂隙和原生張裂隙為主，裂隙多呈張開狀態(tài)，表現(xiàn)為鉆探時漏水嚴重，部分被泥質(zhì)填充，因此地下水在基巖中的賦存量較大，徑流條件較好，透水性較強。尤其在不整合接觸帶附近巖體較破碎，地下水豐富。本工點巖土工程勘察在勘察區(qū)內(nèi)2個水文地質(zhì)試驗鉆孔中進行了抽(壓)水試驗，試驗結(jié)果顯示滲透系數(shù)K=0.30～0.35m/d，說明基巖裂隙發(fā)育。碳酸鹽巖類溶洞根據(jù)勘察情況，其充填物以弱透水性的黏性土為主，富水性差，連通性差，一般具弱透水性。因此，場區(qū)內(nèi)的巖溶水發(fā)育，水量較小，略具承壓性。場地巖溶水與上覆的潛水層有直接的水力聯(lián)系，故巖溶水的水位可按潛水位考慮，但因其各向異性，不排除較大涌水量的可能。勘察時測得鉆孔中基巖裂隙水穩(wěn)定水位埋深為0.000～9.600m，水位標高為27.410～39.580m；碳酸鹽巖類巖溶裂隙水穩(wěn)定水位埋深為1.500～13.400m，水位標高為36.110～40.730m。地下水位變化主要受氣候影響，每年4～9月份為雨季，大氣降水豐沛，是地下水的補給期，其水位明顯上升，而10月至次年3月為地下水的消耗期，地下水位隨之下降，年變化幅度2.00～4.00m，同時在地表水道附近地下水亦會隨湘江水位漲落而起伏變化。

3 巖溶區(qū)盾構(gòu)下穿建筑物數(shù)值分析

3.1 計算模型介紹

為明確盾構(gòu)下穿工程大樓的影響程度，采用有限元軟件對盾構(gòu)掘進過程進行數(shù)值模擬，分析巖溶區(qū)盾構(gòu)隧道下穿既有框架結(jié)構(gòu)時對建筑物沉降的影響。最后結(jié)合現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)分析巖溶區(qū)盾構(gòu)掘進時上方建筑的變形響應并評估盾構(gòu)掘進對其影響。

盾構(gòu)機外殼材料在PLAXIS3D中用shell單元模擬，相關(guān)參數(shù)取值如表1所示。隧道襯砌用實體單元模擬，根據(jù)參考文獻[9]，[10]所述，采用修正慣用法考慮管片接頭的影響，并結(jié)合工程經(jīng)驗取彎曲剛度有效率為0.8，襯砌管片混凝土相關(guān)參數(shù)如表2所示。

表1 盾構(gòu)機外殼參數(shù)

表2 隧道管片參數(shù)

擬用PLAXIS3D模擬隧道左右線開挖對周圍建筑的影響，下穿工程大樓時，隧道拱頂埋深10.7m。工程大樓采用實體單元模擬條形基礎(chǔ)，根據(jù)建筑物設(shè)計資料和相關(guān)規(guī)范確定上方建筑物荷載，將其以分布力形式施加在條形基礎(chǔ)上，如圖2所示。

圖2 模型示意(單位：m)

工程大樓的模型尺寸為150m×150m×50m，隧道左右線之間間隔15m，模型邊界離隧道軸線距離11.25D，在隧道影響范圍之外。盾構(gòu)機離建筑物12m開始掘進，在對建筑物影響范圍之外開始模擬。由于工程大樓寬度達62m，如選擇每環(huán)掘進3m，則兩線穿越需要的計算步和計算量是十分巨大的，故選取每次掘進12m。左線掘進到96m，右線掘進到108m，最終盾尾距離監(jiān)測點15m，之后的掘進過程認為在對監(jiān)測點的影響范圍之外。假定在右線上方1.5m處存在溶洞，根據(jù)參考文獻[11]，[12]所述，可將其簡化為圓柱體考慮，模型中采用弱化土體參數(shù)來考慮溶洞的影響。

研究中考慮盾構(gòu)下穿工程大樓下方有溶洞和無溶洞兩種工況，一方面為了解盾構(gòu)下穿對周圍建筑物的影響，另一方面為了解溶洞的存在對盾構(gòu)下穿周圍建筑物的影響程度。對下穿工程大樓兩個算例的監(jiān)測斷面和監(jiān)測點布置如圖3所示。圖中，2—2′為建筑物沿東西方向?qū)ΨQ軸，圖3—3′為工程大樓前側(cè)過廊中心線。

圖3 計算模型監(jiān)測點布置

3.2 巖溶對盾構(gòu)下穿工程大樓影響分析

兩種工況下掘進完成時沉降等值線對比如圖4所示。可以看出，盾構(gòu)左右線都掘進完成時，兩種工況下地表最大沉降都發(fā)生在兩條隧道軸線和建筑物基礎(chǔ)的重疊處。其中，無溶洞時最大沉降達到8～10mm，而有溶洞的情況下最大沉降達到20～30mm。兩種工況都顯示，工程大樓中間空曠處的沉降比有建筑荷載處要小，同時橫向影響范圍未超過建筑物橫向范圍。

圖4 掘進完成時沉降等值線對比

監(jiān)測斷面2—2的沉降規(guī)律如圖5所示。在無溶洞條件下，沉降最大發(fā)生在隧道軸線正上方(左線-7.5m，右線+7.5m)，沉降為6～7mm；兩線都穿越后，左右側(cè)地表都在距兩隧道中心線大概30m左右沉降開始減少到0mm，說明隧道開挖對地面建筑的影響范圍大概是60m。

圖5 監(jiān)測斷面2—2＇沉降狀況

有溶洞的情況下，在隧道軸線正上方(左線-7.5m，右線+7.5m)沉降最大，且沉降可以達到15～20mm；兩線都穿越后，左右側(cè)地表都在距兩隧道中心線大概30m沉降開始減少到0mm，可知隧道開挖對地面建筑的影響范圍約為60m，同時沉降槽曲線呈“W”形。

監(jiān)測斷面3—3′的沉降規(guī)律如圖6所示。無溶洞條件下，在隧道軸線正上方(左線-7.5m，右線+7.5m)沉降最大；兩線都穿越后，相對上部沒荷載的2-2＇空曠處，3-3＇的沉降為8～9mm，增長了2.5mm，說明上部荷載對沉降有重要影響；左右側(cè)地表都在距兩隧道中心線30m左右沉降開始減少到0mm，說明隧道開挖對地面建筑的影響范圍大概是60m，同時沉降槽曲線呈“W”形。

圖6 監(jiān)測斷面3—3＇沉降狀況

有溶洞的情況下，在隧道軸線正上方(左線-7.5m，右線+7.5m)沉降最大，且沉降可以達到25～30mm；兩線都穿越后，左右側(cè)地表都在距兩隧道中心線30m左右沉降開始減少到0mm，可知隧道開挖對地面建筑的影響范圍大概是60m。同時沉降槽曲線呈“W”形，形狀與無溶洞工況類似。

3.3 建筑物變形對比

由有溶洞和無溶洞兩種工況下建筑物沉降的變化情況可知，兩種工況下的建筑物沉降值變化規(guī)律相似，但有溶洞時每個階段的沉降值都比無溶洞的情況下大2～3倍。

工程大樓屬于多層框架結(jié)構(gòu)，根據(jù)GB50007—2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》，其房屋變形控制指標按沉降差≤0.002l(l為相鄰柱間距)和整體傾斜≤4‰控制。對于工程大樓，有限元模擬地基變形結(jié)果顯示，無溶洞情況下，最大沉降差為4mm<0.002l=12mm，在不考慮建筑物既有變形時，滿足規(guī)范要求；有溶洞情況下，最大沉降差為15mm>0.002l=12mm，不滿足規(guī)范要求。因此，需要采取相應的施工措施和安全管理方法，解決溶洞存在造成盾構(gòu)施工引起的地表建筑物沉降過大問題，以期達到降低甚至消除事故發(fā)生的可能性。

4 結(jié)語

本研究依托某地鐵隧道兩站區(qū)間下穿建筑物工程，結(jié)合數(shù)值模擬軟件分析巖溶區(qū)盾構(gòu)掘進時上方建筑的變形響應，具體結(jié)論如下。

1)無溶洞時，從隧道開挖對建筑物有影響時始，至隧道遠離建筑物影響范圍止，任一階段地表沉降均保持在允許范圍內(nèi)，建筑物最大沉降約為9mm，建筑物同時最大沉降差為4mm<0.002l=12mm，在不考慮建筑物既有變形時，滿足規(guī)范要求。

2)有溶洞時，溶洞存在使得隧道開挖加劇對地層擾動，施工過程建筑物沉降增大為無溶洞時的2～3倍，同時由于工程大樓中間部分為空曠地，隧道從正下方穿越時，不僅會造成左右不均勻沉降，同時也會造成前后差異沉降。房屋基礎(chǔ)最大沉降差為15mm>0.002l=12mm，不滿足規(guī)范要求。

3)兩種工況下的沉降槽曲線與溶洞的存在與否無關(guān)，大致呈現(xiàn)為“W”形，說明沉降槽曲線的形狀不受溶洞影響。同時，隧道開挖對建筑物沉降的影響范圍約為60m。