盾構(gòu)下穿淺基礎(chǔ)建筑的沉降規(guī)律分析

梁超強(qiáng)，葛忻聲，趙 娟，甄 正，張 軍

(1.太原理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，太原 030024；2.太原學(xué)院，太原 030032；3.山西交通科學(xué)研究院，太原 030006)

地鐵以其受地面交通影響小、運(yùn)行速度快、占用地上空間少等優(yōu)點(diǎn)，成為理想的交通方式。地鐵選址一般都選擇在一個(gè)城市的繁華地段或者人口密集的居民區(qū)，地鐵建設(shè)常用的施工手段是盾構(gòu)機(jī)開(kāi)挖隧道，盾構(gòu)機(jī)在穿越周?chē)ㄖ飼r(shí)必然會(huì)導(dǎo)致鄰近土體變形，變形傳遞到地基，影響建筑物地基的穩(wěn)定性，很容易造成建筑的開(kāi)裂、傾斜、倒塌。因此為了保護(hù)建筑物，需要研究隧道開(kāi)挖對(duì)鄰近建筑物的影響[1]。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于隧道開(kāi)挖對(duì)周?chē)馏w以及鄰近建筑的影響已經(jīng)有了很深入的研究。魏綱等[2]提出了正面附加推力、盾殼與土體摩擦、土體損失三者相結(jié)合的縱向沉降曲線的計(jì)算方法；張海波等[3]提出了地鐵隧道盾構(gòu)法施工過(guò)程中地層變位的三維有限元模擬方法；朱逢斌[4]通過(guò)數(shù)值模擬研究了盾構(gòu)隧道鄰近建筑物施工引起的地面變形；CAMS[5]通過(guò)實(shí)例分析研究了盾構(gòu)誘發(fā)沉降對(duì)鄰近建筑物的損傷；GIORGIA et al[6]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了砌體結(jié)構(gòu)外墻受盾構(gòu)沉降的影響；韓煊等[7]通過(guò)理論與實(shí)際工程結(jié)合研究了地鐵施工引起的建筑物扭曲變形；劉秋常等[8]研究了隔離樁、注漿、加橫撐三種加固措施對(duì)臨近高架橋樁基的影響；錢(qián)莊等[9]通過(guò)實(shí)例分析研究了砂土覆蓋型巖溶地層盾構(gòu)隧道施工地面注漿加固的效果；楊歡歡等[10]采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析不同施工參數(shù)對(duì)地表沉降的影響。但在盾構(gòu)下穿建筑物的研究中，建筑物被認(rèn)為是一個(gè)簡(jiǎn)單的均布荷載，忽略了建筑物本身的剛度，針對(duì)建筑物具體沉降規(guī)律的研究較少。

本文以太原地鐵2號(hào)線汾河漫灘為例，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和數(shù)值模擬系統(tǒng)地分析了建筑物在盾構(gòu)側(cè)穿過(guò)程中的沉降規(guī)律，以及建筑物剛度變化對(duì)建筑物沉降規(guī)律的影響。

1 工程實(shí)例分析驗(yàn)證

1.1 工程概況

實(shí)測(cè)盾構(gòu)區(qū)間位于太原地鐵二號(hào)線汾河漫灘，為雙線雙洞設(shè)計(jì)，區(qū)間隧道采用盾構(gòu)法施工。該區(qū)間隧道左、右線近似為直線，其間距為14.2 m，在某家屬樓范圍內(nèi)隧道拱頂埋深13 m.區(qū)間左線總長(zhǎng)1 098.933 m，區(qū)間右線長(zhǎng)度為1 171.880 m.圓形隧道內(nèi)徑5.5 m，外徑為6.2 m，管片厚度0.35 m，寬度為1.2 m，每一環(huán)由6塊管片用螺栓錯(cuò)縫拼接而成。同步注漿層厚度為0.2 m.

建筑物與盾構(gòu)隧道的相對(duì)平面位置見(jiàn)圖1，建筑物東側(cè)距盾構(gòu)隧道左線僅有0.57 m，建筑物地基距離隧道頂9.5 m，建筑物為地下一層、地上五層的磚混結(jié)構(gòu)。房屋總高度為16 m，平面尺寸為40.50 m×9.6 m，墻體采用燒結(jié)普通磚和混合砂漿砌筑，外墻厚度為360 mm，內(nèi)墻厚度為240 mm.基礎(chǔ)為墻下條形基礎(chǔ)，基礎(chǔ)埋深為3.5 m.工程地質(zhì)情況見(jiàn)表1，建筑物監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置，如圖1(a)所示，在建筑物東側(cè)(距離盾構(gòu)隧道較近的一側(cè))每隔4.5 m布置一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在建筑物西側(cè)(距離盾構(gòu)隧道較遠(yuǎn)一側(cè))只在前、中、后部布置三個(gè)點(diǎn)，在建筑物前部(盾構(gòu)先到達(dá)建筑物一端)每隔3.2 m布置一個(gè)點(diǎn)，建筑物后部隔4.8 m布置一個(gè)點(diǎn)。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2.

圖1 區(qū)間隧道平面位置示意圖

1.2 數(shù)值分析模型

1.2.1模型范圍及邊界條件

本文采用有限差分軟件FLAC3D進(jìn)行計(jì)算，幾何模型如圖2所示。隧道內(nèi)徑5.5 m，外徑6.2 m，埋深約為13 m.由小孔擴(kuò)張理論可知隧道開(kāi)挖對(duì)周?chē)貙佑绊懛秶s為3～5倍的隧道直徑[11]，擬建土體模型為80 m×80 m×35 m(長(zhǎng)×寬×高)，建筑模型為9.6 m×40 m×13 m(長(zhǎng)×寬×高)。對(duì)建筑進(jìn)行了適當(dāng)簡(jiǎn)化，條形基礎(chǔ)及內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2，模型上表面為自由邊界，其余邊界為法向約束。

圖2 數(shù)值分析模型

1.2.2模型參數(shù)

根據(jù)該建筑物下部的勘察報(bào)告，模型范圍內(nèi)包含7種不同的土質(zhì)，土層、建筑物的計(jì)算參數(shù)如表1所示。Mohr-Coulomb模型是對(duì)巖土力學(xué)行為的一種 “ 一階 ” 近似 , 其輸入?yún)?shù)較少且相對(duì)容易獲得，簡(jiǎn)單、實(shí)用、計(jì)算較快，故土體采用Mohr-Coulomb模型，建筑物結(jié)構(gòu)采用線彈性模型[12]。管片采用Shell結(jié)構(gòu)單元，厚度為350 mm，重度為25.4 kN/m3，考慮到管片的螺栓連接，故對(duì)其剛度進(jìn)行折減，所以C50混凝土管片剛度采用2.9 GPa[13].

表1 計(jì)算材料參數(shù)

1.2.3隧道動(dòng)態(tài)開(kāi)挖模擬

根據(jù)盾構(gòu)實(shí)際開(kāi)挖過(guò)程進(jìn)行軟件模擬：1) 在考慮鄰近淺基礎(chǔ)建筑物的前提下，對(duì)模型進(jìn)行初始地應(yīng)力平衡以消除由土體自重和建筑物重力造成的變形；2) 開(kāi)挖一環(huán)(環(huán)寬1.2 m)后，施加掌子面推力0.35 MPa；3) 采用Shell單元添加0.35 m厚的管片并施加環(huán)向壓力以模仿注漿壓力，調(diào)整二次襯砌的結(jié)構(gòu)參數(shù)；4) 進(jìn)行計(jì)算；5) 計(jì)算結(jié)束后開(kāi)挖第二環(huán)，如此循環(huán)以模擬盾構(gòu)開(kāi)挖的實(shí)際情況。

1.3 結(jié)果驗(yàn)證

表2中數(shù)值模擬與實(shí)測(cè)建筑物沉降值的最大偏差百分比為12.59%，最小偏差百分比為0.73%，且模擬值全部大于實(shí)測(cè)數(shù)值，模擬結(jié)果偏保守。因此該數(shù)值模型的參數(shù)選取較合理，能夠用于汾河漫灘地層盾構(gòu)下穿建筑物施工的研究。

2 盾構(gòu)引起建筑物沉降分析

2.1 盾構(gòu)隧道引起建筑物沉降的理論分析

在盾構(gòu)鄰近建筑物施工時(shí)，隧道、土體、建筑物三者同時(shí)作用，如圖3所示，形成新的平衡狀態(tài)。在施工過(guò)程中，每一環(huán)的開(kāi)挖都會(huì)使隧道周?chē)馏w的力學(xué)狀態(tài)改變，土的性狀發(fā)生改變從而帶動(dòng)地層發(fā)生沉降或者隆起，如圖4地層豎向變形使地基-土接觸面上發(fā)生相對(duì)位移[14]；又由于建筑物的剛度大于周?chē)馏w，抵抗變形能力強(qiáng)，而建筑物地基與地面變形協(xié)調(diào)一致，因此建筑物的存在限制了建筑物土體變形的發(fā)展；土體作為傳遞應(yīng)力和位移的介質(zhì)，受到隧道和地基影響，同時(shí)反作用于兩者，不斷形成三者新的平衡狀態(tài)。

圖3 隧道-土體-建筑相互作用關(guān)系

圖4 盾構(gòu)隧道施工土體位移示意圖

2.2 盾構(gòu)下穿建筑物沉降曲線分析

2.2.1橫向沉降曲線分析

在保持其他條件不變的前提下，建立無(wú)建筑物盾構(gòu)模型，得到無(wú)建筑時(shí)的沉降曲線，由圖 5知，建筑物的存在對(duì)于最終的沉降曲線的影響較小。

圖5 盾構(gòu)引起橫向沉降曲線

2.2.2縱向沉降曲線

縱向沉降曲線反映的是沉降的過(guò)程，但是對(duì)于盾構(gòu)穿越建筑這一工況只研究縱向沉降曲線是不夠的，本文通過(guò)對(duì)比建筑前部(1號(hào)點(diǎn))、建筑中部(5號(hào)點(diǎn))、建筑物后部(10號(hào)點(diǎn))三處在有無(wú)建筑物兩個(gè)工況下的沉降，來(lái)研究建筑的存在對(duì)沉降曲線的影響。在施工階段盾構(gòu)施工引起的地表(建筑物)沉降一般可以分為3個(gè)階段：①盾構(gòu)到達(dá)前沉降(刀盤(pán)從始發(fā)井推進(jìn)至距離建筑3-4環(huán))；②盾構(gòu)到達(dá)時(shí)沉降(刀盤(pán)切口前3-4環(huán)至切口后3-4環(huán))；③盾構(gòu)通過(guò)時(shí)沉降(刀盤(pán)切口后1-2環(huán)至盾構(gòu)機(jī)完全脫出)。

由圖6(a)可知，當(dāng)建筑存在時(shí)，建筑物前部的點(diǎn)，沉降階段①占了總沉降的1.85%，階段②占了24.07%，階段③占了74.07%；而不存在建筑物時(shí)階段①占了10%，階段②占了36.67%，階段③占了53.33%。可以看出建筑物的存在會(huì)降低建筑前部點(diǎn)的①階段和②階段的位移，但會(huì)增加③階段的位移。

圖6(b)中，對(duì)于建筑物中部的點(diǎn)，沉降階段①占總沉降的20.37%，階段②占了27.78%，階段③占了51.85%；而不存在建筑物時(shí)，階段①占了14.8%，階段②占了40.74%，階段③占了44.4%。可以看出對(duì)于建筑中部的點(diǎn)，建筑物的存在會(huì)增加①階段沉降占比而降低②、③階段的沉降占比，尤其是②階段。

圖6(c)中，對(duì)于建筑物后部的點(diǎn)，沉降階段①占總沉降的29.41%，階段②占35.29%，階段③占31.37%；而不存在建筑物時(shí)，沉降階段①占16.07%，階段②占42.66%，階段③占41.67%。可以得出對(duì)于建筑物后部的點(diǎn)建筑物的存在會(huì)增加①階段的沉降，而降低②階段的沉降。

圖6 建筑物存在影響效應(yīng)

從建筑物的整體出發(fā)，可將盾構(gòu)下穿建筑物時(shí)建筑物的沉降過(guò)程分為三個(gè)時(shí)間段：前期沉降，從盾構(gòu)開(kāi)始到盾構(gòu)切口到達(dá)建筑物中部，建筑物前部略有沉降但整體沉降很小；中期沉降，刀盤(pán)從中部到后部的過(guò)程中，建筑物開(kāi)始整體大幅度地沉降；后期沉降，從建筑后部到盾構(gòu)完成后建筑物還會(huì)繼續(xù)沉降，這個(gè)沉降幅度小于中期沉降但大于前期。

2.3 建筑物剛度對(duì)沉降規(guī)律的影響

影響建筑物剛度的主要因素有建筑物結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)類(lèi)型(基礎(chǔ)剛度)、長(zhǎng)高比、建筑物的工作性狀等，本節(jié)主要分析基礎(chǔ)剛度和長(zhǎng)高比在盾構(gòu)施工中對(duì)建筑物沉降規(guī)律的影響[15]。

2.3.1基礎(chǔ)剛度影響分析

保持其它參數(shù)不變，通過(guò)增加基礎(chǔ)厚度D(0.4 m，0.5 m，0.6 m)，改變基礎(chǔ)剛度，分析不同地基剛度下建筑物的沉降規(guī)律。由圖7可知，隨著基礎(chǔ)厚度的提高，建筑物前、中、后部的沉降趨勢(shì)基本沒(méi)有變化，階段①沉降占比基本沒(méi)有變化，階段②提高，階段③降低，且基礎(chǔ)剛度越大，變化越明顯。表明建筑物基礎(chǔ)剛度越大，建筑物沉降的整體性越強(qiáng)。

圖7 建筑物基礎(chǔ)厚度影響效應(yīng)

隨著基礎(chǔ)厚度的提升，建筑物各部分的沉降均有所減小，但程度有明顯不同，前部隨著基礎(chǔ)厚度的加厚，沉降減小效果相當(dāng)，而中后部隨著厚度的提升，沉降減小效果得到提升。基礎(chǔ)厚度由0.4 m增加至0.6 m時(shí)，建筑物前后沉降差從6.32 mm降至4.65 mm.

2.3.2長(zhǎng)高比影響分析

在其他參數(shù)保持不變的前提下，通過(guò)改變建筑物樓層數(shù)量N(3，6，9層)，可得其長(zhǎng)高比L/H分別為4.8，2.5，1.6，研究不同長(zhǎng)高比情況下，建筑物的沉降規(guī)律。

由圖8知，隨著L/H的減小，建筑物不同位置不同階段有不同的表現(xiàn)，階段①、②建筑物前、中部無(wú)明顯變化，而在階段③前部點(diǎn)變化效果相當(dāng)，中部點(diǎn)變化效果越來(lái)越不明顯，后部點(diǎn)基本沒(méi)有變化，說(shuō)明L/H越小建筑物的整體性越差。

隨著L/H的減小，建筑物前部沉降增大效果相當(dāng)，中部點(diǎn)效果越來(lái)越差，后部點(diǎn)基本無(wú)變化，說(shuō)明L/H越小建筑物的前、后部沉降差越大。

綜合影響建筑物剛度參數(shù)的變化可以發(fā)現(xiàn)，建筑物剛度的變化，對(duì)于建筑物對(duì)周?chē)貙蛹s束作用的影響不明顯，剛度越大建筑物在沉降過(guò)程中表現(xiàn)出的整體性越強(qiáng)。

圖8 建筑物長(zhǎng)高比影響效應(yīng)

3 結(jié)論

本文以太原地鐵2號(hào)線某區(qū)間為例，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和數(shù)值模擬分析了在汾河漫灘地層，建筑物在盾構(gòu)隧道施工過(guò)程中的沉降規(guī)律以及建筑物剛度和長(zhǎng)高比對(duì)沉降規(guī)律的影響，結(jié)論如下：

1) 在盾構(gòu)施工過(guò)程中，地表建筑物的存在與否對(duì)于最終形成的橫向沉降槽影響很小。

2) 在盾構(gòu)穿越建筑物這一工況下，建筑物的存在會(huì)約束周?chē)貙樱c無(wú)建筑物時(shí)的沉降規(guī)律相比，建筑物及周?chē)貙拥某两涤兄黠@的滯后性和整體性。

3) 建筑物剛度的改變，對(duì)于建筑物對(duì)周邊地層的約束作用幾乎沒(méi)有影響。

4) 基礎(chǔ)剛度越強(qiáng)，建筑物前、后部的沉降差越小，建筑物沉降的整體性越強(qiáng)。

5) 在盾構(gòu)隧道下穿淺基礎(chǔ)建筑物時(shí)，在盾構(gòu)刀片到達(dá)建筑物中部附近時(shí)建筑物發(fā)生沉降較大，要注意監(jiān)測(cè)建筑物性狀變化并及時(shí)做出應(yīng)對(duì)。