盾構穿越既有建筑物沉降預測分析及應用

田世文

(北京建大京精大房工程管理有限公司，北京 100044)

1 工程概況

北京某地鐵工程，線路長24.55km，設車站22座，全線共設6個盾構區間，用5臺土壓平衡盾構機施工完成7.3km區間隧道。盾構區間周邊環境復雜，沿線盾構穿越的橋梁(包括天橋、跨河橋)有8座、高速公路(含快速路)有5條、河流有3條、鐵路(含既有地鐵)有2條、下穿重要市政管線若干、下穿或鄰近建筑物眾多。

本文涉及工程轄2個盾構區間：始發井—亮馬橋站區間(K14+741.3—K16+730.8 )長1 989.5m，為雙線。始發井—亮馬橋站區間是本條線路難度最大的盾構區間，線路平面呈正反S狀(見圖1)，平面曲線由2個400m半徑和1個350m半徑組成。線路在豎向為“人”字形坡，線路最大坡度為0.8%。線路埋深在18～25m。沿線下穿中國空間技術研究所的多層樓房、京順路、機場高速公路、多個過街通道及各種地下市政管線。線路有近1km在東三環主、輔路間穿行，兩側高樓林立，施工對沉降控制要求極高。

圖1 盾構區間線路與南、北小街8號樓鄰近關系平面示意

本區間線路距建筑物較近的區段是在三源里建筑群區域，2條隧道位于三環內側輔路下，左線隧道緊貼三環主路高架橋布置，右線隧道與左線隧道凈距5m，右線隧道另一側是沿街由北向南的北小街8號樓、南小街2號樓、6號樓、8號樓、泛旅大廈等，隧道由北向南掘進，如圖2所示。

圖2 盾構區間線路及南北小街8號樓鄰近關系

2 控制標準

1)現場勘測表明，該住宅樓上部結構墻面裂縫較多，墻壁與屋面板有錯動痕跡，板間連接件也存在部分腐蝕，可知結構整體性較差。并且壁板式結構本身存在缺陷，所以，該住宅樓結構整體剛度與強度均較差，對建筑物基礎的不均勻沉降敏感。

2)右線地鐵隧道施工會使該建筑發生靠近隧道側的不均勻沉降。

3)工程測量表明，此住宅樓存在1/1 000左右的傾斜；建筑物西北端向前傾斜1/1 000，其東南段向左、向后各傾斜1/1 000。

4)地基基礎控制標準：建筑物整體傾斜控制在1/1 000內，基礎(臨街外墻)的最大沉降量應控制在10mm以內。

5)盾構隧道穿越南小街8號樓地基鄰域時，應對建筑物鄰域管線變形加強控制，以防地下水的水力作用引起地基土(特別是⑥2粉土層、⑦1中粗砂、⑦2粉細砂層)局部坍塌，誘發管道漏水，從而導致建筑物地基劇烈變形。

在南小街群樓中，南小街8號樓的結構質量最差，且與盾構隧道距離最近。在此，對南小街8號樓受隧道施工的影響程度進行了分析計算。

南小街8號樓于1981年設計建成，該建筑物高37.40m、長80.70m、寬13.12m，地上12層、地下2層；主體為壁板式結構，地下2層承重墻為現澆鋼筋混凝土結構，為片筏式鋼筋混凝土基礎，結構整體強度與剛度均較差，如圖3所示。

圖3 南小街8號樓與右線盾構隧道的位置關系

3 沉降預測分析方法

3.1 Peck公式法

Peck認為在不排水情況下，地表沉降槽體積與地層損失體積相等。假定地層損失沿隧道長度分布均勻，且沉降槽橫向近似為正態分布。

如圖4所示，因此提出如下地表沉降分布的預計公式：

圖4 地表橫向沉降槽

(1)

(2)

(3)

式中：Vi為隧道單位長度的地層損失；S(x)為距隧道軸線x位置地表沉降值；Smax為隧道軸線位置地表最大沉降值；φ為內摩擦角；Z為隧道軸線埋深；i為地表沉降槽寬度系數。

O’Reilly等發現i的取值與隧道軸線埋深近似呈線性關系，即提出另外一種更簡捷的計算i值的方程式：

i=K·Z

(4)

式中：K為沉降槽的寬度系數；Z為隧道的軸線埋深。

Z的取值建議黏性土為0.4～0.6、砂土為0.25～0.45，所以i=0.35×13.2=4.62。至此，最大沉降量Smax只和單位長度的地層損失Vi有關。最大軸線沉降量按20mm考慮，所以根據式(4)與式(1)得出盾構所側穿的建筑物外的最大沉降為：

但Peck公式無法考慮地表已有荷載情況下的沉降槽分布，在掘進擾動和地表荷載情況下，土體會進一步向隧道方向移動，會加劇不良沉降發生。為了進一步演算土體在地表構筑物的作用下向盾構隧道移動的趨勢和程度，需采用數值模擬方法。

3.2 數值分析研究

通過理論計算得出盾構施工對8號樓影響較大，本工程原設計方案地面設置隔離樁，由于工程實施過程中遇到當地居民干涉，未能實施隔離樁措施。為確保盾構安全穿越，經多次專家會論證，并會同工程各方進行了地鐵線路局部改線。改線后兩隧道凈距僅2m。

為了更好地分析盾構施工對建筑物的影響，在此對距隧道最近的南小街8號樓在隧道施工過程中的影響進行數值模擬分析計算，首先建立靜態模型(見圖5)，用來確定在允許變形范圍內最合適的注漿壓力；其次，對盾構施工所造成的建筑物沉降進行動態數值模擬。

圖5 計算模型

采用的軟件是基于有限差分的數值計算軟件Flac系統，它是目前世界上最優秀的巖土工程數值分析軟件之一。

首先通過Flac系統進行建模，模型尺寸邊界為3倍隧道直徑。盾構外徑為6.25m，襯砌外徑為6m，隧道埋深17.5m。模型考慮左、右線最小凈距所在Ⅳ—Ⅳ斷面(Ⅳ—Ⅳ斷面前后各取3.6m)，模型范圍為70m×7.2m×39m，x軸方向為水平向右，y軸方向為垂直向上，z軸方向為沿隧道方向向前。

3.2.1Flac模型物理條件確定

3.2.1.1地應力

地層水平向側壓力為垂直壓力乘以側壓力系數：

(5)

3.2.1.2邊界條件

該模型側面和底面為位移邊界，側面邊界視為連桿支座，底部邊界視為鉸支座。模型上表面為地表，取為自由邊界。

3.2.1.3變形模式、強度準則

該模型變形模式為大應變變形模式，強度準則采用莫爾-庫侖準則。

3.2.1.4南小街8號樓靜荷載等價

因缺乏相關設計資料，南小街8號樓建筑物作用于其筏基的應力參考GB 50009—2019《建筑結構荷載規范》估算，每層按15kN/m2考慮，簡化為矩形均布荷載。計算時此均布荷載由筏基傳遞作用于地基上。

3.2.2計算模擬步驟

研究地表沉降與圍巖變形受到盾構隧道壁后注漿壓力的影響，研究步驟如下。

1)地層在自重作用下達到固結沉降平衡，之后對位移場賦0。

2)首先進行左線隧道的開挖求解，待求解平衡后再進行右線隧道開挖，由于在注漿之間存在應力釋放，因此還要繼續計算一定的時步。

3)隨著添加注漿壓力、管片等邊界條件，達到計算平衡。

4)對計算結果進行分析。

本文主要研究不同注漿壓力下地表的沉降與圍巖變形，對監控點布置如圖6，7所示，其中19號監測點監測的是南小街8號樓地基。

圖6 地表監測點布置

圖7 隧道管片及圍巖監測點布置

3.2.3計算參數選取

根據三元橋—亮馬河區間試驗段地質勘察報告、各層巖土計算參數選取，如表1所示(從地表至計算深度)。

表1 模型物理力學參數

3.2.4基本假定

1)注漿壓力直接作用于圍巖上，且沿徑向分布。

2)注漿效果較好，盾構開挖間隙完全填充。

3)注漿填充及時，注漿前地層未出現明顯坍塌。

4)管片強度與剛度均較大，足夠承受注漿壓力，在注漿過程中不會產生管片混凝土破壞或連接螺栓破壞。

3.2.5計算與分析

由于同步注漿壓力對計算襯砌管片內力等結果影響較大，在數值模擬過程中對注漿壓力設定了6種狀態，用以揭示注漿對地層的作用機理。同步注漿的壓力形式如圖8所示。

圖8 盾構壁后注漿壓力示意

具體的監測點數值模擬結果如表2所示。

由表2可得出以下結論。

表2 不同注漿壓力下引起監測點的位移變化情況 mm

1)當注漿壓力<0.2MPa，且逐漸接近0.1MPa時，地表沉降值很大。隨著注漿壓力變小，地層沉降越嚴重。

2)當注漿壓力>0.2MPa，且逐漸接近0.4MPa時，地表沉降量很小，能有效控制建筑物沉降在10mm內。

3)當注漿壓力>0.4MPa，且逐漸趨近0.6MPa時，地表沉降量可得到很好控制，但過大的注漿壓力會對區間襯砌結構造成破壞。

總之，從以上結果得知，隨著注漿壓力增大，地層的沉降可得到很好控制。

3.2.6初步結論

由圖9可得出以下結論。

圖9 1點與2點的y向位移

右線隧道的壁后注漿會對本線路管片有一定影響，但影響較小。總體趨勢為隨著注漿壓力增大，兩側邊墻向外側鼓出，底板與頂板向隧道中間鼓出。右線隧道的壁后注漿也對左線隧道管片有一定影響，隨著注漿壓力增大，左線隧道出現輕微上浮趨勢。

1)當注漿壓力過大時，易造成盾構管片破損及盾尾密封系統損壞，且還可能剪斷管片間連接螺栓，造成隧道嚴重變形破壞。

2)當注漿壓力過小時，漿液不能及時填充管片外部空隙，圍巖向管片方向塌陷，可能導致地表沉降，以致影響地表建筑物或地下管線安全。

3)右線隧道對應地面住宅樓按評估要求，地面沉降應控制在10mm內，通過數值模擬分析結果，建議采用的注漿壓力為0.25～0.4MPa。

3.2.7動態開挖模擬

通過FLAC3D內嵌的fish語言進行編程，實現了本工程中復雜巖層的定義，較準確地模擬實際地層傾斜交錯尖滅狀況。整個模型范圍大小調整為70m×120m×39m，其他包括物理準則、變形模式、靜荷載等價均與上述模型一致，改變后的三維模型如圖10所示。盾構隧道與既有建筑關系如圖11所示。

圖10 三維模型

圖11 盾構隧道與既有建筑關系(單位：m)

為了更好地監測盾構推進時地表沉降情況，在建筑物和隧道沿線布置5道監測斷面和11個實際監測點，如圖12所示。

圖12 改線后隧道布局(單位：m)

由于左線隧道要提前通過該區域，且離建筑較遠，所以左線隧道先行掘進，穩定后再進行右線隧道掘進。

1)地層位移變化分析(見圖13，14)

圖13 改線后Ⅰ—Ⅰ～Ⅴ—Ⅴ斷面處地層位移變化

圖14 改線后Ⅵ—Ⅵ斷面地表沉降曲線

通過數值模擬研究得出以下結論：①左線隧道開挖完畢、右線隧道未開挖時，左線隧道開挖引起南小區8號樓最大地基沉降為3.11mm；②右線開挖完畢后，南小街8號樓地基最大沉降為8mm，可滿足施工要求。

2)圍巖狀態對比分析

本小節將主要用顏色塊圖來表示圍巖的彈塑性狀態，涉及一些術語說明如下：shear-n表示圍巖正處于剪切破壞過程中，shear-p表示在過去的施工過程中圍巖已產生剪切破壞,tension-n表示圍巖正處于拉伸破壞過程中,tension-p表示在過去的施工過程中圍巖已產生拉伸破壞,none表示圍巖未受擾動。

分析計算結果如圖15所示。

圖15 改線后Ⅰ—Ⅰ，Ⅱ—Ⅱ，Ⅴ—Ⅴ斷面處塑性狀態

考察隧道開挖對圍巖產生擾動影響程度的方法之一就是，研究隧道開挖施工后引起圍巖彈塑性狀態的變化。通過上述方案對比分析，得出以下結論：南小街8號樓周圍地層雖受擾動，但進入塑性區的區域不大，對樓體的安全不會造成很大影響。

3.3 現盾構掘進采取的措施

1)盾構掘進前，必須詳細調查周邊管線和建筑的參數，如管線類型、距離隧道關系及建筑物的基礎尺寸、基礎埋深、建設年代層高等。

2)在靠近建筑物掘進前，先進行不小于建筑物范圍長度的試驗，獲取試驗段的掘進參數、注漿壓力、掘進姿態等。本工程現場選取30m試驗段，對盾構掘進參數、注漿壓力進行了分析優化。

3)在穿越既有建筑物前，要保持良好的盾構姿態，穿越過程中要盡量避免過大糾偏。

4)注漿壓力按現場試驗參數進行調整，為了防止漿液損失，可適當加大密封油脂注入量。

3.4 現場實測數據與數值模擬數據對比分析(見表3與圖16)

表3 現場實測數據與數值模擬數據對比分析 mm

圖16 改線后現場實測與計算模擬數據對比平面(單位：m)

地表監控量測采用地表和深層觀測相結合的方法。一般情況下，盾構掘進過程中隧道中心線的地面沉降和隆起量應控制在10～30mm。有特殊保護要求的南小街8號樓區段應予以嚴格控制。

通過現場實測數據與數值模擬數據對比分析，得出以下結論：右線隧道掘進結束后，地表最大沉降為-19.03mm，南小街8號樓地基沉降最大值為-8.17mm，樓房傾斜值為0.001 7，都控制在極限沉降值和極限傾斜值允許范圍內。

4 結語

1)對即將穿越的地表建筑物做深入調查非常必要，對其使用年限、結構形式、基礎類型、現有損壞程度等情況要有一個全面的掌握。

2)注重盾構試驗段數據積累與分析，控制盾構掘進過程中各項參數與建筑物沉降之間相互影響的內部規律。

3)進行合理同步注漿、二次注漿，通過實驗室試驗、現場監測等手段獲得最佳漿液配合比、注漿壓力和注漿量等參數。

4)制訂必要的安全預案，防患于未然。

5)未來隧道開挖面臨更復雜的問題，大數據必然是發展趨勢，在詳細調查現場地質情況的基礎上，采用數值模擬分析并結合開挖過程隧道及周邊建筑物的信息化監測，及時調整施工措施，確保周邊環境和建筑物安全，是下一步盾構工程施工亟待解決的問題。