盾構(gòu)法電力隧道沉降對鄰近建筑物影響研究

于 唯，屠 越，王小龍

（1.國網(wǎng)江蘇省電力有限公司 南京供電分公司，江蘇 南京 210098；2.江蘇科能巖土工程有限公司，江蘇 南京 211102）

隨著我國城市建設(shè)的不斷推進和發(fā)展，對電力的需求顯得尤為突出，為推進城市供電設(shè)施建設(shè)，保障安全、持續(xù)、可靠供電，必然需要對電力基礎(chǔ)設(shè)施投入大量的資源。然而隨著土地價格攀升，城市空間密集化，城市人口和車輛的不斷增加造成地面擁堵，并且市區(qū)內(nèi)架空線送電方式將逐步淘汰，轉(zhuǎn)為地下輸送等一系列現(xiàn)象，向地下空間發(fā)展已經(jīng)成為今后城市建設(shè)的必然趨勢。在這種趨勢下，國內(nèi)已實施了多種工法的電力專用隧道，包括明挖法和各種非開挖工法。其中明挖法使用最多，工程經(jīng)驗豐富；盾構(gòu)法因其自動化程度高、對周邊環(huán)境影響小等優(yōu)點迅速發(fā)展。但是盾構(gòu)施工過程中容易對周邊地層產(chǎn)生擾動，引起地層的應(yīng)力釋放和調(diào)整，從而危及鄰近既有建筑物的安全。

鑒于此，國內(nèi)外專家和學(xué)者進行了大量研究。本文總結(jié)已有研究，依托南京市望江-莫愁220kV線路工程，利用有限元軟件Midas／GTS NX 建立三維模型。通過建立不同建筑物基礎(chǔ)形式、隧道與既有建筑物的水平距離、盾尾壁后注漿效果、掌子面推力的計算模型，分析其在盾構(gòu)施工過程中對鄰近既有建筑物的影響。最后，提出盾構(gòu)施工過程中進行安全控制的建議，為后期實際隧道安全施工及監(jiān)測提供參考。

1 工程概況

為改善南京河西地區(qū)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，擬建設(shè)望江-莫愁220kV 線路工程，采用盾構(gòu)法施工。盾構(gòu)隧道路徑全長1 085m，隧道埋深14～18m，支護采用預(yù)制混凝土管片，管片外徑為3m，內(nèi)徑為2.5m，標(biāo)準(zhǔn)環(huán)管片環(huán)寬1m。

本項目位于城市中心地段，兩側(cè)房屋密集，且多為1995 年拆遷安置房，基礎(chǔ)形式包括樁基礎(chǔ)和筏板基礎(chǔ)，建筑年代久遠，故對變形控制要求較高。沿線地基土層的埋藏條件和分布特征及隧道施工埋深如圖1 所示。盾構(gòu)隧道施工所在地層為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層，該層呈軟塑、飽和狀態(tài)，開挖面以上涵蓋雜填土、素填土和粉質(zhì)黏土，其中隧道軸線與建筑物的最短垂直距離為11.5m。

圖1 地層條件及隧道施工與建筑物位置關(guān)系

2 三維有限元模型建立和模型驗證

2.1 模型建立和參數(shù)取值

本文選取2 個典型斷面進行分析。為確保分析結(jié)果不受邊界約束的影響，模型尺寸需足夠大，避免邊界對開挖的影響，整體三維模型如圖2 所示。第一個斷面兩側(cè)建筑物均為銀城花園小區(qū)，故命為DC-2 和DC-8 用以區(qū)分，其中建筑物DC-2 為樁基礎(chǔ)，基礎(chǔ)埋深25m，建筑物DC-8 為筏板基礎(chǔ)，基礎(chǔ)埋深1.5m，層高均為7層，隧道軸線距離建筑物DC-2 和DC-8 水平距離均為11.5m。第二個斷面兩側(cè)為宏圖香榭里小區(qū)（DC-18）和金舟花園小區(qū)（DC-23），基礎(chǔ)形式均為樁基礎(chǔ)，基礎(chǔ)埋深均為25m，建筑物DC-18 層高為7 層，距離隧道軸線水平距離為17m，建筑物DC-23層高為9 層，距離隧道軸線水平距離為13.9m。

圖2 三維幾何模型建立

綜合考慮運算效率和精度，建筑物基礎(chǔ)、襯砌、隧洞開挖部分因受力復(fù)雜進行適當(dāng)加密。根據(jù)地質(zhì)報告，兩個斷面附近地層分布較為均勻，假設(shè)土體厚度按均勻設(shè)置，采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型，結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)和管片采用線彈性模型，模型中樁基礎(chǔ)采用等剛度轉(zhuǎn)換成地下連續(xù)墻進行分析。結(jié)合周邊環(huán)境調(diào)查報告和巖土工程地勘報告，建模參數(shù)取值如表1 所示。

表1 材料參數(shù)取值一覽表

2.2 模型驗證

為驗證本文三維數(shù)值模型的可靠性與準(zhǔn)確性，選取已施工完成的南京地鐵7 號線古平崗路站-福建路站區(qū)間左線盾構(gòu)隧道穿越鄰近建構(gòu)筑物為實例，對現(xiàn)場實測得到的沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)與有限元得到的模擬數(shù)據(jù)進行匯總、對比分析。驗證項目盾構(gòu)線路總長864.434m，隧道線路埋深約15.52～25.07m，盾構(gòu)隧道外徑6.2m，內(nèi)徑5.5m，管片襯砌厚度0.35m，環(huán)寬1.2m。盾構(gòu)穿越地層主要位于粉質(zhì)黏土層，其上分別為粉砂、素填土、雜填土，其下為中風(fēng)化砂巖。

盾構(gòu)區(qū)間開挖至150～180 環(huán)時，盾構(gòu)左線側(cè)穿建筑物X-7（鎮(zhèn)江路6 號診所），該建筑物為7層磚混結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)形式為條形基礎(chǔ)，埋深2.3m，左線盾構(gòu)隧道軸線距離建筑物最短水平距離約為9.6m，如圖3 所示。

圖3 盾構(gòu)隧道左線與X-7建筑物相對位置關(guān)系

由于建模方式、本構(gòu)模型、施工工況等與2.1 節(jié)基本一致，建筑物自重荷載按照實體折算，故直接給出模擬結(jié)果。現(xiàn)選取幾個具有代表性的測點，包括地表沉降監(jiān)測點DB24-09，建筑物沉降測點JCJ77 在不同盾構(gòu)環(huán)數(shù)下變形結(jié)果，以及DB24 斷面各測點的最終沉降值進行對比分析，結(jié)果如圖4 所示。

圖4 數(shù)值模擬結(jié)果與實測結(jié)果對比

從沉降對比曲線可以看出，地表沉降和建筑物沉降均隨盾構(gòu)施工的前進，沉降值增大，各類沉降監(jiān)測點的實際變形曲線與模擬結(jié)果較為接近，但是我們發(fā)現(xiàn)部分地表沉降監(jiān)測點和建筑物沉降監(jiān)測點出現(xiàn)向上隆起的現(xiàn)象，其原因可以分為以下幾點：施工時出土不平衡，刀盤對前方土體有擠壓作用，致使前方土體和建筑物上移；壁后注漿量過大也會擠壓周圍土體，出現(xiàn)隆起現(xiàn)象；現(xiàn)場大量機械行駛和盾構(gòu)施工產(chǎn)生的振動等因素在某種程度上也會影響地表和建筑的變形。然而數(shù)值模擬過程存在一定程度的簡化，不存在超挖和欠挖，故變形較為平緩且均呈現(xiàn)下降的趨勢。其中DB24-09 最終沉降值為5mm，模擬結(jié)果為4.2mm，相對誤差僅為16%，JCJ77 最終模擬結(jié)果較實際沉降值小0.5mm，相對誤差為10%，絕對誤差均控制在1mm 以內(nèi)。

綜上所述，利用MIDAS／GTS NX 可以較為真實的模擬盾構(gòu)隧道施工對周邊環(huán)境的影響，選取的參數(shù)、本構(gòu)模型和邊界條件較為合理，結(jié)果較為可靠，可作為本項目研究的參照依據(jù)。

3 計算結(jié)果與分析

由于現(xiàn)場還未施工，無法得到相應(yīng)的盾構(gòu)施工環(huán)數(shù)。故首先我們定義本模型中盾構(gòu)施工起點為0 環(huán)，盾構(gòu)施工終點為80 環(huán)，即本模型中一共模擬施工80 環(huán)。第一個斷面中當(dāng)盾構(gòu)施工至15～67 環(huán)范圍內(nèi)，隧道側(cè)穿兩邊建筑物，第二個斷面中當(dāng)盾構(gòu)施工至15～65 環(huán)范圍內(nèi)，隧道側(cè)穿兩邊建筑物，如圖5 所示。

圖5 兩個斷面相對位置示意圖

3.1 盾構(gòu)施工對不同基礎(chǔ)形式的影響

第一個斷面兩側(cè)建筑物分別DC-2 和DC-8，距離開挖面水平距離均為11.5m，其中建筑物DC-2 為樁基礎(chǔ)，建筑物DC-8 為筏板基礎(chǔ)。提取兩側(cè)建筑物隨盾構(gòu)掘進步數(shù)不斷增加產(chǎn)生的最大變形整理如圖6 所示。由圖中可以看出，建筑物DC-2 最大總位移為1.8mm，建筑物DC-8 最大總位移為2mm。不同基礎(chǔ)形式隨盾構(gòu)施工前進的變化趨勢較為接近，當(dāng)盾構(gòu)掘進至建筑物斷面中部附近時，變形速率達到峰值，可合理確定盾構(gòu)掘進速度，確保勻速、緩慢掘進。筏板基礎(chǔ)較樁基礎(chǔ)變形略微大一些，但均在規(guī)范規(guī)定的安全范圍內(nèi)，建筑物能保持其穩(wěn)定性。

圖6 不同基礎(chǔ)形式建筑物最大變形與掘進步數(shù)的關(guān)系

3.2 盾構(gòu)施工對不同建筑物水平距離的影響

在圖2 中，斷面DC-2、DC-18 和DC-23均為樁基礎(chǔ)，且樁長相同，與隧道線路的水平距離分別為11.5m、17m、13.9m。現(xiàn)將各建筑物隨盾構(gòu)掘進步數(shù)不斷增加產(chǎn)生的最大變形整理如圖7 所示。

圖7 不同水平距離建筑物最大變形與掘進步數(shù)的關(guān)系

由圖中可以看出，距離盾構(gòu)隧道線路最遠的建筑物DC-18 最大總位移最小，為1.3mm；距離盾構(gòu)隧道線路最近的建筑物DC-2 最大總位移最大，為1.8mm；DC-23 最大總位移達到1.4mm。說明建筑物最大變形與盾構(gòu)線路水平距離呈負(fù)相關(guān)，隨著水平距離的增大，建筑物最大變形出現(xiàn)遞減的趨勢，故在線路設(shè)計過程中，應(yīng)選擇合理的線型。同時，由兩個斷面的變形情況可以看出，盾構(gòu)掘進至建筑物斷面中部時，均出現(xiàn)最大變形速率，此時應(yīng)加強施工監(jiān)測，實時反饋指導(dǎo)施工確保既有建筑物安全。

3.3 不同注漿效果對建筑物變形影響分析

在數(shù)值模擬中，我們將盾尾空隙的大小、注漿填充程度用一個均值的、等厚的等代層來模擬實際注漿過程中的質(zhì)量和注漿效果。本文選取等代層彈性模量E分別為1Pa（模擬盾尾空隙不注漿），15MPa（模擬盾尾空隙填充率為50%），30MPa（模擬盾尾空隙完全填充）來分析其對支護結(jié)構(gòu)以及建筑物變形的影響關(guān)系。

因2 個模型得到的規(guī)律大體一致，故以第一個斷面為例進行分析，得到3 種注漿效果下的位移云圖，將管片變形和建筑物最大變形整理后如圖8 所示。結(jié)果表明：注漿效果對管片變形能產(chǎn)生一定的直接影響，管片變形由16.4mm 上升至24.2mm。由于隧道-土體-基礎(chǔ)-建筑物之間相互作用是一個復(fù)雜的問題，建筑物受注漿效果的影響較弱，但也產(chǎn)生變形增大的趨勢。值得注意的是，雖然管片沉降并未超過規(guī)范規(guī)定的報警值，但是施工過程中會產(chǎn)生各種各樣的不可測因素，并且數(shù)值模擬結(jié)果偏理性化，應(yīng)慎重對待。因此在施工過程中建議采用同步注漿工藝，禁止采用即時注漿，避免注漿不及時導(dǎo)致盾尾附近土體失去原來的平衡；合理設(shè)定注漿壓力和注漿量；合理設(shè)定注漿點位，建議全環(huán)點位注漿。

圖8 不同彈性模量管片和建筑物最大變形曲線

3.4 不同開挖面支護壓力對建筑物變形影響分析

保持其他條件不變的前提下改變掌子面推力大小，本文中原始地層土體側(cè)壓力為177.4kPa，通過大量的模型試算我們選取開挖面支護壓力比分別為0.46（81.9kPa)和0.62（109.2kPa)來研究開挖面穩(wěn)定性及對建筑物變形的影響關(guān)系。

同樣以第一個斷面為例，得到不同支護壓力下開挖面的位移云圖，將開挖面變形和建筑物變形整理后如圖9 所示。可以看出：開挖面變形隨支護壓力的減小迅速增大，呈“陡增”式上升，當(dāng)支護壓力比為0.46（支護壓力為81.9kPa）時，開挖面最大變形達到83.5mm，是原始地層支護壓力下變形的8 倍，嚴(yán)重超出規(guī)范規(guī)定的變形范圍內(nèi)。而建筑物變形因隧道-土體-基礎(chǔ)-建筑物之間變形傳遞機制的復(fù)雜性依舊表現(xiàn)出較弱的變化趨勢，但均出現(xiàn)不同程度的增加。故需要設(shè)定合理的開挖面支護壓力，嚴(yán)格控制開挖面土艙壓力波動范圍；可采取適當(dāng)措施增大管片剛度，減小隧道結(jié)構(gòu)受力變形，如適當(dāng)增大管片厚度、增大配筋、增設(shè)環(huán)間抗剪鍵等。

圖9 不同支護壓力下的開挖面和建筑物最大變形

4 結(jié)論

以南京市望江-莫愁220kV 線路工程的盾構(gòu)施工為研究對象，運用有限元軟件Midas／GTS NX 建立了考慮隧道-土體-基礎(chǔ)-建筑物之間相互關(guān)系的三維數(shù)值模型，并以實際工程為背景對本文三維模型的可靠性和準(zhǔn)確性進行驗證。通過選取不同因素分析盾構(gòu)施工對支護結(jié)構(gòu)和既有鄰近建筑物的變化規(guī)律，提出了施工過程中需要注意的一些合理建議，最后，得出以下結(jié)論。

1）本文采用MIDAS／GTS NX 可以較為真實的模擬盾構(gòu)隧道施工對周邊環(huán)境的影響，選取的參數(shù)、本構(gòu)模型和邊界條件較為合理，相對誤差控制在16%以內(nèi)。

2）不同建筑物基礎(chǔ)形式隨盾構(gòu)施工前進的變化趨勢接近，樁基礎(chǔ)最大位移為1.8mm，筏板基礎(chǔ)最大位移為2mm，相同水平距離下筏板基礎(chǔ)較樁基礎(chǔ)變形略微大一些，相同基礎(chǔ)形式下建筑物最大變形與盾構(gòu)線路水平距離呈負(fù)相關(guān)，盾構(gòu)施工至鄰近建筑物斷面中部時，變形速率達到峰值。

3）注漿效果對管片變形能產(chǎn)生直接影響，當(dāng)注漿效果低于一定限值時，管片變形顯著增大，由于隧道-土體-基礎(chǔ)-建筑物之間相互作用的復(fù)雜性，建筑物受注漿效果影響較弱，但仍呈現(xiàn)變形增大的趨勢。

4）開挖面變形隨支護壓力的減小呈“陡增”式上升，當(dāng)支護壓力比為0.46 時，開挖面變形增至原始地層變形的8 倍，嚴(yán)重超出規(guī)范規(guī)定的范圍，建筑物變形呈緩慢增加趨勢。

5）由于該線路工程并未施工，后續(xù)可根據(jù)現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)對本模型進行進一步的驗證和優(yōu)化。