盾構下穿誘發框架結構沉降實測與模擬分析

劉庭金,陳培釗,蔡良怡,林志威

(1.華南理工大學亞熱帶建筑與城市科學全國重點實驗室,廣東 廣州 510640;2.華南理工大學土木與交通學院,廣東 廣州 510640)

0 引言

在城市地下空間開發過程中,新建盾構隧道下穿既有建筑的情況越來越常見。盾構施工會不可避免地擾動周邊地層,誘發建筑基礎發生沉降或隆起,進而影響上部結構的正常使用,甚至危及結構安全。為此,盾構隧道施工對上方既有建筑的影響越來越引起工程師和專家學者的重視。

近年來國內學者對盾構下穿誘發既有建筑的影響做了進一步的分析與總結,主要包括:①基于Peck公式、Mindlin解、隨機介質定理等既有理論,推導復雜條件下的地表沉降計算式[1-3];②基于具體工程的實測數據分析既有結構的沉降特性,并討論下穿施工的控制要點、加固措施等內容[4-5];③通過模型試驗探討特定條件下盾構誘發地表沉降、結構響應的特點[6-7];④通過數值模擬預測或反演分析盾構下穿對既有結構的影響,并進行關鍵參數的敏感性分析[8-9]。

綜上可知,預測和控制盾構對既有結構的影響,是本研究的重點。但現階段盾構下穿地表建筑的案例分析主要針對磚混結構和低層框架結構,下穿多層及高層框架結構的實測分析相對較少,一般以數值模擬為主。朱逢斌[10]通過室內模型試驗和數值模擬的方法,系統研究了盾構誘發鄰近多層框架結構的附加位移、附加內力及地表沉降;陳大川等[11]探討了盾構側穿時淺基礎框架結構對空間相對位置的敏感性;張煜等[12]模擬分析了天津軟土地區盾構平行下穿引起樁基礎框架結構的位移和內力變化規律。

本文以廣州市綜合管廊盾構斜交下穿既有中高層框架結構為研究對象,通過現場監測和數值模擬,分析盾構施工誘發上部框架結構的沉降響應規律,為類似工程的研究提供參考。

1 工程概況

1.1 隧道概況

本區間綜合管廊為單線盾構隧道,采用土壓平衡盾構機施工。規劃線路周邊分布有較多建筑物,環境條件復雜,對施工質量和沉降控制要求較高。其中盾構隧道第337～385環下穿民用綜合樓,是本區間隧道工程的重點之一。

盾構隧道由東北向西南斜交穿越綜合樓,下穿區段位于R=250m的平面小曲線內,隧道頂部平均埋深為28.3m,采用C50管片錯縫拼裝,管片外徑6.0m,內徑5.4m,厚0.3m。

1.2 建筑物概況

盾構下穿的綜合樓竣工于20世紀90年代初,含南側居民樓及北側辦公樓兩部分,為8～10層的中高層框架結構。居民樓的結構平面布置為倒板凳形,南樓結構高度約為23.9m,東樓和西樓結構高度約為25.8m。北側辦公樓結構平面布置相對簡單,結構高度約為28.9m。盾構隧道平面位置如圖1所示。

圖1 盾構隧道平面位置

綜合樓采用錘擊沉管灌注樁基礎,樁基直徑480mm。鑒于綜合樓竣工時間久遠,成樁資料缺失,無法確定具體位置的樁基長度,僅能確定樁長范圍為9～14m,則樁底與隧道頂部距離≥10.39m。二者之間所夾土層主要為⑦強風化炭質頁巖層、⑧中風化炭質頁巖層。地質縱剖面如圖2所示。

圖2 盾構隧道地質縱剖面

盾構施工前,第三方檢測機構對綜合樓現狀進行評估,評定其完損等級為基本完好,局部需修繕處理。但考慮到綜合樓結構老化、累積變形及現狀裂縫等問題,需充分重視盾構下穿誘發綜合樓的結構響應,并做好控制措施。

1.3 建筑保護方案

為減小盾構施工可能誘發的建筑沉降,本工程采用“地面注漿+洞內超前注漿”的方案對綜合樓進行地基加固。

地面注漿方案擬在綜合樓周邊布設23個注漿加固孔,如圖3所示。對深度為25～29m的強、中風化炭質頁巖層進行預注漿加固。但考慮到綜合樓周邊地面作業條件有限,需避開既有房屋、管線等,地面注漿實際加固范圍可能不足,因而同時采用洞內超前注漿的方法,盡量減少加固盲區。

圖3 地面注漿加固平面

洞內超前注漿方案為在隧道內采用小型鉆機對刀盤前上方3m范圍內的土體進行預注漿加固,維持開挖面上方土體的穩定,如圖4所示。超前注漿采用雙液漿,凝固時間約20s,采用注漿壓力和注漿量雙重控制,以土倉壓力變化值為參考。注漿倉壓不超過0.35MPa,注漿壓力范圍為3.5～3.8MPa。

圖4 洞內超前注漿示意(單位:m)

最終地基加固效果如圖5所示。此外,根據盾構穿越的實時監測數據,必要時采用袖閥管跟蹤注漿,控制房屋的沉降與傾斜。

圖5 地面及洞內注漿加固剖面

2 建筑沉降監測結果及分析

2.1 沉降監測點布置

綜合管廊盾構斜交下穿綜合樓的時間為2021年8月12日至2021年9月1日。盾構從東北向西南掘進,先下穿辦公樓東側,再下穿居民樓西側,采用幾何水準測量方法監測穿越過程中的建筑沉降。綜合樓結構的沉降觀測點平面布置如圖6所示。

圖6 現場觀測點平面布置

2.2 北側辦公樓沉降監測結果及分析

盾構施工過程中北側辦公樓各測點的沉降時程曲線如圖7所示。測點最大過程沉降約為5.87mm,發生在JC29-14點。

圖7 北側樓沉降時程曲線

由于辦公樓東側JC29-1,JC29-12,JC29-14等觀測點均距下穿位置較近,易受盾構施工影響,故其沉降量相對較大,且沉降過程表現出一定規律,可大致分為主要沉降、沉降回彈、沉降穩定3個階段。

1)在主要沉降階段,上述東側觀測點連續數日沉降量快速增加,最大沉降速率達2.2mm/d,說明辦公樓在盾構下穿期間受到了較大擾動。推測有以下幾方面原因:①下穿綜合樓前,盾構機已停機在綜合樓前約18m位置較長時間,而根據相關研究,盾構重新啟動掘進對土體的擾動作用和影響范圍遠大于正常掘進的情況[13];②對于R=250m的小曲線轉彎段,通常需在彎道內側進行超挖,盾尾同步注漿未能及時填充封閉超挖區,且盾構機在彎道內外兩側的附加推力和側摩阻力分布不均,對地層擾動較大[2];③盾構穿越過程中,前方盾體重度較大,會在一定程度上壓實土層,引起土體沉降。

2)在沉降回彈階段,東側觀測點沉降曲線出現明顯拐點,逐步回彈,回彈總量最大達到3mm,此時盾構已穿越東側觀測點斷面一定距離。結合本工程的盾構施工方案,并對照類似下穿工程[14],推測沉降回彈包括以下兩方面原因:①為控制觀測點的沉降速率及后續沉降,通過管片預留注漿孔進行洞內徑向注漿,注漿補償了部分地層沉降,使沉降有所回彈,待到漿液完全硬化會再發生輕微沉降,隨后穩定;②由于盾構通過后的卸載效應,地基土逐步松弛回彈,帶動隧道結構發生隆起,使地表結構沉降有所減小。

3)在沉降穩定階段,各觀測點的沉降量基本穩定在4mm以內,但鑒于觀測點布設位置受限,部分盾構正下穿柱基的敏感位置未能設置觀測點,需進一步通過數值模擬手段進行預測分析。

2.3 南側居民樓沉降監測結果及分析

盾構先側穿居民樓東側,再下穿居民樓西側,對東西兩側觀測點分別進行討論,各測點的沉降時程曲線如圖8,9所示。

圖8 南側樓東側沉降時程曲線

圖9 南側樓西側沉降時程曲線

居民樓東側觀測點最大過程沉降約為3.71mm,發生在JC29-15觀測點,距離盾構下穿位置較近,其沉降發展規律與北側辦公樓的JC29-1,JC29-12,JC29-14等觀測點相似。東側剩余觀測點距隧道下穿位置較遠,最大沉降穩定在3mm左右。

居民樓西側觀測點最大過程沉降約為4.27mm,發生在JC29-19觀測點。西側觀測點可大致分為兩個沉降階段:①主要是盾構下穿居民樓前的掘進影響,過程最大沉降為3.14mm,沉降速率較小;②主要是盾構下穿居民樓的影響,各觀測點沉降量在此階段達到最大值,并于盾構穿過后有2mm左右的沉降回彈。雖缺少后續穩定階段的沉降監測數據,但從整體上看,南側居民樓各測點的沉降變化較小。

3 盾構下穿過程的數值模擬

3.1 數值模型建立

鑒于現場觀測點的空間布置受限,未能獲取足夠的數據對綜合樓各敏感位置的地表沉降、柱基沉降、不均勻沉降及整體傾斜進行分析。為進一步分析盾構誘發中高層框架結構的響應,結合相關工程資料及實測數據,采用MIDAS GTS NX有限元軟件建立三維數值模型進行反演分析。

考慮到上部結構剛度對下部基礎及土體沉降的約束作用,采用板單元和梁單元模擬綜合樓框架結構的樓蓋和結構柱,并在每層樓面施加等效均布荷載模擬傳至基礎的建筑荷載。同時,考慮到結構存在的老化問題,需對結構剛度進行折減,對彈性模量取折減系數0.8。

根據盾構下穿施工的影響范圍,考慮邊界效應,建立的數值模型如圖10所示。尺寸為130m×115m×60m,模型長度和寬度取至建筑物邊緣外40m,模型底部距隧道底部約25m,并對數值模型四周施加法向位移約束,底面施加固定位移約束,頂面自由。

圖10 三維數值模型

模型假定地層水平向均勻分布,根據場地地質資料將其由上往下依次劃分為填土、粉質黏土、全風化巖、強風化巖、強-中風化巖過渡層、中風化巖。其中,考慮到隧道周邊實際強、中風化巖層交替,模型增加了強-中風化過渡層,巖土參數取值在強、中風化巖之間。洞內加固和地面加固的范圍均位于強風化巖層和強-中風化巖過渡層。

模型中土層、等代層、基礎承臺等均采用3D實體單元,盾殼、管片、樓板等采用2D單元,結構柱、樁等采用1D線單元,最終建立的整體模型總計 350 601 個單元,186 086個結點。

3.2 計算參數選取

計算模型中土體、預注漿加固體采用莫爾-庫倫本構,盾殼、管片、等代層、框架結構等采用彈性本構。土體參數和結構參數主要依據巖土工程勘察報告及相關工程經驗取值,如表1,2所示。

表1 數值模型土體計算參數

表2 數值模型結構計算參數

根據施工方案及相關工程經驗,模型計算中土倉壓力取值0.30MPa,同步注壓力取值為0.35MPa。

3.3 掘進過程模擬

盾構掘進模擬過程如圖11所示。先對盾構前上方土體進行預加固,再通過鈍化土體、激活盾殼及盾體質量、施加掌子面壓力模擬隧道的開挖過程。然后激活管片和等代層網格,并通過施加注漿壓力和改變注漿層的材料屬性的方法來模擬注漿和漿液硬化過程。

圖11 盾構掘進示意

4 數值模擬結果及分析

盾構穿越綜合樓時與JC29-1,JC29-14位置對應的柱基沉降發展曲線如圖12所示。柱基沉降曲線在回彈階段的回彈量較小,致使最終沉降與實測結果相差較大。這是由于常規的盾構模擬工況并沒有考慮實際工程中洞內二次注漿的抬升作用。

圖12 不考慮二次注漿的柱基沉降發展曲線

為進一步擬合實測結果的沉降曲線,充分考慮洞內二次注漿的抬升作用,在距離開挖面一定距離的管節施加二次徑向注漿壓力,進一步修正模型,得到修正后的柱基沉降曲線如圖13所示。對比可知,修正后的柱基沉降曲線與實測結果基本吻合,表現為沉降-回彈-穩定3個階段。由此對綜合樓的結構響應展開分析。

圖13 考慮二次注漿的柱基沉降發展曲線

4.1 沉降分析

基于上述數值模型,為方便討論框架結構柱基的響應規律,對柱基位置重新編號,如圖14所示。盾構施工時北側辦公樓和南側居民樓的柱基最大沉降發展曲線如圖15所示。

圖14 柱基平面布置

圖15 柱基最大沉降發展曲線

由圖15可知,北側辦公樓柱基的最大過程沉降為6.7mm,最大穩定沉降為4.0mm,均發生在B6位置。辦公樓A8,B7,B6,B5,C5,C4等柱基依次被盾構下穿,依次出現柱基過程沉降的較大值。南側居民樓柱基的最大過程沉降為6.2mm,發生在D3位置;最大穩定沉降為3.5mm,發生在G1位置。在盾構側穿居民樓東側時,距隧道軸線較近的D7,D6柱基沉降較大;但在下穿居民樓西側時,正下穿位置的D3,E3,E2,F1等柱基沉降更大。

提取1—1斷面垂直于隧道軸線方向的地表沉降曲線如圖16所示,地表沉降主要發生在距盾構軸線5倍洞徑內的區域。距盾構軸線越近,地表沉降就越大。且在盾構開挖面超過測點一定距離后,測點地表沉降方達到最大值。但在二次注漿作用下,最終地表沉降會有所減小。

圖16 地表沉降曲線

結合柱基沉降較大值的分布位置及地表沉降曲線可得出,在盾構軸線沿線位置的柱基沉降更大,受盾構施工影響顯著。柱基與盾構隧道的空間相對位置關系是決定柱基沉降大小的重要因素。

4.2 不均勻沉降分析

進一步統計在盾構全過程相鄰柱基的差異沉降,典型值如表3,4所示。北側樓最大差異沉降為3.2mm,差異沉降比為0.40‰;南側樓最大差異沉降為2.0mm,差異沉降比為0.44‰。

表3 北側樓相鄰柱基差異沉降

表4 南側樓相鄰柱基差異沉降

根據GB 50007—2011《建筑地基基礎設計規范》,在地基土為中、低壓縮性土時,框架結構的相鄰柱基沉降差與柱距之比不得超過0.002,即2‰。因此,本工程盾構誘發綜合樓的不均勻沉降均小于規范容許值。

由圖16可知,在盾構隧道邊緣兩倍洞徑范圍內,地表沉降曲線的斜率較大,表明在該范圍內的鄰近柱基沉降差異較大。同時結合表3,4統計的差異沉降較大的柱基位置,可知相鄰柱基差異沉降的較大值主要發生在距盾構軸線較小距離的柱基之間,且以柱基連線與盾構軸線相交角度較大的柱基為主。

此外,以B軸柱基為代表,提取北側樓辦公樓縱柱基沉降變化曲線如圖17所示。盾構下穿前,距離開挖面最近位置的柱基最先發生沉降,縱向沉降曲線為懸臂形;隨著盾構的掘進,縱向沉降曲線在下穿位置附近出現反彎點,逐漸變為中間下凹型形;在盾構穿越北側樓一定距離后,由于二次注漿影響,下凹段曲線逐漸變緩,北側樓最終的縱向差異沉降變小。

圖17 B軸柱基沉降變化曲線

4.3 整體傾斜分析

根據《建筑地基基礎設計規范》,當建筑高度Hg滿足24m

盾構穿越過程中,辦公樓的最大水平位移為10.1mm,最大整體傾斜為0.35‰,發生在C1角點;居民樓的最大水平位移為7.1mm,最大整體傾斜為0.30‰,發生在H1角點。綜合樓的整體傾斜均小于規范容許值。

在盾構穿過后的穩定階段,辦公樓的最大水平位移為6.87mm,最大整體傾斜為0.24‰;居民樓的最大水平位移為4.9mm,最大整體傾斜為0.19‰。此時綜合樓的整體傾斜值相對盾構穿越時有所降低,經分析主要得益于盾構穿越后的沉降回彈現象。

根據綜合樓各角點的水平位移方向,繪制綜合樓各角點的傾斜趨勢如圖18所示。在盾構大范圍斜交下穿辦公樓過程中,辦公樓各角點有圍繞盾構線路逆時針扭轉變形的趨勢。而居民樓結構布置相對復雜,盾構僅小范圍斜交下穿居民樓的西北側,因而盾構對居民樓整體的影響主要表現為側穿影響,居民樓表現為整體向西北傾斜的趨勢。

圖18 建筑角點傾斜示意

4.4 洞內二次注漿效果分析

為分析洞內二次注漿在中高層框架結構響應中所發揮的作用,對比有無洞內二次注漿兩種條件下綜合樓的結構響應,結果匯總如表5所示。

表5 各工況下的結構響應

在無洞內二次注漿條件下,柱基在穩定階段的最大沉降略小于過程最大沉降,但不均勻沉降、整體傾斜與過程最大值基本一致。

在有洞內二次注漿條件下,柱基最大過程沉降小于無二次注漿條件的情況,且在穩定階段的最大沉降、不均勻沉降、整體傾斜均小于過程最大值。

因此,在盾構掘進后及時進行洞內二次注漿,能減小地表框架結構在穩定階段的沉降、不均勻沉降以及整體傾斜。

5 結語

本文以廣州市綜合管廊盾構斜交下穿既有中高層框架結構為例,對現場沉降監測數據進行了分析,并基于實測數據進行數值反演,進一步討論了盾構穿越誘發中高層框架結構的沉降及傾斜影響。

1)根據沉降實測數據,本工程盾構正下穿位置的柱基沉降過程可分為主要沉降-沉降回彈-沉降穩定3個階段。

2)基于數值模擬,柱基沉降的較大值主要發生在盾構軸線沿線位置;柱基差異沉降的較大值主要發生在距盾構軸線較小距離的柱基之間,且以柱基連線與盾構軸線相交角度較大的柱基為主。

3)盾構穿越位置會影響框架結構的傾斜趨勢。盾構大角度大范圍斜交下穿時,框架結構有圍繞盾構線路發生空間扭轉的趨勢;盾構近距離側穿或小范圍斜交下穿時,框架結構有整體向盾構側傾斜的趨勢。

4)在盾構穿越后及時進行洞內二次注漿,能減小上方框架結構在穩定階段的沉降、不均勻沉降及整體傾斜。

本文結論依托于實際工程,旨在為相關研究和類似工程提供參考。不同的基礎形式、地層條件、空間關系等均會影響地表框架結構的響應,針對具體工程仍需具體分析。