盾构隧道侧下穿既有水塔施工安全性影响分析

刘付仓

(中铁十九局集团第二工程有限公司，辽宁 辽阳 111000)

城市的密集发展导致城市轨道工程与其他建设项目越来越集中，近接工程案例层出不穷。在下穿既有建(构)筑物的隧道工程建设中，需要分析在建隧道对既有建(构)筑物造成的影响。国内学者杨建烽等[1]依托盾构隧道下穿既有城市轨道实际工程，对隧道施工控制方法与既有结构的变形之间的关系进行分析。毕景佩等[2]建立区间盾构隧道下穿桥梁计算模型，分析得到了桥桩差异沉降变化规律。

以往关于新建隧道下穿地表既有建(构)筑物的工程案例，多是隧道下穿或近接高速铁路[3-5]、桥梁[6]、桩基[7-11]等工程案例，而从基础侧下方穿越高耸、独立基础水塔案例还未见报道。盾构侧下穿水塔施工会引起水塔基础发生不均匀沉降变形和水平变形，使水塔发生倾斜和附加弯矩，影响结构安全。因此，本文以珠三角城际轨道交通广佛环线东环隧道侧下穿水塔为工程背景，通过数值模拟手段分析新建盾构隧道上下行线对既有水塔建筑物安全性的影响。

1 工程概况

东环隧道属于城市地下隧道，采用复合式土压平衡盾构法施工，在龙洞站至大源站区间上行线DSK30+905.5896、下行线DXK30+916.4882均侧下穿水塔，区间隧道与既有水塔位置关系如图1、图2所示。

图1 隧道与既有水塔平面关系

图2 隧道与既有水塔立 图3 水塔及周围建筑面关系(单位：m)

东环隧道直径为8.8 m，管片内径为8.0 m，管片厚度为0.4 m，环宽1.8 m，C50钢筋混凝土，管片分为7块，采用通用楔形环，错缝拼装，环间通过螺栓连接。盾构隧道拱顶埋深约为42.1 m。

既有水塔基础形式为承台下直径500 mm钻孔钢筋混凝土桩，25根，长度约10 m。水塔塔身柱直径2.5 m，为钢筋混凝土结构，混凝土等级为C25。上部水箱直径为15 m，水塔形式见图3。水塔周边有1层厂房1座，4～6层居民楼若干。

水塔附近地质钻孔揭露的地质分层见表1。

表1 地质状况表

勘察揭露的初见水位埋深为0.60～12.50 m，平均埋深为2.71 m，标高为 21.85～116.35 m，平均标高为 36.80 m；稳定水位埋深为 0.20～12.10 m，平均埋深为2.42 m，标高为 22.15～116.75 m，平均标高为 37.09 m。地下水按赋存方式分为第四系松散土层孔隙水，块状基岩裂隙水，在裂隙发育地段，水量较丰富，渗透系数为 1.05 m/d。

2 建立分析模型

根据隧道埋深及隧道开挖顺序，采用FLAC 3D有限差分元通用程序计算。计算模型所取范围是：沿纵向取100 m，沿横向取115 m，深度取隧道仰拱下方80 m；边界条件为前后、左右方向受水平约束，垂直方向底面受竖向约束，顶面为自由面；计算中地层采用弹塑性实体单元模拟，衬砌管片、水塔结构及基础采用弹性实体单元模拟。

盾构每次推进长度为一环管片宽度(取1.8 m)，土体及管片均采用实体单元，盾构机采用shell单元，数值模拟掘进全过程具体步骤如下：

(1)开挖过程。在开挖面处用一环大刚度、高重度壳单元模拟盾壳对地层的作用，并在掌子面上施加密封舱压力。

(2)管片拼装过程。用管片实体弹性单元替换壳单元，同时删除掌子面上压力，将管片外薄层(注浆层)强度设置为1个很小值(10-6)模拟盾壳空隙。

(3)注浆及凝固过程。注浆层材料强度随掘进开挖进展逐渐增加，以模拟注浆硬化过程。

(4)固结沉降过程。待注浆土层达到设计强度值后，计算至平衡，模拟固结沉降。隧道盾构掘进数值模拟如图4所示。计算过程中，主要应力释放及变形过程发生在管片拼装与注浆及凝固过程。

图4 盾构掘进过程 图5 模型网格划分

计算模型中，采用六面体单元映射划分，建立的模型共150 905个节点，362 950个单元。三维数值计算模型见图5。

综合考虑地下水以及盾构施工扰动对围岩参数的弱化作用，所确定的计算参数见表2、表3。

表2 围岩计算参数

表3 混凝土和钢材物理力学参数

3 隧道开挖对既有水塔的影响规律

计算时先施工上行线隧道，后施工下行线隧道，隧道围岩无注浆加固措施。

3.1 水塔位移分析

3.1.1 竖向沉降

隧道采用盾构法施工过程中水塔竖向沉降如图6所示。由图6可知：盾构隧道施工过程中，既有水塔竖向沉降最大值均发生在水塔顶部，最小值发生在水塔基础下部，盾构隧道工作面距离水塔越近，对水塔的沉降影响越大。下行隧道施工完成(整个隧道施工完成)时，既有水塔顶的最大沉降值为17.8 mm，基础沉降值为14.1 mm。隧道施工过程中水塔顶和基础的沉降变化规律如图7所示。

图6 隧道施工过程中既有水塔沉降云图(单位：m)

由图7可以看出：在隧道施工过程中，水塔塔顶沉降大于水塔基底沉降；上行隧道距离水塔20 m时，水塔基底稍微有点隆起，上行隧道越靠近水塔，水塔基底和塔顶沉降变形越大，上行隧道施工完成，水塔基底和塔顶沉降达到最大值；下行线距离水塔10 m，由于盾构推进会使地表隆起，水塔基底和塔顶沉降变形比上行线施工完成时有所减小，之后沉降值逐渐增大，至下行线施工完成达到最大值。

注：施工状态1代表上行隧道距水塔40 m；施工状态2代表上行隧道距水塔20 m；施工状态3代表上行隧道距水塔0 m；施工状态4代表上行隧道施工完成；施工状态5代表下行隧道距水塔10 m；施工状态6代表上行隧道距水塔0 m；施工状态7代表下行隧道施工完成。下同

3.1.2 水平位移

隧道采用盾构法施工过程中水塔水平变形如图8所示。由图8可以看出：盾构隧道施工工程中，既有水塔水平变形最大值均发生在水塔塔身中部和塔顶，方向向左，随着施工的进行最大水平位移由塔身中部向塔顶转移。水塔基础下部基本无水平变形；盾构隧道工作面距离水塔越近，对水塔顶的水平变形影响越大。下行隧道施工完成(整个隧道施工完成)时，既有水塔顶的最大水平变形值为13.2 mm，基础水平变形值仅为0.1 mm。隧道施工过程中水塔顶和基础的水平变形规律如图9所示。

图8 隧道施工过程中既有水塔水平变形云图(单位：m)

图9 隧道施工过程中水塔水平变形规律

由图9可以看出：在隧道施工过程中，水塔塔顶水平变形远远大于水塔基底变形，基底水平变形量很小；上下行隧道越靠近水塔，水塔塔顶水平变形越大，下行隧道施工完成，水塔塔顶水平变形达到最大值。

既有水塔沉降及水平变形统计见表4。

由表4可以看出：隧道施工完成后既有水塔基础最大沉降值为14.1 mm，水塔最大水平变形13.2 mm，最大基础倾斜tanθ=0.004 0，均在规范《给水排水工程水塔结构设计规程》(CECS139-2002)规定的允许值(低中压缩黏性土、砂土中，20 m

表4 既有水塔基础沉降及塔顶水平变形

3.2 水塔应力分析

隧道施工前后，既有水塔应力分别如图10～图12所示。

由图10～图12可以看出，盾构施工过程中水塔基础与塔身应力增加，既有水塔最大压应力和拉应力见表5。既有水塔结构最大压应力2.92 MPa，小于C25混凝土轴心抗压强度标准值16.7 MPa，增加1.54 MPa；最大拉应力为0.80 MPa，小于C25混凝土轴心抗拉强度标准值1.78 MPa，较施工前增加0.76 MPa。

图10 隧道施工前水塔结构应力(单位：MPa) 图11 上行隧道施工完成水塔结构应力(单位：MPa) 图12 下行隧道施工完成水塔结构应力(单位：MPa)

表5 既有水塔最大压应力和拉应力

4 水平变形引起附加弯矩

根据《高耸结构设计标准》(GB50135-2019)，在水塔塔身截面i处，在塔体竖向荷载作用下由于施工导致的水平位移所产生的附加弯矩Mai可按式(1)计算，计算图式如图13所示。

图13 附加弯矩计算图式

(1)

式中：Gj为j质点的重力荷载；μi，μj分别为i、j质点的由于施工导致的水平位移，计算时仅考虑了基础倾斜和水平位移，未考虑日照温差影响。

计算结果水平变形为13.2 mm，引起的附加弯矩为：Mai=64 kN·m。隧道施工引起的附加弯矩值很小，不会影响水塔结构的安全。

5 结论

(1)采用土压平衡复合盾构，先施工上行线，再施工下行线穿越水塔的施工方案，可保证水塔结构安全。

(2)隧道施工完成后既有水塔基础最大沉降值为14.1 mm，水塔最大水平变形13.2 mm，基础倾斜tanθ=0.004 0，既有水塔结构最大压应力2.92 MPa，最大拉应力0.80 MPa，满足规范要求。

(3)施工引起既有水塔结构的附加弯矩很小，不会影响水塔结构的安全。