上软下硬地层下盾构近距离穿越房屋影响分析

李晓生,王 建,刘小文

(1.中铁隧道集团三处有限公司,深圳 518052;2.南昌大学工程建设学院,南昌 330031)

近年来,盾构法成为地铁施工首要施工方法,但在盾构过程中不可避免地要穿越建筑物,如何控制建筑物的沉降及倾斜在一定的安全范围内是必须解决的重大技术和安全问题。国内大量学者对地铁盾构进行了研究,王谦等[1]对盾构近距离下穿建筑物进行数值模拟,研究成果指导施工并保护了建筑物的完整性与安全性;魏纲等[2]基于杭州地铁1号线某区间盾构隧道下穿建筑物工程实例,对双线盾构隧道施工过程中引起的建筑物和地表沉降进行了现场监测,研究了双线盾构隧道掘进施工引起不同位置、不同结构建筑物的沉降规律。丁智[3]对杭州地铁1号线打铁关站—闸弄口站区间工程进行了现场实测,研究了盾构掘进对土体变形及邻近不同基础建筑物的影响。葛世平等[4]结合上海某地铁隧道穿越地面既有严重倾斜危房的工程实例,计算分析盾构穿越引起的施工期沉降、后期固结沉降及其对房屋的影响。车风等[5]以某地铁盾构隧道穿越建筑物浅基础的工程项目为背景,采用有限元模拟的方法,分析了隧道下穿浅基础的偏心比、埋深对浅基础及地表土体变形的影响规律。刘欢[6]利用有限差分软件FLAC3D,分析了盾构施工以小净距侧穿桥桩对既有桥桩的影响;

刘雪娇、鲁茜茜等学者[7-9]对软土层下地铁盾构的影响性做了研究;闫国栋等学者[10-12]对盾构隧道下穿、侧穿建筑物进行变形预测分析;秦学波等学者[13-14]分别对北京地区与郑州地区地铁盾构下穿建筑物风险控制措施进行了研究。

上述研究在一定程度上可以为地铁盾构穿越软弱地层提供借鉴,但对于南昌地区上软下硬地层下双线盾构隧道下穿建筑物的影响研究较少。南昌地铁轨道交通4号线桃苑站～绳金塔站近距离下穿建筑物,该区间处于上软下硬地层,如何控制地表沉降、房屋变形是必须解决的重大技术和安全问题。

1 工程概况

南昌市轨道交通4号线桃苑站～绳金塔站区间位于南昌市西湖区,本区间出绳金塔站明挖区间后,沿金塔西街(美食街)向西,于海关桥南侧下穿抚河,过抚河后进入桃苑大街接入桃苑站。据统计本区间共下穿建筑物5栋,侧穿12栋建筑物。距离隧道最近的建筑物金塔西街位置见图1。

图1 房屋所在地理位置平面示意图Fig.1 Location plan of the house

金塔西街7#楼距离隧道最近,其为地上2层框架结构,基础为人工挖孔桩,桩径0.9～1.4 m,桩底标高11.55 m,桩顶标高21.55 m,桩身处于中砂层。左线隧道下穿建筑,建筑物桩底距离隧道最小垂直距离7.05 m;盾构区间隧道拱顶埋深6.29～19.2 m,地铁盾构穿越土层位于粗砂层及中风化泥质粉砂岩,属于上软下硬地层,如图2、3所示。

图3 桩基与隧道关系剖面Fig.3 Relationship section between pile foundation and tunnel

2 盾构下穿建筑物影响性分析

2.1 计算模型

为了减少自然边界条件对模型的影响,模型的长宽高取60 m×36 m×45 m,X、Y、Z方向见图4。桩身直径为0.9 m,每一层取均布荷载20 kPa作用于桩上,两层小楼荷载为40 kPa,数值计算模型如图4所示。垂直面水平向约束、模型底面竖向约束。共划分36 632个单元。

2.2 计算参数

采用plaxis 3D软件进行模拟计算中土体采取弹塑性模型,桩采用桩单元,管片采用板单元,具体的土层及相关结构参数均结合勘察报告取值,如表1。

图4 计算模型图Fig.4 Calculation model diagram

表1 土层及相关结构材料参数Table 1 Parameters of soil layer and related structural materials

2.3 盾构施工模拟

根据区间工程岩土工程勘察报告提供的地质情况及隧道埋深等情况,进行理论计算切口平衡压力;正面平衡土压力公式p=k0×γ×h,其中:p为平衡压力;γ为土体的平均重度;h为隧道埋深;k0为土的侧向静止土压力系数,隧道穿越粗砂层(,砂层容重约为20.5 kN·m-3,地层静止侧压力系数取值k0=0.38,h取20.5 m,土压力p=k0γh=160 kPa。

分析三种盾构顺序对建筑物影响。方案一为先进行右线隧道施工,待右线隧道施工完毕之后再进行左线隧道施工;方案二为先进行左线隧道施工,再进行右线隧道施工;方案三为双线同时盾构施工。

单侧隧道分为30个开挖步数,每一个开挖步骤为管片长度1.2 m,共36 m,双侧隧道开挖步数共60个。首次经过桩基的盾构步数为15步。

桩基与隧道的位置关系如图5所示。

2.4 模拟结果分析

不同盾构顺序下的沉降云图如图6、7、8所示,可以看出沉降云图均呈两个“漏斗状”。三个方案沉降发生的最大值均在拱顶处,方案一、二、三的拱顶处沉降最大值分别为0.81、0.86及0.94 mm,方案三拱顶处沉降最大。

图5 桩基与隧道位置关系图Fig.5 Layout diagram of house observation points

图6 方案一沉降分布云图Fig.6 Cloud map of settlement aistributim in scheme Ⅰ

图7 方案二沉降分布云图Fig.7 Cloud map of settlement distribution in scheme Ⅱ

图8 方案三沉降分布云图Fig.8 Cloud map of settlement distribution in scheme Ⅲ

图9为不同方案下最终地表沉降,从图9可以看出三个方案对地表沉降影响范围略有不同,沉降影响范围为两隧道中心两侧范围大约15、18及20 m左右。方案一地表沉降最大点在隧道中轴线右侧。其值为-0.41 mm;方案二地表沉降最大点在隧道中轴左侧,其值为-0.32 mm;方案三地表沉降最大点在隧道中轴处,其值为-0.52 mm。可以看出方案一对左侧地表沉降影响最小。

图9 不同方案的地表沉降Fig.9 Surface subsidence of different schemes

隧道盾构过程地表最大沉降如图10所示,可以看出随着隧道不断开挖,地表沉降不断发展,最终方案一地表最大沉降为0.49 mm;方案二地表最大沉降为0.73 mm;方案三地表最大沉降为0.98 mm。

图10 地表最大沉降Fig.10 Maximum surface settlement

1#桩距离盾构隧道最近,盾构对1#桩影响最大。图11为盾构对1#桩沉降影响曲线。

图11 盾构对1#桩沉降影响Fig.11 Influence of shield on settlement of 1# pile

从图11可以看出,随着盾构开挖面距离桩基距离越近,对桩影响就越大;当盾构开挖面距离桩5 m时,盾构对桩沉降影响较大;开挖面出桩5 m后,桩沉降速率减小,沉降逐渐趋于稳定。方案一、二、三桩基沉降最大值分别为0.60、0.75、0.82 mm。沉降量均不大。

通过对三个不同施工方案的模拟,并将其结果进行对比,可以看出方案一对房屋桩基影响最小及地表沉降影响最小,所以实际施工中采取方案一进行。

图12为方案一模拟值与实际监测的数据对比图。可以看出数值计算结果与实测结果规律相同,模拟得到桩沉降为0.60 mm,实际沉降结果为0.78 mm,两者较接近。

图12 1#桩基沉降对比Fig.12 1# Comparison of pile foundation settlement

图13为方案一地表最大沉降计算结果与实测对比图。可以看出随着盾构的进行,地表最大沉降不断发展。计算地表最大沉降为0.49 mm,实际监测沉降结果为0.63 mm,两者亦较接近。

图13 地表最大沉降Fig.13 Maximum surface settlement

无论从房屋桩基沉降还是地表沉降的角度看,计算结果与实测结果较接近,说明数值模拟方法正确,也说明采用方案一盾构方案对地表沉降及桩沉降影响最小。

2.5 盾构施工参数影响分析

1)开挖速度的影响

图14为不同开挖速度下建筑物桩基沉降。随着开挖速度的增大,建筑物的桩基沉降会减少;这是因为开挖速度越快,土层固结时间就越短,使得桩基沉降随之减小。但开挖速度增至4环/d后,开挖速度对桩端沉降的影响逐渐减小。

图14 开挖速度对桩基的影响Fig.14 Influence of excavation speed on pile foundation

2)掌子面压力的影响

图15为不同掌子面压力下桩基沉降。可以看出随着掌子面压力的增大,桩基的沉降不断增大,掌子面压力为160 kPa,桩基沉降为0.60 mm;当掌子面压力增大到240 kPa时,桩基沉降为0.78 mm;当掌子面压力为320 kPa时,桩基沉降为1 mm。这是因为掌子面的压力越大,对土体的扰动越大,沉降就会增大。合理选取掌子面的压力对桩沉降影响非常重要。

图15 掌子面压力对桩基的影响Fig.15 Influence of tunnel face pressure on pile foundation

3)盾构隧道与桩端位置关系影响

为分析盾构隧道与桩位置关系对地表沉降影响规律,选取了左侧隧道顶与1#桩端不同距离及左侧隧道与1#桩之间不同的水平距离进行分析。图16为盾构隧道与桩端不同位置关系下地表最大沉降曲线。从图可以看出,随着桩与隧道最近水平与垂直距离增大,地表沉降逐渐减小,这是因为开挖面距离房屋越远,对房屋的影响性就越小。当左侧隧道顶与1#桩端垂直距离超过7 m,隧道与1#桩之间水平距离的大小对1#桩沉降影响较小。

图16 开挖面位置对建筑物的影响Fig.16 Influence of excavation face position on buildings

3 结论

1)通过对双线盾构隧道不同施工顺序模拟得出先进行左线盾构施工,再进行右线施工对地表沉降、建筑物桩基沉降影响最小。模拟结果与实测结果较吻合,盾构施工对建筑物影响很小,施工顺序合理。

2)盾构施工时,当盾构开挖面距离桩5 m时,盾构对桩沉降影响较大;开挖面出桩5m后,桩沉降速率减小,沉降逐渐趋于稳定。

3)盾构开挖施工速度越快,土体的固结时间越少,开挖速度增至4环/d后,开挖速度对桩端沉降的影响逐渐减小;掌子面压力越大,对土体的扰动越大,建筑物桩基沉降越大,采用侧向静止土压力系数计算掌子面压力合理可行;盾构开挖面与建筑物水平及垂直距离越大,地表最终沉降越小,当开挖面与建筑物桩基最近垂直距离超过7 m时,开挖面与建筑物的水平距离大小对桩沉降影响较小。