超大直径盾构隧道穿越并列布置建筑群影响分析

李明杰，张孟喜，凌宇峰，方小明

(1.上海大学力学与工程科学学院,上海 200444; 2.上海隧道工程股份有限公司,上海 200032)

引言

近年来,随着城市建设的快速发展,城市地下空间得到了大力开发,新建隧道修建时由于线路受限,不可避免地需要下穿既有建(构)筑物,对其造成沉降或上浮变形影响[1-2],影响其正常使用,甚至引发工程事故,造成巨大的社会影响。

关于盾构隧道穿越对地表及周边建筑影响的研究,PECK[3]和SAGASETA[4]最早提出了地表沉降经验公式,并被广泛用于隧道开挖引起的地表沉降预测;FRANZIUS[5]、韩煊[6]在考虑既有建筑结构对地面沉降的约束作用下,对Peck公式进行了修正;魏纲等[7]提出了隧道开挖引起的三维地表沉降计算公式;SKEMPTON等[8]通过对相关工程实例调研确定了地表变形允许差异沉降值和总沉降值;章慧健等[9]研究了隧道与建筑物不同距离对建筑物影响的强弱分界方法;吕志涛等[10]研究了岩体蠕动对隧道下穿建筑物的影响;丁智[11]通过建立能够体现建筑物与土体协同作用的力学模型,分析了盾构施工对既有建筑物的变形和内力分布影响规律;戴轩[12]、ZHONG[13]、张亚洲等[14]通过数值模拟的方法研究了隧道穿越过程中建筑物及地表沉降变形规律;鲁茜茜[15]、张学富[16]研究了双线隧道不同开挖顺序对建筑变形的影响;潘涛[17]、黄兴[18]研究了盾构穿越不同土质对地表变形和建筑物沉降规律。

上述研究一定程度上可以为隧道穿越建筑群时的沉降预测和控制提供借鉴,但当穿越建筑数量较多时,如何确定建筑物的监测范围以及建筑物沉降受周围建筑影响范围和规律显得尤为重要。上海市超大直径盾构隧道北横通道盾构直径15.56 m,盾构段共穿越89处建筑物,下穿环境极为敏感的城市核心区,工程穿越建筑数量之多、施工难度之大尚属罕见。采用数值模拟和现场监测相结合的方法,对隧道穿越过程中建筑沉降进行分析,并在此基础上根据现场建筑排列特点建立了并列布置建筑群,通过设计4种不同穿越工况,研究地表及隧道上方建筑受周围横向布置建筑和纵向布置建筑的影响范围和规律,以期为今后类似盾构下穿建筑群工程提供指导。

1 工程概况

上海市北横通道工程西接中环北虹路东至内江路,是中心城区北部东西向车辆的特殊通道,全线总长19.1 km,盾构段全长6.4 km,盾构机外径15.56 m,为软土地区超大直径泥水平衡盾构隧道。根据前期的摸排和统计,北横通道盾构段共穿越建筑89处,其中下穿建筑30处,侧穿建筑59处。下穿30处建筑物中,均为多层建筑,基础形式大部分为条形基础,仅有4处建筑有桩基。侧穿59处建筑物中,有18处为多层建筑,基础形式为条形基础,其余41处建筑基础形式较好,为各类桩基础。工程沿线穿越建(构)筑物数量多,情况复杂,图1中标记点位为工程沿线穿越建(构)筑物分布。

图1 工程沿线建(构)筑物分布示意

以北横通道Ⅱ标东段一建筑群节点为研究对象,该节点区段从中山公园东侧兆丰别墅至华阳路,隧道覆土深度仅有18.5 m,主要穿越了兆丰别墅、迅发公寓、上海公务管理中心大楼3处建筑,穿越建筑基本特征如表1所示。这些建筑年代较久远,基础形式大多为浅基础,结构相对较差,建筑的长边多数都平行于隧道轴线或与隧道轴线呈较小的角度,是该工程中所穿越建筑的典型排列方式,建筑群分布如图2所示。

表1 穿越建筑基本特征

2 盾构隧道穿越建筑群有限元分析

2.1 模型建立

采用Midas GTS有限元软件,建立隧道开挖穿越建筑群有限元模型。模型几何尺寸为300 m×300 m×70 m。盾构隧道直径15 m,隧道埋深18.5 m,隧道衬砌采用预制单层管片,管片外径15 m,内径13.7 m,环宽2 m,管片采用C60混凝土。模型上表面设置为自由面,侧面限制水平位移,底面限制水平和竖向位移。为实现地层与建筑基础两者之间的协调变形,将两者之间接触面处的单元节点耦合,即在网格划分时将接触面处的节点合并,地层与建筑基础共享重合节点。有限元模型如图3所示。

2.2 参数设置

模型中土层根据工程勘察报告自上而下依次为:①杂填土、②褐黄-灰黄色黏土、③灰色淤泥质粉质黏土、④灰色淤泥质黏土、⑤草黄-灰色粉砂、⑥草黄-灰色粉细砂。将衬砌管片后受扰动的土体以及注浆情况等效成均质等厚的等代层,盾尾注浆采用干粉砂浆在现场拌和后的浆液,浆液28 d后弹性模量为14.75 MPa[2]。土体采用Mohr-Coulomb本构模型,土体和注浆层采用实体单元,盾构机外壳和管片采用壳体单元。各材料物理力学参数见表2。

为简化计算,将建筑物荷载直接以压力的形式加载到建筑基础上。根据GB50009—2012《建筑结构荷载规范》中相关规定,将每层楼荷载取为12 kN/m2,基础所受压力依据基础面积和层高进行设置。

2.3 盾构隧道开挖过程模拟

盾构隧道开挖前,进行地应力平衡,对土体位移场清零。盾构开挖时,通过激活、钝化不同区域单元组和荷载组以及改变单元的属性模拟盾构施工过程中土体开挖、管片拼装和同步注浆等施工过程,每个施工步开挖1环(2 m)土体,盾构开挖1环时的模拟过程为:①钝化1环开挖范围内的土体单元,并激活该范围内的盾壳单元,模拟盾构机向前掘进开挖过程;②激活开挖面支护力,模拟盾构开挖面泥水压力对土体的支撑作用,开挖面支护力采用0.8倍的土层静止土压力,并考虑应力梯度上小下大;③激活盾尾的管片和等代层单元,模拟盾构施工过程中管片拼装和同步注浆过程,通过改变浆液的弹性模量模拟浆液硬化过程,等代层未硬化段持续3环,浆液硬化前弹性模型为硬化后的20%。依次类推直至开挖结束。

2.4 建筑沉降对比分析

上海公务管理中心大楼7号楼因建筑形状不规则,且盾构隧道横穿整座建筑物,因此在施工过程中对其进行重点监测。图4为7号楼基础角点沉降值的监测结果和模拟结果。由图4可以看出,盾构掘进过程中各点沉降呈现不同幅度的增长趋势。A、B两个角点的沉降值随隧道的掘进变化较大,A点的最大沉降达到了37 mm,是因为这两点基本位于隧道的正上方,且靠近盾构后方建筑群。隧道开挖时,地层受到扰动,地层与建筑基础之间长期建立的应力平衡被打破,建筑基础反力重分布,进而产生附加应力。隧道在穿越建筑群时,地表建筑的沉降一方面是由盾构隧道施工引起的,另一方面是由周围建筑基础受扰动产生的土体附加应力引起的。D点也位于隧道的正上方,但由于距离盾构后方建筑群相对较远,沉降值相对较小。F点距离隧道较远,基础沉降变化最小。

表3为盾构穿越过程中各点最大沉降值监测结果和模拟结果对比情况。最大沉降均在A点,监测结果为37.22 mm,模拟结果为36.29 mm,误差仅为2.5%。建筑物各点的沉降差异较大,最大差异沉降达到了35 mm。建筑沉降的模拟结果与现场监测结果基本吻合,证明了模型的有效性,建模过程及方法可用于类似工程中建筑基础的沉降预测。

表3 7号楼基础各角点最大沉降

3 盾构隧道穿越并列布置建筑群沉降影响分析

超大直径盾构隧道穿越建筑群时,受周围建筑的影响,隧道上方建筑各角点的沉降值差别较大,建筑的差异沉降将导致结构内力发生变化,建筑容易产生裂缝,影响其正常使用功能。为进一步探究隧道穿越建筑群时单幢建筑变形受其他建筑的影响规律,建立不同建筑数量和布局的隧道穿越工况模型,对隧道穿越建筑群时单幢建筑基础变形进行分析。

3.1 穿越工况设计

穿越方式由建筑物与隧道的空间相对位置来定义,方小明[19]根据建筑在Peck横向沉降槽内所处位置对穿越方式进行了划分:当建筑物位于沉降槽反弯点之内时,定义为下穿;当建筑物位于反弯点之外时定义为侧穿,如图5所示。沉降槽宽度i根据ATTEWELL[20]提出的公式进行确定

图5 基于Peck公式对穿越方式定义简图

(1)

式中,K和n均为常数,黏土取1;R为隧道半径;h为隧道埋深。

通过对北横通道工程现场的建筑群调研分析,发现超过70%建筑物的长边平行于开挖方向或与开挖方向成较小角度。为方便研究,建立了如图6所示的并列布置建筑群模型,各建筑的长边平行于隧道轴线方向,建筑形状尺寸均相同,长、宽、高分别设置为15,7.5,9 m,层高3层。

图6 并列式布置建筑群(单位:m)

结合下穿和侧穿区域的定义,根据建筑边缘与隧道轴线最小距离Lmin、建筑中心与隧道轴线距离L、隧道半径R以及沉降槽宽度i之间的关系,设计以下4种不同穿越工况,如图7所示。

图7 不同穿越工况剖视

工况1:正下穿(L=0)建筑3。

工况2:正下穿建筑3和侧穿(Lmin>i)建筑1。

工况3:正下穿建筑3、侧穿建筑1和偏下穿(0

工况4:正下穿建筑3和4、侧穿建筑1和2和偏下穿建筑5和6。

通过工况1～工况3研究隧道正上方建筑3受横向建筑群的影响规律,再通过工况4研究纵向建筑群的影响。

3.2 盾构隧道穿越并列布置建筑群有限元模型

采用Midas GTS有限元软件,建立盾构隧道开挖穿越建筑群有限元模型,如图8所示。模型几何尺寸为220 m×200 m×70 m,隧道长220 m,盾构直径15 m,覆土厚度18.5 m。为节约计算时间,除第一环和最后一环开挖环宽为2 m,中间各环设置每3环(6 m)作为一个施工步,共计38个施工步。4种不同工况中除建筑物荷载不同外,其余设置均相同。模型中各材料参数、边界条件、荷载施加以及隧道开挖过程均与图3所示模型相同。

图8 盾构穿越并列布置建筑群有限元模型

3.3 结果分析

3.3.1 地表沉降分析

选取图6中经过建筑3和建筑4中点且垂直于隧道轴线的断面作为分析对象。图9为该断面地表处的沉降曲线,当地表无建筑物时,隧道开挖引起的地表沉降最大值为18.95 mm,相比于地表有建筑物工况,其沉降值最小。工况1和工况2沉降曲线基本重合,且沿隧道轴线对称,最大沉降值为20.62 mm,比无建筑时大8.8%,说明正下穿区域建筑(建筑3)引起地表沉降增加,侧穿区域建筑(建筑1)对地表沉降几乎无影响。工况3中地表最大沉降值为21.63 mm,比无建筑时大14.14%,该工况下沉降曲线呈非对称“V”形,偏下穿区域建筑(建筑5)引起隧道轴线两侧出现非对称沉降,且建筑数量越多,沉降越大,轴线两侧非对称沉降越明显,工况4中最大沉降值达到了24.68 mm,比无建筑时大30.24%。不同工况下对沉降槽曲线在x=±30 m(2D)范围内有所影响,在这范围之外基本一致,因而确定隧道轴线两侧2D范围为主要沉降影响区,施工过程中对该范围进行重点监测。

图9 不同工况下地表沉降曲线

3.3.2 建筑3基础沉降分析

图10为建筑3基础4个角点沉降变化曲线。从图10中可以看出,各点的沉降规律基本相同,沉降值受周围建筑物的布局和数量有所不同。开挖前土体受开挖面压力产生隆起趋势,进而导致建筑先产生隆起变形。当盾构开挖到建筑3底下时,建筑A、D两点由于土体开挖引发的地层损失开始快速沉降,随着盾构推进,B、C两点也开始快速沉降。A、D和B、C分别在距离AD断面40 m和60 m左右时沉降达到最大值,建筑物沉降与盾构开挖存在一定的“滞后效应”[12],因此,对于建筑的监测应持续到其变形稳定为止。贺美德等[21]根据实测结果得到盾构离开建筑物60 m后建筑物的沉降才趋于稳定,与本文结论一致。

图10 不同工况下建筑3的基础沉降

图11为建筑3基础各角点不同工况下的最大沉降。从图11中可以看出,工况1下各点的最大沉降几乎相同,为27 mm左右。随着建筑群数量的增加,建筑最大沉降和差异沉降增加,工况4下最大沉降为31.5 mm,提高了16.7%,最大差异沉降为3.3 mm。工况2中C、D两点的沉降减小约0.5 mm,说明侧穿区域内建筑对隧道轴线另一侧建筑沉降有抑制作用,工况3中C、D两点的沉降又出现大幅增长,是因为下穿区域内的建筑比侧穿区域带来的扰动更大。

图11 建筑3角点最大沉降

3.3.3 建筑3基底附加应力分析

隧道开挖后,建筑基础与地层之间的平衡关系被打破,建筑基础对土体产生新的附加应力。设σ为土体受隧道开挖产生的竖向附加应力

σ=σz-σini

(2)

式中,σz为土体竖向应力;σini为地应力平衡后的土体竖向应力。

图12为建筑3中心处基底竖向附加应力变化曲线,从图12中可以看出,不同工况下基底附加应力变化趋势一致,但大小不同。刚开始时受掌子面挤压力的影响,基底附加应力逐渐降低,工况4中附加应力变化幅度明显相对较小,说明纵向建筑群对地层及建筑隆起变形有更好的抑制作用。当隧道开挖到建筑物附近时,基底附加应力快速增加,工况4中建筑数量越多,增加幅度越大,对基础沉降的影响越大。当开挖面距AD断面40 m左右时,角点A、D沉降趋于稳定,基底附加应力有所减小;当开挖面距AD断面60 m左右时,建筑3整体沉降趋于稳定,附加应力出现小幅度增长后也逐渐趋于稳定。

图12 建筑3中心处基底附加应力

隧道穿越建筑群过程中,地层附加应力与建筑基础沉降两者之间相互影响是一个连续复杂的动态耦合过程。一方面,隧道施工引起地层沉降,导致地层与建筑基础之间应力平衡关系被打破,产生附加应力。另一方面,附加应力又进一步导致地表建筑产生沉降。当隧道穿越建筑群之后,地层应力不断调整,逐渐达到一个新的应力平衡状态。对比开挖前后,基底附加应力出现不同程度的增加,纵向布置的建筑群(工况4)对建筑基底附加应力的影响更加明显,说明开挖后隧道上方建筑受邻近纵向方向建筑的影响更大。

3.3.4 建筑3基础倾斜率分析

图13为建筑3基础倾斜率变化曲线,图13(a)和图13(c)为沿隧道纵向方向上倾斜率,可以看出,4种工况中AB(或DC)的倾斜率均随着隧道开挖先增大后减小,最大倾斜率约为1‰。由于A、D两点在盾构开挖的过程中先发生沉降,因而沿纵向上有向A、D先发生倾斜的趋势,随着盾构开挖的推进,B、C两点也开始发生沉降,倾斜率开始减小。对于工况4,当盾构远离建筑群后,由于B、C受右侧建筑影响,相对沉降比A、B大,因而建筑3沿纵向朝B、C两点发生倾斜的趋势。

图13 不同工况下建筑3的基础倾斜率

图13(b)和图13(d)中为建筑3沿隧道横向方向上倾斜率,可以看出,建筑横向倾斜率相对较小,下穿区域内的建筑决定了倾斜方向,建筑群的数量影响倾斜大小,工况4中建筑群数量最多,横向最大倾斜率仅有0.26‰。建筑在纵向的最大倾斜率大于横向倾斜率,在盾构穿越建筑过程中,应重点关注建筑的纵向倾斜。根据《建筑地基基础设计规范》[22]中相关规定,对于多层建筑整体倾斜不宜超过2‰,建筑3在各工况中倾斜率均满足要求。

4 结论

以北横通道下穿建筑群为背景,研究盾构穿越并列布置建筑群时,不同建筑数量及布局对隧道上方建筑变形和地表沉降影响规律,得到以下主要结论。

(1)受周围建筑群和与隧道轴线距离的影响,上海市公务管理中心建筑各角点的沉降差异较大,最大沉降为37.22 mm,最大差异沉降为35 mm。

(2)侧穿区域建筑对地表沉降无影响,下穿区域建筑引起地表沉降增加,偏下穿区域建筑引起地表沉降曲线呈现非对称“V”形。不同工况下地表沉降主要影响区域为隧道轴线两侧2D范围,施工过程中应对该范围进行重点监测。

(3)隧道正上方建筑最大沉降比周围无建筑时提高了16.7%,最大差异沉降提高了3.3 mm。侧穿区域内建筑对隧道轴线另一侧建筑沉降有抑制作用,下穿区域内的建筑对隧道上方建筑的扰动较大。隧道穿越建筑前,纵向方向的建筑群对该建筑的隆起变形有抑制作用,穿越后,纵向方向的建筑群对该建筑的沉降影响更大。

(4)对于长边平行于隧道轴线的建筑,纵向倾斜率随盾构开挖变化较大,最大为1‰,横向倾斜变化相对较小,施工过程中应重点关注建筑纵向倾斜变化。