盾构下穿诱发框架结构沉降实测与模拟分析

刘庭金,陈培钊,蔡良怡,林志威

(1.华南理工大学亚热带建筑与城市科学全国重点实验室,广东 广州 510640;2.华南理工大学土木与交通学院,广东 广州 510640)

0 引言

在城市地下空间开发过程中,新建盾构隧道下穿既有建筑的情况越来越常见。盾构施工会不可避免地扰动周边地层,诱发建筑基础发生沉降或隆起,进而影响上部结构的正常使用,甚至危及结构安全。为此,盾构隧道施工对上方既有建筑的影响越来越引起工程师和专家学者的重视。

近年来国内学者对盾构下穿诱发既有建筑的影响做了进一步的分析与总结,主要包括:①基于Peck公式、Mindlin解、随机介质定理等既有理论,推导复杂条件下的地表沉降计算式[1-3];②基于具体工程的实测数据分析既有结构的沉降特性,并讨论下穿施工的控制要点、加固措施等内容[4-5];③通过模型试验探讨特定条件下盾构诱发地表沉降、结构响应的特点[6-7];④通过数值模拟预测或反演分析盾构下穿对既有结构的影响,并进行关键参数的敏感性分析[8-9]。

综上可知,预测和控制盾构对既有结构的影响,是本研究的重点。但现阶段盾构下穿地表建筑的案例分析主要针对砖混结构和低层框架结构,下穿多层及高层框架结构的实测分析相对较少,一般以数值模拟为主。朱逢斌[10]通过室内模型试验和数值模拟的方法,系统研究了盾构诱发邻近多层框架结构的附加位移、附加内力及地表沉降;陈大川等[11]探讨了盾构侧穿时浅基础框架结构对空间相对位置的敏感性;张煜等[12]模拟分析了天津软土地区盾构平行下穿引起桩基础框架结构的位移和内力变化规律。

本文以广州市综合管廊盾构斜交下穿既有中高层框架结构为研究对象,通过现场监测和数值模拟,分析盾构施工诱发上部框架结构的沉降响应规律,为类似工程的研究提供参考。

1 工程概况

1.1 隧道概况

本区间综合管廊为单线盾构隧道,采用土压平衡盾构机施工。规划线路周边分布有较多建筑物,环境条件复杂,对施工质量和沉降控制要求较高。其中盾构隧道第337～385环下穿民用综合楼,是本区间隧道工程的重点之一。

盾构隧道由东北向西南斜交穿越综合楼,下穿区段位于R=250m的平面小曲线内,隧道顶部平均埋深为28.3m,采用C50管片错缝拼装,管片外径6.0m,内径5.4m,厚0.3m。

1.2 建筑物概况

盾构下穿的综合楼竣工于20世纪90年代初,含南侧居民楼及北侧办公楼两部分,为8～10层的中高层框架结构。居民楼的结构平面布置为倒板凳形,南楼结构高度约为23.9m,东楼和西楼结构高度约为25.8m。北侧办公楼结构平面布置相对简单,结构高度约为28.9m。盾构隧道平面位置如图1所示。

图1 盾构隧道平面位置

综合楼采用锤击沉管灌注桩基础,桩基直径480mm。鉴于综合楼竣工时间久远,成桩资料缺失,无法确定具体位置的桩基长度,仅能确定桩长范围为9～14m,则桩底与隧道顶部距离≥10.39m。二者之间所夹土层主要为⑦强风化炭质页岩层、⑧中风化炭质页岩层。地质纵剖面如图2所示。

图2 盾构隧道地质纵剖面

盾构施工前,第三方检测机构对综合楼现状进行评估,评定其完损等级为基本完好,局部需修缮处理。但考虑到综合楼结构老化、累积变形及现状裂缝等问题,需充分重视盾构下穿诱发综合楼的结构响应,并做好控制措施。

1.3 建筑保护方案

为减小盾构施工可能诱发的建筑沉降,本工程采用“地面注浆+洞内超前注浆”的方案对综合楼进行地基加固。

地面注浆方案拟在综合楼周边布设23个注浆加固孔,如图3所示。对深度为25～29m的强、中风化炭质页岩层进行预注浆加固。但考虑到综合楼周边地面作业条件有限,需避开既有房屋、管线等,地面注浆实际加固范围可能不足,因而同时采用洞内超前注浆的方法,尽量减少加固盲区。

图3 地面注浆加固平面

洞内超前注浆方案为在隧道内采用小型钻机对刀盘前上方3m范围内的土体进行预注浆加固,维持开挖面上方土体的稳定,如图4所示。超前注浆采用双液浆,凝固时间约20s,采用注浆压力和注浆量双重控制,以土仓压力变化值为参考。注浆仓压不超过0.35MPa,注浆压力范围为3.5～3.8MPa。

图4 洞内超前注浆示意(单位:m)

最终地基加固效果如图5所示。此外,根据盾构穿越的实时监测数据,必要时采用袖阀管跟踪注浆,控制房屋的沉降与倾斜。

图5 地面及洞内注浆加固剖面

2 建筑沉降监测结果及分析

2.1 沉降监测点布置

综合管廊盾构斜交下穿综合楼的时间为2021年8月12日至2021年9月1日。盾构从东北向西南掘进,先下穿办公楼东侧,再下穿居民楼西侧,采用几何水准测量方法监测穿越过程中的建筑沉降。综合楼结构的沉降观测点平面布置如图6所示。

图6 现场观测点平面布置

2.2 北侧办公楼沉降监测结果及分析

盾构施工过程中北侧办公楼各测点的沉降时程曲线如图7所示。测点最大过程沉降约为5.87mm,发生在JC29-14点。

图7 北侧楼沉降时程曲线

由于办公楼东侧JC29-1,JC29-12,JC29-14等观测点均距下穿位置较近,易受盾构施工影响,故其沉降量相对较大,且沉降过程表现出一定规律,可大致分为主要沉降、沉降回弹、沉降稳定3个阶段。

1)在主要沉降阶段,上述东侧观测点连续数日沉降量快速增加,最大沉降速率达2.2mm/d,说明办公楼在盾构下穿期间受到了较大扰动。推测有以下几方面原因:①下穿综合楼前,盾构机已停机在综合楼前约18m位置较长时间,而根据相关研究,盾构重新启动掘进对土体的扰动作用和影响范围远大于正常掘进的情况[13];②对于R=250m的小曲线转弯段,通常需在弯道内侧进行超挖,盾尾同步注浆未能及时填充封闭超挖区,且盾构机在弯道内外两侧的附加推力和侧摩阻力分布不均,对地层扰动较大[2];③盾构穿越过程中,前方盾体重度较大,会在一定程度上压实土层,引起土体沉降。

2)在沉降回弹阶段,东侧观测点沉降曲线出现明显拐点,逐步回弹,回弹总量最大达到3mm,此时盾构已穿越东侧观测点断面一定距离。结合本工程的盾构施工方案,并对照类似下穿工程[14],推测沉降回弹包括以下两方面原因:①为控制观测点的沉降速率及后续沉降,通过管片预留注浆孔进行洞内径向注浆,注浆补偿了部分地层沉降,使沉降有所回弹,待到浆液完全硬化会再发生轻微沉降,随后稳定;②由于盾构通过后的卸载效应,地基土逐步松弛回弹,带动隧道结构发生隆起,使地表结构沉降有所减小。

3)在沉降稳定阶段,各观测点的沉降量基本稳定在4mm以内,但鉴于观测点布设位置受限,部分盾构正下穿柱基的敏感位置未能设置观测点,需进一步通过数值模拟手段进行预测分析。

2.3 南侧居民楼沉降监测结果及分析

盾构先侧穿居民楼东侧,再下穿居民楼西侧,对东西两侧观测点分别进行讨论,各测点的沉降时程曲线如图8,9所示。

图8 南侧楼东侧沉降时程曲线

图9 南侧楼西侧沉降时程曲线

居民楼东侧观测点最大过程沉降约为3.71mm,发生在JC29-15观测点,距离盾构下穿位置较近,其沉降发展规律与北侧办公楼的JC29-1,JC29-12,JC29-14等观测点相似。东侧剩余观测点距隧道下穿位置较远,最大沉降稳定在3mm左右。

居民楼西侧观测点最大过程沉降约为4.27mm,发生在JC29-19观测点。西侧观测点可大致分为两个沉降阶段:①主要是盾构下穿居民楼前的掘进影响,过程最大沉降为3.14mm,沉降速率较小;②主要是盾构下穿居民楼的影响,各观测点沉降量在此阶段达到最大值,并于盾构穿过后有2mm左右的沉降回弹。虽缺少后续稳定阶段的沉降监测数据,但从整体上看,南侧居民楼各测点的沉降变化较小。

3 盾构下穿过程的数值模拟

3.1 数值模型建立

鉴于现场观测点的空间布置受限,未能获取足够的数据对综合楼各敏感位置的地表沉降、柱基沉降、不均匀沉降及整体倾斜进行分析。为进一步分析盾构诱发中高层框架结构的响应,结合相关工程资料及实测数据,采用MIDAS GTS NX有限元软件建立三维数值模型进行反演分析。

考虑到上部结构刚度对下部基础及土体沉降的约束作用,采用板单元和梁单元模拟综合楼框架结构的楼盖和结构柱,并在每层楼面施加等效均布荷载模拟传至基础的建筑荷载。同时,考虑到结构存在的老化问题,需对结构刚度进行折减,对弹性模量取折减系数0.8。

根据盾构下穿施工的影响范围,考虑边界效应,建立的数值模型如图10所示。尺寸为130m×115m×60m,模型长度和宽度取至建筑物边缘外40m,模型底部距隧道底部约25m,并对数值模型四周施加法向位移约束,底面施加固定位移约束,顶面自由。

图10 三维数值模型

模型假定地层水平向均匀分布,根据场地地质资料将其由上往下依次划分为填土、粉质黏土、全风化岩、强风化岩、强-中风化岩过渡层、中风化岩。其中,考虑到隧道周边实际强、中风化岩层交替,模型增加了强-中风化过渡层,岩土参数取值在强、中风化岩之间。洞内加固和地面加固的范围均位于强风化岩层和强-中风化岩过渡层。

模型中土层、等代层、基础承台等均采用3D实体单元,盾壳、管片、楼板等采用2D单元,结构柱、桩等采用1D线单元,最终建立的整体模型总计 350 601 个单元,186 086个结点。

3.2 计算参数选取

计算模型中土体、预注浆加固体采用莫尔-库伦本构,盾壳、管片、等代层、框架结构等采用弹性本构。土体参数和结构参数主要依据岩土工程勘察报告及相关工程经验取值,如表1,2所示。

表1 数值模型土体计算参数

表2 数值模型结构计算参数

根据施工方案及相关工程经验,模型计算中土仓压力取值0.30MPa,同步注压力取值为0.35MPa。

3.3 掘进过程模拟

盾构掘进模拟过程如图11所示。先对盾构前上方土体进行预加固,再通过钝化土体、激活盾壳及盾体质量、施加掌子面压力模拟隧道的开挖过程。然后激活管片和等代层网格,并通过施加注浆压力和改变注浆层的材料属性的方法来模拟注浆和浆液硬化过程。

图11 盾构掘进示意

4 数值模拟结果及分析

盾构穿越综合楼时与JC29-1,JC29-14位置对应的柱基沉降发展曲线如图12所示。柱基沉降曲线在回弹阶段的回弹量较小,致使最终沉降与实测结果相差较大。这是由于常规的盾构模拟工况并没有考虑实际工程中洞内二次注浆的抬升作用。

图12 不考虑二次注浆的柱基沉降发展曲线

为进一步拟合实测结果的沉降曲线,充分考虑洞内二次注浆的抬升作用,在距离开挖面一定距离的管节施加二次径向注浆压力,进一步修正模型,得到修正后的柱基沉降曲线如图13所示。对比可知,修正后的柱基沉降曲线与实测结果基本吻合,表现为沉降-回弹-稳定3个阶段。由此对综合楼的结构响应展开分析。

图13 考虑二次注浆的柱基沉降发展曲线

4.1 沉降分析

基于上述数值模型,为方便讨论框架结构柱基的响应规律,对柱基位置重新编号,如图14所示。盾构施工时北侧办公楼和南侧居民楼的柱基最大沉降发展曲线如图15所示。

图14 柱基平面布置

图15 柱基最大沉降发展曲线

由图15可知,北侧办公楼柱基的最大过程沉降为6.7mm,最大稳定沉降为4.0mm,均发生在B6位置。办公楼A8,B7,B6,B5,C5,C4等柱基依次被盾构下穿,依次出现柱基过程沉降的较大值。南侧居民楼柱基的最大过程沉降为6.2mm,发生在D3位置;最大稳定沉降为3.5mm,发生在G1位置。在盾构侧穿居民楼东侧时,距隧道轴线较近的D7,D6柱基沉降较大;但在下穿居民楼西侧时,正下穿位置的D3,E3,E2,F1等柱基沉降更大。

提取1—1断面垂直于隧道轴线方向的地表沉降曲线如图16所示,地表沉降主要发生在距盾构轴线5倍洞径内的区域。距盾构轴线越近,地表沉降就越大。且在盾构开挖面超过测点一定距离后,测点地表沉降方达到最大值。但在二次注浆作用下,最终地表沉降会有所减小。

图16 地表沉降曲线

结合柱基沉降较大值的分布位置及地表沉降曲线可得出,在盾构轴线沿线位置的柱基沉降更大,受盾构施工影响显著。柱基与盾构隧道的空间相对位置关系是决定柱基沉降大小的重要因素。

4.2 不均匀沉降分析

进一步统计在盾构全过程相邻柱基的差异沉降,典型值如表3,4所示。北侧楼最大差异沉降为3.2mm,差异沉降比为0.40‰;南侧楼最大差异沉降为2.0mm,差异沉降比为0.44‰。

表3 北侧楼相邻柱基差异沉降

表4 南侧楼相邻柱基差异沉降

根据GB 50007—2011《建筑地基基础设计规范》,在地基土为中、低压缩性土时,框架结构的相邻柱基沉降差与柱距之比不得超过0.002,即2‰。因此,本工程盾构诱发综合楼的不均匀沉降均小于规范容许值。

由图16可知,在盾构隧道边缘两倍洞径范围内,地表沉降曲线的斜率较大,表明在该范围内的邻近柱基沉降差异较大。同时结合表3,4统计的差异沉降较大的柱基位置,可知相邻柱基差异沉降的较大值主要发生在距盾构轴线较小距离的柱基之间,且以柱基连线与盾构轴线相交角度较大的柱基为主。

此外,以B轴柱基为代表,提取北侧楼办公楼纵柱基沉降变化曲线如图17所示。盾构下穿前,距离开挖面最近位置的柱基最先发生沉降,纵向沉降曲线为悬臂形;随着盾构的掘进,纵向沉降曲线在下穿位置附近出现反弯点,逐渐变为中间下凹型形;在盾构穿越北侧楼一定距离后,由于二次注浆影响,下凹段曲线逐渐变缓,北侧楼最终的纵向差异沉降变小。

图17 B轴柱基沉降变化曲线

4.3 整体倾斜分析

根据《建筑地基基础设计规范》,当建筑高度Hg满足24m

盾构穿越过程中,办公楼的最大水平位移为10.1mm,最大整体倾斜为0.35‰,发生在C1角点;居民楼的最大水平位移为7.1mm,最大整体倾斜为0.30‰,发生在H1角点。综合楼的整体倾斜均小于规范容许值。

在盾构穿过后的稳定阶段,办公楼的最大水平位移为6.87mm,最大整体倾斜为0.24‰;居民楼的最大水平位移为4.9mm,最大整体倾斜为0.19‰。此时综合楼的整体倾斜值相对盾构穿越时有所降低,经分析主要得益于盾构穿越后的沉降回弹现象。

根据综合楼各角点的水平位移方向,绘制综合楼各角点的倾斜趋势如图18所示。在盾构大范围斜交下穿办公楼过程中,办公楼各角点有围绕盾构线路逆时针扭转变形的趋势。而居民楼结构布置相对复杂,盾构仅小范围斜交下穿居民楼的西北侧,因而盾构对居民楼整体的影响主要表现为侧穿影响,居民楼表现为整体向西北倾斜的趋势。

图18 建筑角点倾斜示意

4.4 洞内二次注浆效果分析

为分析洞内二次注浆在中高层框架结构响应中所发挥的作用,对比有无洞内二次注浆两种条件下综合楼的结构响应,结果汇总如表5所示。

表5 各工况下的结构响应

在无洞内二次注浆条件下,柱基在稳定阶段的最大沉降略小于过程最大沉降,但不均匀沉降、整体倾斜与过程最大值基本一致。

在有洞内二次注浆条件下,柱基最大过程沉降小于无二次注浆条件的情况,且在稳定阶段的最大沉降、不均匀沉降、整体倾斜均小于过程最大值。

因此,在盾构掘进后及时进行洞内二次注浆,能减小地表框架结构在稳定阶段的沉降、不均匀沉降以及整体倾斜。

5 结语

本文以广州市综合管廊盾构斜交下穿既有中高层框架结构为例,对现场沉降监测数据进行了分析,并基于实测数据进行数值反演,进一步讨论了盾构穿越诱发中高层框架结构的沉降及倾斜影响。

1)根据沉降实测数据,本工程盾构正下穿位置的柱基沉降过程可分为主要沉降-沉降回弹-沉降稳定3个阶段。

2)基于数值模拟,柱基沉降的较大值主要发生在盾构轴线沿线位置;柱基差异沉降的较大值主要发生在距盾构轴线较小距离的柱基之间,且以柱基连线与盾构轴线相交角度较大的柱基为主。

3)盾构穿越位置会影响框架结构的倾斜趋势。盾构大角度大范围斜交下穿时,框架结构有围绕盾构线路发生空间扭转的趋势;盾构近距离侧穿或小范围斜交下穿时,框架结构有整体向盾构侧倾斜的趋势。

4)在盾构穿越后及时进行洞内二次注浆,能减小上方框架结构在稳定阶段的沉降、不均匀沉降及整体倾斜。

本文结论依托于实际工程,旨在为相关研究和类似工程提供参考。不同的基础形式、地层条件、空间关系等均会影响地表框架结构的响应,针对具体工程仍需具体分析。