無錫軟土地區某區間隧道盾構施工引起的建筑物沉降分析

涂智溢

(中鐵隧道勘測設計院有限公司，天津 300133)

0 引言

盾構法修建地鐵隧道，已成為我國城市地鐵隧道施工的一種主要方法;但是在軟土層中采用盾構法施工，由于周圍環境和巖土介質的復雜性及施工質量的不確定性，施工不可避免地引起地層移動而造成不同程度的地表沉降，當地表沉降達到一定程度時，就會影響周圍地面建筑的正常使用，這種現象在含水的松軟土層或其他不穩定地層中表現尤為顯著［1－3］。無錫地鐵1號線大部分區間采用盾構法施工，在該城市中采用盾構法施工尚屬首次，沒有相關工程及此類地質條件的施工經驗，隧道施工對建筑物的影響也沒有相關數據可以參考。本工程中某區間隧道穿越城市中心地帶，其建筑物密集、地質情況復雜、施工條件受限制，在隧道施工中確保建筑物安全成為本工程重點和難點;因此，在隧道施工前，對沿線建筑在盾構施工時的沉降變形做準確的預測和分析，然后根據地質條件及工程特點，選擇合適的施工技術和施工設備，并制定完善的措施，對工程的順利實施尤為重要［4－5］。建筑物沉降預測與分析通常采用經驗法、數值法和隨機理論模型預測等理論計算法及實測數據分析法進行分析。本文采用有限元FLAC2D和Peck經驗理論對沿線建筑在盾構施工時的沉降變形進行預測和分析。

1 工程概況

無錫地鐵1號線北起堰橋南至雪浪，本區間位于無錫市主城區，下穿交通繁忙的中山路、永豐路和清揚路，建筑物密集(如圖1所示)。其基礎形式大部分為條形基礎和柱下獨立基礎，其中主要建(構)筑物有南洋花園、大橋中學宿舍樓、木樨苑、耕讀新村、古運河及耕讀河等，區間沿線主要建筑物與地鐵隧道的關系如表1所示。區間隧道線間距15 m，最小平曲線半徑350 m，隧道頂覆土為8.6～15.7 m。區間隧道采用盾構法施工，襯砌采用圓形混凝土，內徑5.5 m，環寬1.2m，厚0.35m，共分為6塊，采用錯縫拼裝形式襯砌結構。

隧道場地地貌單元屬長江三角洲太湖沖湖積平原，區域內第四紀沉積物覆蓋廣泛且連續，層序清晰，地表水系發育，第四系覆蓋層厚度較大，各土層水平向分布較穩定。隧道范圍的地層為第四系全新統、上更新統沖湖積相沉積物，穿越的地層為軟黏土地層，其主 要物理力學指標如表2所示。

圖1 隧道與建(構)筑物關系平面圖Fig.1 Relationship between tunnel and main buildings and structures

表1 主要建(構)筑物與隧道關系表Table 1 Relationship between tunnel and main buildings and structures

表2 主要物理力學指標Table 2 Physical and mechanical parameters

2 建筑物沉降數值分析

盾構法隧道施工的力學研究主要分為理論研究、試驗研究和數值模擬3部分［6］，本次分析采用二維有限元模型模擬盾構法隧道施工，應用應力釋放法對建成后的隧道進行數值分析。計算時選取具有一定代表性建筑物進行分析，采用FLAC2D進行數值計算時，假設施工區間各層間的介質均勻，雙線隧道的中心在同一高程;襯砌管片為均質結構(其物理力學指標如表3所示)，不考慮隧道與襯砌間的空隙作用;巖土介質簡化為連續的理想塑性介質，采用Mohr-Coulomb屈服準則，管片采用shell單元模擬。樓層荷載按15 kPa/層考慮，施工工序為先掘進右線再掘進左線。

表3 襯砌管片物理力學指標Table 3 Physical and mechanical parameters of lining segment

大橋中學宿舍樓主樓為10層混凝土結構，基礎形式為筏板基礎，基礎底埋深約4 m，基礎底至隧道結構頂部約11.88 m，其計算模型如圖2所示，變形位移云圖如圖3所示;南洋花園7號樓混凝土結構，基礎形式為柱下獨立基礎，基礎底至隧道結構頂部約8 m，變形位移云圖如圖4所示;耕讀新村2號樓混凝土結構，基礎形式為條形基礎，基礎底埋深約3 m，基礎底至隧道結構頂部約12 m，變形位移云圖如圖5所示。

圖2 計算模型圖Fig.2 Calculation model

從圖3—5可以看出:單一隧道先掘進時，建筑物的沉降最大值在先掘進隧道的中心線上方;當一條隧道施工完成后，掘進其相鄰的隧道時，后掘進隧道對先掘進隧道的對應的地層產生二次擾動，致使上部建筑物的沉降發生在先掘進隧道的臨近2條隧道間的側上方，且先掘進隧道的圍巖塑性區范圍比后掘進隧道的圍巖塑性區范圍大。

根據計算結果，各種工況下建筑物沉降的最大位移發生在先行隧道的上方，其計算結果如表4所示。

表4 計算結果統計Table 4 Statistics of calculation results

考慮管片與土體之間的空隙以及注漿的滯后效應，地應力釋放率分別取20%和30%進行比較計算［7］。圖6(a)為地層應力釋放率取20%時的建筑物沉降曲線，圖6(b)為地層應力釋放率取30%時的建筑物沉降曲線。從計算結果可以看出:地層初始應力釋放率的大小，直接影響計算分析結果，當地應力釋放率增加時，建筑物的沉降增大;當地應力釋放率減小時，建筑物的沉降相應地減小。

根據GB 50007—2002《建筑地基基礎設計規范》規定，建筑物的地基變形允許值取其局部傾斜率為0.002，沉降差為0.002l(l為相鄰基礎間距)。

根據滬建建(97)第0594號《多層住宅建筑設計地基容許變形值控制補充規定》，基礎容許沉降量要求最嚴格時為15 cm。

將計算結果與規范規定對比分析，當地層的應力釋放率控制在30%以內時，地基沉降值及地基的傾斜率均小于規范規定的建筑物的地基變形允許值;因此，在盾構施工條件下，地鐵沿線地面建筑物是安全的。

3 沉降經驗估算

Peck通過對隧道地表面沉降槽形狀的觀察以及對大量的實測數據分析，R B Peek在1969年的國際土力學會議上，提出了著名的沉降槽計算公式，Peck假定:1)地層損失在隧道長度上均勻分布;2)地面沉降在橫向為正態曲線分布;3)施工引起的地面沉降是在不排水條件下發生的，即沉降槽的體積與地層損失相等。沉降槽的形狀為正態分布曲線，通過對大量地表沉降數據和有關工程資料的分析后，得出沉降槽寬度系數

式中:H為地面至隧道中心的深度;φ為土的內摩擦角。

Peck的統計數據大部分來源于氣壓盾構施工資料，見表5。根據計算公式推算沉降槽寬度的精度大概范圍如下:在巖層、固結黏土、砂土中約±35%;在軟黏土－硬黏土中約±20%［8］。于1969年在墨西哥土力學及地基基礎工程國際會議上首次提出了地表沉降曲線近似呈概率中的正態分布曲線的概念，認為施工中引起的地表沉降是在不排水的條件下發生的，所以沉降槽的體積應等于地層的損失量，并認為地表沉降橫向分布的估算公式為:

式中:S(x)為橫向、距離隧道中心線x處的沉降量，m; x為所求沉降點距盾構中心線的水平距離，m;V1為盾構掘進引起的沿隧道中線單位長度的地層損失量，m3/m;i為沉降槽寬度系數，即隧道中心線至沉降曲線反彎點的距離;Smax為沿盾構掘進中線的最大地面沉降，m。

無錫地鐵1號線盾構隧道外徑為6.2 m，刀盤外徑為6.34 m。根據上海、南京經驗，k=i/H的取值為0.34～0.74，地層損失率v的取值為0.39%～0.89%［9］。

表5 Peck計算統計表Table 5 Statistics of calculation results by means of Peck theory

圖7 Peck沉降估算曲線Fig.7 Curves of settlement predicted by means of Peck theory

從圖7可以看出:隧道地表沉降量的大小與隧道的埋深有關，在同等地層條件下，當隧道埋深較小時，地表的沉降量比較大，反之，地表沉降量比較小;隧道頂地層的沉降與隧道上方的超載有關，當地層與覆土相同，超載越大，地層沉降就越大，反之，地層沉降較小。本次采用Peck進行估算的結果，地表最大沉降在先行隧道上方，其最大沉降量為25.2 mm，地表沉降變化趨勢與數值計算結果一致。從Peck公式估算結果與規范規定對比分析來看，地基沉降值及地基的傾斜率均小于規范規定的建筑物地基變形允許值。

4 結論

1)根據數值分析及Peck沉降估算，地表沉降及建筑傾斜均滿足相關規范要求，在本工程的地質條件下，采用盾構法施工時隧道沿線的地面建筑物是安全的;因此，本區間從保護建筑物安全的前提下采用盾構法施工是可行的。

2)本次采用 FLAC2D進行數值計算的結果及Peck沉降估算結果，可以作為工法選擇的依據，為后期區間施工及建筑保護提供參考。

3)由于數值計算的與初始地應力的取值關系較大，下階段可以通過三維進行分析，并采用施工監測數據進行反演，更加準確地確定各種圍巖條件下，不同施工工況的地層應力釋放率，從而更好地進行圍巖穩定分析，以指導現場施工。

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