盾構(gòu)隧道擴(kuò)挖修建地鐵車站對周邊建筑影響分析

冉 龍 洲

(天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院，天津 300000)

?

盾構(gòu)隧道擴(kuò)挖修建地鐵車站對周邊建筑影響分析

冉 龍 洲

(天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院，天津 300000)

以北京地鐵盾構(gòu)隧道結(jié)合洞樁法修建地鐵車站為背景，采用有限元模型，研究了盾構(gòu)擴(kuò)挖修建地鐵車站對地表及周邊環(huán)境的影響，研究表明，小導(dǎo)洞開挖和主洞開挖對地表沉降影響最大；車站擴(kuò)挖施工對建(構(gòu))筑物的影響程度受到相對位置關(guān)系、建筑物與土體相對剛度等控制，現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值分析表明，打設(shè)隔離錨桿樁是臨近建(構(gòu))筑物施工中控制建(構(gòu))筑物沉降變形的有效方法。

地鐵，盾構(gòu)隧道，洞樁法，擴(kuò)挖

0 引言

地鐵作為城市公共交通的重要組成部分，對緩解城市交通擁堵、提高城市效率、提升城市現(xiàn)代化水平發(fā)揮著關(guān)鍵性的作用。隨著地鐵的發(fā)展，地鐵建設(shè)面臨著道路狹窄、鄰近建(構(gòu))筑物密集、地下管線密集、地下空間用地緊張等嚴(yán)峻的環(huán)境。目前城市地鐵地下車站的修建方法如PBA工法、明挖法等，在這些嚴(yán)峻的環(huán)境面前越來越難以實(shí)施[1]。

為了解決上述復(fù)雜的環(huán)境問題，北京地鐵進(jìn)行了盾構(gòu)法結(jié)合洞樁法擴(kuò)挖形成車站的試驗(yàn)，并獲得了成功。該工法首先采用土壓平衡盾構(gòu)開挖形成外徑為10 m的大斷面隧道，在盾構(gòu)隧道先行貫通的基礎(chǔ)上結(jié)合洞樁法擴(kuò)挖形成車站。該工法結(jié)合了盾構(gòu)法和洞樁法的優(yōu)勢，目前對該工法引起的地表沉降有大量研究[2,3]，但鮮有結(jié)合實(shí)際工程進(jìn)行分析。本文結(jié)合以盾構(gòu)擴(kuò)挖車站為背景，以數(shù)值模擬和實(shí)際監(jiān)測相結(jié)合的方法，研究在盾構(gòu)先行通過基礎(chǔ)上擴(kuò)挖車站引起的地表沉降及臨近建(構(gòu))筑物沉降變形等，為城市地鐵施工進(jìn)行一定的指導(dǎo)。

1 工程概況

試驗(yàn)車站所處現(xiàn)狀道路最小寬度僅17 m，道路下管線密集，兩側(cè)多層樓房等建(構(gòu))筑物密集(如圖1所示)。該站采用外徑為10 m的大直徑盾構(gòu)掘進(jìn)先行通過，然后在盾構(gòu)隧道基礎(chǔ)上采用淺埋暗挖法擴(kuò)挖形成車站，擴(kuò)挖后的車站站臺(tái)形式為側(cè)式站臺(tái)，斷面為雙聯(lián)拱形式。大直徑盾構(gòu)隧道的管片厚度為0.5 m，環(huán)寬為1.8 m，每環(huán)管片等分9塊，在車站范圍內(nèi)采用通縫拼裝形式。在大直徑盾構(gòu)隧道內(nèi)，先施作底梁、中柱和頂梁，并架設(shè)臨時(shí)短支撐，然后采用PBA(洞樁法)法進(jìn)行擴(kuò)挖施工。

洞樁法擴(kuò)挖施工步驟如下(如圖2所示)：步驟①盾構(gòu)通過車站區(qū)段后，盾構(gòu)隧道內(nèi)施工中柱和縱梁，架設(shè)洞內(nèi)臨時(shí)支撐，注漿加固小導(dǎo)洞周圍地層，開挖小導(dǎo)洞，洞內(nèi)施工圍護(hù)樁。 步驟②注漿加固拱頂土體，對稱開挖中導(dǎo)洞主拱部土體，施工頂拱初襯，設(shè)置臨時(shí)仰拱。步驟③沿隧道縱向分段拆除封頂塊管片兩側(cè)小塊及管片鄰接塊，鑿除小導(dǎo)洞局部初襯，留出二襯施工空間，施工主拱二襯。 步驟④開挖土體至第三道橫撐下，對稱拆除中部管片和相應(yīng)支撐。步驟⑤開挖土體至坑底設(shè)計(jì)標(biāo)高，對稱拆除下部管片和相應(yīng)支撐，澆筑底板、側(cè)墻二襯混凝土，待二襯混凝土結(jié)構(gòu)達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后施工站臺(tái)板和附屬結(jié)構(gòu)。

擴(kuò)挖車站覆土厚度14.3 m，寬度為18.0 m，與5層～7層居民樓水平凈距僅8.8 m。擴(kuò)挖車站在復(fù)雜施工過程中，必然引起地表及建筑物沉降，嚴(yán)重時(shí)影響建筑物的安全使用。

2 施工過程數(shù)值分析

2.1 模型建立

采用“地層—結(jié)構(gòu)”模型模擬車站擴(kuò)挖施工過程對建筑物的影響。采用MIDAS GTS建立二維有限元模型，模型尺寸為160 m×60 m，如圖3所示。土體采用平面應(yīng)變單元進(jìn)行模擬，選用修正摩爾庫侖本構(gòu)模型，擴(kuò)挖斷面拱部注漿加固通過改變加固范圍內(nèi)土體參數(shù)的方法進(jìn)行模擬。土體和注漿體物理力學(xué)參數(shù)見表1。頂梁、中柱、底梁和二襯采用平面應(yīng)變四節(jié)點(diǎn)單元、彈性本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行模擬；管片、初期支護(hù)采用梁單元模擬；臨時(shí)支撐采用桁架單元模擬。結(jié)構(gòu)單元參數(shù)見表2。

表1 土體和注漿體物理力學(xué)參數(shù)

名稱厚度m壓縮模量MPa泊松比重度kN/m3粘聚力kPa內(nèi)摩擦角(°)土11.3100.316.5108土24.5110.319.82028土32.85.70.3119.43018土44.1200.29220.530土53.9250.28250.535土610.1100.3119.74018土76.213.30.3119.93519土88400.28210.540土93.8200.3119.43819土1035.3300.3119.93819注漿體—600.321.55035

表2 結(jié)構(gòu)單元物理力學(xué)參數(shù)

2.2 建筑物模擬方法

擴(kuò)挖施工對建筑物的影響本質(zhì)上是建筑物和土體的相互作用，受到建筑物和土體剛度的影響。研究認(rèn)為[4]，在土與結(jié)構(gòu)的相互作用中，土與結(jié)構(gòu)的相對剛度對建筑物的變形影響最直接。

為了準(zhǔn)確的模擬建筑物，采用文獻(xiàn)[5]中提出的方法，即將n層建筑物看做由n+1層樓板組成，n層建筑物的抗彎剛度與軸向剛度可以表示為：

EA=(n+1)EAslab。

其中，Islab，Aslab分別為每層樓板的截面慣性矩與截面面積。一般取樓板厚度為t=0.12 m，各層樓板之間豎向間距H=3 m。

根據(jù)上述公式，計(jì)算出不同樓層時(shí)建筑物的剛度，如表3所示。

表3 不同樓層建筑物剛度值

根據(jù)建筑物的抗彎剛度和軸向剛度，即可反算建筑物的當(dāng)量厚度和當(dāng)量彈性模量，分別可以表示為：

2.3 工況模擬

有限元分析中，模型通過對單元的激活和鈍化實(shí)現(xiàn)對土體開挖和結(jié)構(gòu)安裝的模擬，從而實(shí)現(xiàn)各施工步序。

根據(jù)實(shí)際施工方案，本文對比分析兩種工況：

1)對建筑物不采取任何措施；

2)打設(shè)隔離樁，即在擴(kuò)挖結(jié)構(gòu)外側(cè)3m處，打設(shè)三排φ150@600復(fù)合錨桿樁作為隔離樁。

本文針對這兩種工況進(jìn)行了數(shù)值分析，并將結(jié)果與監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比分析。

3 地表沉降及建筑物沉降規(guī)律

3.1 盾構(gòu)通過時(shí)的地表沉降分析

圖4為盾構(gòu)推進(jìn)過程中地表縱向沉降曲線，可以看出，在盾構(gòu)通過監(jiān)測斷面前，地表沉降值較小；當(dāng)盾構(gòu)即將到達(dá)監(jiān)測斷面時(shí)，由于刀盤推力的作用，地表略有隆起；盾構(gòu)通過后，地表沉降逐漸加大，當(dāng)盾構(gòu)完全通過后，地表沉降達(dá)到最大，位于盾構(gòu)機(jī)正上方的地表沉降值達(dá)到14.4mm。圖5為監(jiān)測斷面上數(shù)值分析的地表沉降曲線和實(shí)測沉降曲線。可以看出，數(shù)值分析與監(jiān)測數(shù)據(jù)吻合較好。

3.2 車站擴(kuò)挖施工沉降分析

圖6為擴(kuò)挖施工各步序引起的地表沉降曲線。洞內(nèi)臨時(shí)支撐施作及兩側(cè)導(dǎo)洞開挖引起的地表最大沉降為27.00mm，主洞開挖引起的最大沉降為50.64mm，而所有工序施工完畢，地表最終沉降的最大值為65.48mm。通過分析可知，擴(kuò)挖車站各步序?qū)Φ乇沓两档呢暙I(xiàn)為導(dǎo)洞開挖∶主洞開挖∶其他步序=0.41∶0.36∶0.23，這與文獻(xiàn)[2]的計(jì)算結(jié)果比較吻合。

3.3 擴(kuò)挖施工引起的建筑物沉降分析

圖7為在不同位置存在建筑物時(shí)的地表沉降曲線，分析10m寬建筑物分別位于擴(kuò)挖車站正上方，距離車站中軸線外0.5B，1.0B，1.5B(B為開挖寬度)等多種工況。從圖7可以看出，建筑物的存在對沉降槽的整體趨勢和最大沉降值影響不大，不同工況下，沉降槽的寬度均約為50m。但是，對建筑物存在位置進(jìn)行詳細(xì)研究，可以看出，建筑物在小范圍內(nèi)改變了沉降曲線的形態(tài)，由于建筑物的存在，地表土體不能自由的發(fā)生變形，而受到建筑物的制約，該制約程度與建筑物所處位置及建筑物與土體的相對剛度有關(guān)。在進(jìn)行分析時(shí)，不能簡單的以地表沉降代替建筑物的沉降。

圖8為采取隔離錨桿樁和不采取措施時(shí)擴(kuò)挖施工各步序的地表沉降曲線。由于隔離錨桿的作用，錨桿位置處地表沉降在導(dǎo)洞開挖、主洞開挖、最終沉降值三個(gè)步序分別從15.0mm，30.0mm，42.6mm降低到0.8mm，5.6mm，16.1mm，分別降低了94.67%，81.33%，62.21%，地表最大沉降值比無錨桿時(shí)降低了2mm～4mm。表4給出了兩種工況下建(構(gòu))筑物的沉降值，并與現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比。隔離錨桿樁使建(構(gòu))筑物的最大沉降降低了52%，傾斜率降低了60%。這說明打設(shè)隔離錨桿樁能夠有效控制臨近建(構(gòu))筑物的沉降變形。

根據(jù)對建筑物的現(xiàn)狀檢測及評(píng)估，施工期間應(yīng)保證建筑整體沉降不大于20mm，差異沉降不大于15mm。實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，施工引起的建筑物最大沉降為14.6mm，最大差異沉降為4.2mm，該沉降值滿足建(構(gòu))筑物相應(yīng)的控制標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)合數(shù)值分析的結(jié)果表明，打設(shè)隔離錨桿樁是臨近建(構(gòu))筑物施工中控制建(構(gòu))筑物沉降變形的有效方法。

表4 不同工況建筑物沉降

4 結(jié)語

本文結(jié)合北京某地鐵車站，運(yùn)用數(shù)值分析并結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測，研究了盾構(gòu)隧道結(jié)合洞樁法修建地鐵車站引起的地表沉降及對周邊地面建筑的影響。本文的研究得出了以下結(jié)論：

1)擴(kuò)挖施工過程對地表沉降影響最大的主要是小導(dǎo)洞開挖和主洞開挖兩步，占了總體沉降的80%左右。

2)車站擴(kuò)挖施工引起地表建筑的沉降與傾斜，建(構(gòu))筑物受影響程度受到相對位置關(guān)系、建筑物與土體相對剛度、建筑物寬度等控制。

3)現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值分析表明，打設(shè)隔離錨桿樁是臨近建(構(gòu))筑物施工中控制建(構(gòu))筑物沉降變形的有效方法。

[1] 丁德云，魯衛(wèi)東，楊秀仁，等.大直徑盾構(gòu)隧道擴(kuò)挖地鐵車站的力學(xué)性能研究[J].巖土力學(xué)，2010，31(S2):281-287.

[2] 王 芳,賀少輝,汪 挺,等.PBA法擴(kuò)挖大直徑盾構(gòu)隧道修建地鐵車站地表沉降控制[J].北京交通大學(xué)學(xué)報(bào),2013,37(1):34-39.

[3] 南驍聰.大直徑盾構(gòu)結(jié)合PBA法修建地鐵車站三維數(shù)值分析[D].北京:北京交通大學(xué)博士論文,2012.

[4] Boscardin M D,Cording E J.Building response to excavation-induced settlement[J].Journal of Geotechnical Engineering，1989,115(1):1-21.

[5] Potts D M,Addenbrooke T I.A structure’s influence on tunneling induced ground movements[J].Proceedings of the Institution of Civil Engineers-Geotechnical Engineering，1997,125(2):109-125.

Analysis on the impact of building subway station with shield tunnel enlarging excavation method upon surround buildings

Ran Longzhou

(TianjinAcademyofMunicipalEngineeringDesign,Tianjin300000,China)

Taking building subway station of integrating Beijing subway shield tunnel with cave-pile method as the background, applying finite element model, the paper studies the impact of building subway station with shield enlarging excavation method upon surrounding buildings. Research results show that: small guide hole excavation and major hole excavation has biggest impact upon ground surface settlement value, the influencing degree of subway station enlarging excavation upon buildings will be controlled by relevant location relationship, buildings and relevant soil rigidity. The in-situ monitoring and numerical analysis show that: setting separated anchor pile is an effective method for controlling building settlement deformation in adjacent building construction process.

subway, shield tunnel, cave-pile method, enlarging excavation

1009-6825(2016)18-0179-03

2016-04-11

冉龍洲(1988- )，男，助理工程師

U445.43

A