平行隧道穿越形式對砌體建筑變形的影響研究

路 平， 耿 艷， 張穩(wěn)軍， 張友良

(1. 海南大學土木建筑工程學院， 海南 ?？?570228； 2. 天津大學建筑工程學院， 天津 300072)

0 引言

截至2016年底，我國已有43座城市軌道交通規(guī)劃獲批，總規(guī)劃里程超過8 600 km，且軌道交通建設(shè)有向二、三線城市延展的趨勢，目的都是為了緩解老舊城區(qū)的交通擁堵。但在老舊城區(qū)中往往存在大量磚混、磚木結(jié)構(gòu)的古舊建筑物，其中不乏重點保護建筑物，這些建筑物建成年代久遠，在經(jīng)歷了風化、地震等不良地質(zhì)現(xiàn)象后，無法像框架結(jié)構(gòu)那樣能夠承受較大的不均勻沉降與傾斜。而在土層固結(jié)時間長且觸變性大的軟土地區(qū)，建筑物對不均勻沉降的適應(yīng)能力更差，極易開裂甚至倒塌，引發(fā)社會矛盾。因此，當軟土地區(qū)盾構(gòu)隧道近接古舊建筑物施工時，建筑物的精細化變形控制顯得尤為重要。

文獻[1-3]分別利用三維有限元和有限差分方法模擬了盾構(gòu)穿越建筑物的工況，得出建筑物剛度對地表位移有顯著影響。文獻[4-5]基于深圳地鐵實測結(jié)果得出，盾構(gòu)隧道走向與框架結(jié)構(gòu)建筑物之間的夾角越小，建筑物沉降越大。文獻[6]通過三維數(shù)值分析得出，建筑物中心偏離隧道中心一定距離且建筑物近隧道端位于隧道中心正上方時沉降最大。文獻[7-8]基于土體損失計算理論，推導(dǎo)出建筑物的變形解析解，得出右線盾構(gòu)完全穿越建筑物后，右線上方建筑物沉降稍大于左線。文獻[9-10]結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果，提出合理的注漿可對自重較小的建筑物的抬升有一定效果，縱墻裂縫主要分布于底層門窗處。文獻[11]通過理論研究分析了盾構(gòu)隧道下穿危舊建筑物的沉降規(guī)律，提出增加隧道埋深可有效減小建筑物的沉降。文獻[12]針對雙線盾構(gòu)隧道平行、斜交下穿砌體房屋的沉降監(jiān)測結(jié)果進行了研究，得出建筑物在盾構(gòu)穿越不同階段的沉降歷時變化規(guī)律。

雙線平行盾構(gòu)隧道近接建筑物施工，2條隧道先、后的穿越順序以及側(cè)穿、下穿的穿越形式不同也均會對上方建筑物的變形產(chǎn)生差異影響。而國內(nèi)外學者同時考慮穿越順序與穿越形式對建筑物變形影響的研究相對較少，且對于砌體建筑物，傾斜為更敏感的控制指標。因此，本文結(jié)合天津地鐵3號線和平路站至津灣廣場站區(qū)間雙線盾構(gòu)隧道穿越砌體建筑物項目，采用三維數(shù)值模擬分析，輔以現(xiàn)場監(jiān)測驗證的方法，研究雙線盾構(gòu)隧道穿越順序、形式對砌體建筑物沉降和傾斜的影響規(guī)律。

1 工程概況

1.1 隧道概況

和平路站至津灣廣場站區(qū)間(簡稱和津區(qū)間)長度為478 m，采用2臺直徑6 390 mm復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)依次施工，2條平行隧道軸線距離約17 m。采用裝配式鋼筋混凝土管片襯砌錯縫拼裝，管片環(huán)寬1.2 m，厚350 mm。區(qū)間隧道最大坡度為17‰，隧道覆土厚度為12.6 ～21.6 m，隧道穿越范圍內(nèi)主要有⑥2粉土，⑦2粉土層，⑥1、⑦1粉質(zhì)黏土以及下部⑦4粉砂層，下部粉砂層厚度約10 m。地下水為埋深約4 m的第四系孔隙潛水。

如圖1所示，左線為先行隧道，第1臺盾構(gòu)于2011年1月26日從和平路站始發(fā)端出發(fā)，于2月19日掘進至建筑群(益友坊)處，此時左線已拼裝了39環(huán)管片，4月19日通過建筑群(信托銀行)，到達津灣廣場站接收端。右線為后行隧道，第2臺盾構(gòu)于3月1日從始發(fā)端出發(fā)，于3月18日掘進至建筑群(口腔醫(yī)院)處，此時右線已拼裝了30環(huán)管片，5月20日通過建筑群(信托銀行)，到達接收端。盾構(gòu)在下穿建筑物期間，對建筑物每4 h監(jiān)測一次并及時反饋，為下步施工提供依據(jù)。

(a) 平面圖

(b) 縱斷面圖

1.2 建筑物概況

和津區(qū)間左、右線盾構(gòu)始發(fā)后即穿越天津市主干道大沽北路，之后進入益友坊、增賢里等砌體建筑物。這些建筑物多為20世紀二三十年代修建，多為民宅，基礎(chǔ)形式簡易，埋深較淺，經(jīng)歷了唐山大地震及洪水災(zāi)害，現(xiàn)已嚴重風化、開裂，部分已為危房，如圖2所示?，F(xiàn)場對增賢里風化立柱周圍增設(shè)了型鋼支架支撐，并重新砌筑開裂墻根以增強穩(wěn)定性，對佛照樓危房予以部分拆除，其他建筑不具備地面保護處理條件，主要通過隧道內(nèi)注漿處理。

(a) 増賢里立柱風化

(b) 増賢里磚墻脫落

本研究擬選取和津區(qū)間的錦榮小區(qū)3座建筑物作為主要研究對象。這3座建筑物修建于同一時期，結(jié)構(gòu)形式和基礎(chǔ)形式相同，地層條件相近，下伏隧道埋深相近，便于分析比較。建筑物與雙線隧道的平面位置關(guān)系如圖3所示。根據(jù)水平面內(nèi)建筑物縱墻與隧道走向的夾角定義盾構(gòu)的下穿角度，當下穿角度接近0°時為小角度，接近90°時為大角度，即錦榮1號樓縱墻與隧道左線走向呈24°小角度斜交，錦榮2、3號樓縱墻與隧道右線走向呈74°大角度斜交。3座建筑物的概況見表1。

(a) 工況1

(b) 工況2

Fig. 3 Relative position between buildings and tunnels

表1 建筑物概況Table 1 Details of buildings

2 有限元模型

采用ABAQUS建立三維有限元模型，模型計算域尺寸和土體、隧道、建筑物的網(wǎng)格劃分情況如圖4所示。流固耦合模型采用soils的流體滲透應(yīng)力耦合穩(wěn)態(tài)分析步。土體采用多孔介質(zhì)彈性模型與臨界狀態(tài)塑性模型(修正劍橋本構(gòu)關(guān)系)的孔壓單元模擬，參數(shù)通過室內(nèi)試驗[13]確定，其取值見表2，而土中流體則通過設(shè)置孔壓邊界條件來模擬排水條件。盾構(gòu)、管片、同步注漿體均采用線彈性本構(gòu)關(guān)系的實體單元模擬，其參數(shù)均與文獻[13]中取值相同，其中同步注漿體采用“等代均質(zhì)圓環(huán)”的方法模擬，而未考慮同步注漿壓力的影響。由于這3座使用現(xiàn)狀相近的建筑物均曾遭受地震作用，考慮其存在的內(nèi)部損傷及開裂，均近似取墻體的彈性模量為220 MPa、泊松比為0.1，樓板彈性模量為30 GPa、泊松比為0.2[2]。

圖4 有限元模型(單位: m)Fig. 4 FEM model (unit: m)

隧道掘進模擬采用“剛度遷移法”[13-14]，每個掘進步長設(shè)為1.2 m(1環(huán)寬)。掌子面壓力采用開挖面上沿深度線性增加的側(cè)向壓力來模擬，千斤頂頂推力采用平均施加在盾構(gòu)、管片單元節(jié)點上的點荷載來模擬[13]，且兩者取值均根據(jù)該區(qū)間施工記錄施加。

模型側(cè)面、底面邊界約束土體的法向位移；土體側(cè)面邊界地下水位以下施加梯度為10 kPa/m的靜水壓力； 不考慮隧道襯砌的滲漏，將襯砌在本研究中簡化為不透水邊界。

從表1實際工況(工況1)中的穿越形式來看，錦榮1號樓被2條平行隧道先下穿后側(cè)穿，錦榮2、3號樓被2條隧道先側(cè)穿后下穿。而在雙線平行隧道穿越建筑物的線路確定后，這2種不同穿越形式對既有建筑物變形的影響仍是不確定的。因此，本文通過數(shù)值模擬的方法，又建立了穿越形式不同的對比工況2(見表1)，即右線為先行隧道、左線為后行隧道。在工況2中，錦榮2、3號樓被2條隧道先下穿后側(cè)穿，錦榮1號樓被2條隧道先側(cè)穿后下穿。

表2 土層參數(shù)Table 2 Parameters of soils

3 穿越形式研究

針對2種工況中穿越形式對3座建筑物變形的影響，本文從建筑物的沉降和傾斜率2個層面進行分析研究。

3.1 沉降

3.1.1 建筑物沉降規(guī)律

圖5示出錦榮1號樓2個測點J1(隧道上方)、J5(隧道側(cè)方)的實測沉降與計算沉降發(fā)展趨勢?？梢钥闯?，計算沉降發(fā)展趨勢與實測結(jié)果基本吻合，但J1處計算沉降值略大。這是由于實際工程中當盾尾脫出后，針對建筑物沉降較大處采取了二次注漿的抬升措施，因而建筑物沉降實測值比計算值偏小。

另外，1號樓在左線先行隧道下穿之后(3月1日)沉降迅速增大，各監(jiān)測點的沉降速度約2.0 mm/d，處于規(guī)范[15-16]界定的地基危險狀態(tài)。這種危險狀態(tài)的形成，一方面是因為該建筑物基礎(chǔ)形式本身非常薄弱，另一方面可由圖6所示的計算應(yīng)力土拱云圖解釋。圖中R為Lee等[17]提出的豎向應(yīng)力比，定義如下：

R= Δσz/σz。

(1)

式中：σz為豎向應(yīng)力； Δσz為豎向應(yīng)力的變化量。

圖5 錦榮1號樓實測與計算沉降發(fā)展曲線(2011年)

Fig. 5 Measured and calculated settlement curves of Jinrong Building No.1 (in 2011)

圖6 縱斷面豎向應(yīng)力土拱云圖

土拱拱腳處R值大于0。由于土艙壓力降低、盾尾地層損失使得隧道縱斷面上的土體豎向應(yīng)力重分布，形成了2個土拱，而左線盾構(gòu)穿越過程中，在掌子面之前以及盾尾之后較大范圍內(nèi)，豎向應(yīng)力比R均小于0，因而建筑物沉降增速隨之增大。

建筑物沉降監(jiān)測發(fā)展曲線如圖7所示，建筑物墻體計算沉降曲線如圖8所示。

(a) 錦榮1號樓

(b) 錦榮2號樓(左)、3號樓(右)

(a) 錦榮1號樓

(b) 錦榮2號樓

(c) 錦榮3號樓

從圖7(a)錦榮1號樓各監(jiān)測點的沉降發(fā)展曲線和圖8(a)各墻體的計算沉降曲線可以看出，當錦榮1號樓縱墻與隧道走向呈小角度斜交時，建筑物各點的最終沉降均較大，在2種工況下的最終計算沉降值都在25.0 mm以上。從圖7(b)錦榮2、3號樓各監(jiān)測點的沉降發(fā)展曲線和圖8(b)、(c)各墻體的計算沉降曲線可以看出，對于隧道大角度斜交穿越的錦榮2、3號樓而言，在2種工況下建筑物各點的最終計算沉降值，較小的約2.0 mm，較大的接近25.0 mm。因此得出，當盾構(gòu)小角度斜交下穿建筑物時,會產(chǎn)生較大的整體沉降[4]；而當盾構(gòu)大角度斜交下穿建筑物時，會產(chǎn)生較大的差異沉降[12]。

3.1.2 墻體沉降規(guī)律

圖8(a)示出錦榮1號樓各墻體在2種工況下的計算沉降曲線。可得2種工況中各墻體的沉降規(guī)律各異，工況2中西、北墻的平均沉降值比工況1明顯增大，平均增幅約2 mm(7%)；而工況2中東、南墻的平均沉降值比工況1略小，平均降幅約1 mm(3%)。但對于每片墻體而言，沉降曲線形態(tài)在工況1中均趨于“單斜狀”分布，而在工況2中更趨于“水平狀”分布，其差異沉降在工況2中均明顯低于工況1。即當建筑物縱墻與隧道小角度斜交時，先側(cè)穿后下穿的穿越形式使得建筑物的差異沉降明顯比先下穿后側(cè)穿的穿越形式要小。

圖8(b)、(c)分別示出錦榮2、3號樓各墻體在2種工況下的計算沉降曲線。可得2座建筑的沉降規(guī)律類似，工況2中東、西、南墻的平均沉降值比工況1明顯增大，平均增量約1 mm，增幅5%～15%；而工況2中北墻的平均沉降值與工況1基本持平。對于每片墻體而言，2種工況中沉降曲線形態(tài)也基本一致，與隧道走向近乎垂直的東、西墻在2種工況中均趨于“單斜狀”沉降分布，而與隧道走向近乎平行的南、北墻在2種工況中均趨于“水平狀”沉降分布。即當建筑物縱墻與隧道大角度斜交時，2種穿越形式對建筑物的沉降值有一定影響，但對各墻體的沉降曲線形態(tài)的影響不明顯。

3.2 傾斜率

砌體結(jié)構(gòu)的開裂等與傾斜有更大關(guān)系，特別是這種古舊建筑物，整體性已較差，一旦傾斜對其危害更大。本文中對建筑物東、西墻的傾斜率以偏向南側(cè)傾斜定義為正，對建筑物南、北墻的傾斜率以偏向西側(cè)傾斜定義為正，反之為負。

3.2.1 墻體傾斜規(guī)律

從圖9中3座建筑物的計算傾斜率可以看出，2種工況下錦榮1號樓墻體的最大計算傾斜率為0.36‰，而錦榮2、3號樓墻體的最大傾斜率約為錦榮1號樓的3倍。因此，盾構(gòu)大角度斜交下穿建筑物時會使建筑物產(chǎn)生較大的傾斜。

此外，錦榮1號樓東、西墻的計算傾斜率是南、北墻的計算傾斜率的1.2倍以上；錦榮2、3號樓的東、西墻的計算傾斜率為南、北墻的計算傾斜率的3倍以上。這是由于3座建筑物的南、北墻和隧道走向基本上呈小角度斜交，如錦榮1號樓的南、北墻與隧道走向夾角約為24°，錦榮2、3號樓的南、北墻與隧道走向夾角約為16°，而東、西墻則呈較大夾角斜交。因此，當隧道掘進以不同角度斜交穿越建筑物時，與隧道走向夾角小的墻體傾斜會稍小，需對與隧道走向夾角大的墻體施加更嚴格的監(jiān)控。

3.2.2 隧道穿越形式的影響機制

從圖9(a)錦榮1號樓2種工況的傾斜率可以看出，錦榮1號樓各墻體在工況1中的傾斜率是工況2中傾斜率的2倍以上。因此，當隧道小角度斜交穿越建筑物時，工況1先行隧道下穿、后行隧道側(cè)穿比工況2先行隧道側(cè)穿、后行隧道下穿對建筑物明顯不利。

(a) 錦榮1號樓

(b) 錦榮2號樓

(c) 錦榮3號樓

以上由隧道2種穿越形式誘發(fā)的建筑物差異響應(yīng)可用地層損傷機制來解釋，如圖10所示。圖10(a)、(b)分別為工況1中2條隧道剛通過y=115 m處橫斷面后的一個施工步內(nèi)，土體豎向應(yīng)力比R[17]的云圖?？梢钥闯?，圖10(a)中先行隧道盾尾脫出(t1)時，隧道的左右兩側(cè)均產(chǎn)生了很明顯的豎向受壓區(qū)(R>0)，隧道的上下方均產(chǎn)生了明顯的豎向受拉區(qū)(R<0)，且由于上方建筑與隧道走向呈一定角度斜交，受拉區(qū)并不是沿隧道軸線對稱分布的，因而先行隧道對地層的第1次損傷造成了上方建筑的第1次傾斜。圖10(b)中后行隧道再次側(cè)穿該建筑物且在盾尾脫出(t2)時，由于先行隧道的存在限制了后行隧道左側(cè)的豎向受壓區(qū)(R>0)的水平向發(fā)展，使其豎向受壓區(qū)朝向地表延伸，但地表荷載始終未發(fā)生改變，因而引起地表附近地層再次產(chǎn)生了豎向受拉區(qū)(R<0)的第2次損傷，與第1次損傷一起共同加劇了先行隧道上方建筑物的傾斜。

另外，通過圖11中隧道拱肩上方2點A、B的應(yīng)力歷史變化曲線可以得出，2種穿越形式中A點應(yīng)力波動幅值最大發(fā)生在下穿隧道通過后，分別為20.4 kPa(t1)和20.3 kPa(t2)，因而2種穿越形式對A點的應(yīng)力波動幅值影響不大；2種穿越形式中B點應(yīng)力波動幅值最大同樣發(fā)生在下穿隧道通過后，分別為87.2 kPa(t1)和52.3 kPa(t2)，即工況1中B點豎向應(yīng)力的降幅約為工況2中的1.7倍，因而2種穿越形式對B點的應(yīng)力波動幅值影響十分明顯。這是因為對于B點來說，工況2為2條隧道依次先側(cè)穿后下穿，側(cè)穿的先行隧道會對兩側(cè)的土體產(chǎn)生側(cè)向擠壓，形成排水固結(jié)，對B點處地層起到了一定程度的加固作用，因而下穿B點的后行隧道由于地層損失產(chǎn)生的豎向應(yīng)力的降幅較小。

(b) 工況1(右線后行隧道盾尾脫出時刻t2)

圖11 土體的應(yīng)力歷史變化曲線Fig. 11 Development of soil stress

對于深度相同的A、B2點來說，2種工況中在側(cè)穿隧道通過后，二者應(yīng)力差接近，而在下穿隧道通過后，二者應(yīng)力差較大。工況1中A、B2點在t1時刻應(yīng)力差為23.9 kPa，而工況2中A、B2點在t2時刻應(yīng)力差為16.8 kPa。較大的應(yīng)力差將導(dǎo)致較大的沉降差，這也是工況1對應(yīng)的穿越形式可導(dǎo)致下穿隧道上方建筑物產(chǎn)生更大傾斜的原因。

3.3 基礎(chǔ)平面變形模式

基于2種工況建筑物的沉降與傾斜情況不同，對其基礎(chǔ)平面的變形模式進行對比，如圖12所示，圖中變形比例為1∶1。可以得出，對于大角度斜交的錦榮2、3號樓，2種工況均未造成其基礎(chǔ)平面形狀的改變；而對于小角度斜交的錦榮1號樓，工況1中先下穿后側(cè)穿的穿越形式造成了其基礎(chǔ)平面產(chǎn)生了較明顯的扭轉(zhuǎn)，而工況2中幾乎沒有產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)?？梢姶┰叫问降牟煌梢詫ㄖ锘A(chǔ)平面的變形模式產(chǎn)生明顯的影響。綜上，實際工程中錦榮1號樓(小角度斜交)被隧道先下穿后側(cè)穿的穿越形式，無論對該建筑物的傾斜還是基礎(chǔ)平面變形模式的控制而言均為不利的工況。

(a) 工況1 (b) 工況2

4 結(jié)論與討論

1)在被穿越建筑物規(guī)模已確定，且先后隧道施工控制水平穩(wěn)定的前提下，盾構(gòu)隧道會對與隧道平面走向夾角較小的建筑物產(chǎn)生較大的整體沉降；而對與隧道平面走向大角度斜交的建筑物產(chǎn)生較大的不均勻沉降及傾斜率。

2)當2條平行盾構(gòu)隧道分別以小角度下穿和側(cè)穿建筑物時，先行隧道下穿、后行隧道側(cè)穿這種穿越形式使得建筑物各墻體沉降曲線趨于“單斜狀”，而先行隧道側(cè)穿、后行隧道下穿時建筑物各墻體沉降曲線則近似“水平狀”。

3)當2條平行盾構(gòu)隧道分別以小角度下穿和側(cè)穿建筑物時，先行隧道下穿、后行隧道側(cè)穿這種穿越形式使得建筑物下伏地層產(chǎn)生“二次損傷”，基礎(chǔ)平面發(fā)生扭轉(zhuǎn)，對建筑物傾斜率的影響約為先行隧道側(cè)穿、后行隧道下穿時的2倍，對砌體建筑物更為不利。因此，當重點保護建筑物與平行隧道呈小角度斜交時，應(yīng)盡量選擇先行隧道側(cè)穿、后行隧道下穿建筑物的穿越形式。

4)盾構(gòu)以一定角度下穿同一建筑物，墻體被隧道以較大夾角穿越時的傾斜率稍大，約為夾角較小時墻體傾斜率的2倍。

當然，上述變形規(guī)律的得出是基于本文計算依托的實際工程進行分析而得到的。在該工程中，砌體建筑物規(guī)模和使用現(xiàn)狀相近，土質(zhì)條件相近，左右線隧道埋深相同且施工控制水平接近，隧道線路及其與建筑物的斜交角度已確定。在以上前提下，對建筑物沉降與傾斜的研究才得到上述隧道穿越形式的規(guī)律。如果建筑物結(jié)構(gòu)形式不同，使用現(xiàn)狀各異，2條隧道埋深不同，甚至為上下重疊隧道，則情況要復(fù)雜得多。對于這些更為復(fù)雜的情形，還需另外進行專門分析。