復合地層TBM隧道施工引起建筑物沉降規律研究

劉赟君, 李化云, 黃 丹

(1. 貴州宏信創達工程檢測咨詢有限公司, 貴州 貴陽 550014; 2. 西華大學土木建筑與環境學院,四川 成都 610000; 3. 中鐵五局集團建筑工程有限責任公司, 貴州 貴陽 550000)

0 引言

近年來,我國城市軌道交通工程迅猛發展,越來越多的城市已建成或在籌建軌道交通運輸體系。在地鐵隧道建設過程中,不同城市所面臨的地質問題不同,從而決定了施工工法不同。目前,對于巖質地層,多采用礦山法施工,但根據既有建設經驗,巖質地層礦山法施工存在爆破振動擾民的問題。對此,重慶開始采用單護盾TBM施工。

城市地鐵隧道由于埋深普遍較淺,隧道穿越區圍巖多為上軟下硬復合地層。復合地層隧道施工過程中,圍巖受擾動較大,尤其是上部軟巖地層,極易引起地表建筑物沉降[1-2]。目前,針對復合地層盾構或TBM下穿建筑物的研究已取得了一定成果。李偉等[3]依托杭州地鐵1號線,采用現場監測的方法,得出了盾構施工引起建筑物變形的規律。李海[4]依托蘇州地鐵蘇州樂園—塔園路區間,分析了同步注漿對建筑物沉降的影響,明確了注漿及二次補漿對控制建筑物沉降的意義。孫鶴明等[5]采用數值模擬的方法,探討了復合地層中,單護盾TBM施工引起的沉降槽范圍與建筑物沉降的空間關系。張頂立等[6]結合工程實踐,研究了城市隧道開挖影響下建筑物的變形特征,并建立了建筑物變形與隧道埋深、圍巖條件的關系。以上研究,均分析了復合地層盾構及TBM開挖引起的建筑物沉降規律,并給出相應的加固措施指導工程施工。對于單護盾TBM施工隧道,均采用管片作為支護結構,實際工程中,管片與圍巖之間存在5～10 cm的空隙,一般采用豆礫石回填并注漿[7-10]。但是,目前限于施工工藝,豆礫石吹填與注漿均滯后于管片安裝,這就使得支護結構與圍巖無法及時形成穩定的受力體系[11-13],造成建筑物后續沉降過大,而目前的研究均忽略了豆礫石的作用,與工程實際存在一定的差別。

為了探明淺埋復合地層中單護盾TBM施工引起的建筑物沉降規律,采用數值模擬與現場實測的方法,分析豆礫石吹填注漿及軟硬巖交界面位置對建筑物沉降的影響,以期為淺埋復合地層中單護盾TBM下穿建筑物施工提供借鑒。

1 TBM與地層空間關系

重慶軌道交通環線1標段采用單護盾TBM施工,TBM刀盤直徑為6.83 m。TBM隧道穿越區周邊環境復雜,存在大量建筑物。線路隧道埋深普遍為15～25 m,隧道穿越區主要為砂質泥巖和砂巖,表現為典型的上軟下硬復合地層。TBM隧道采用“5+1”的管片支護型式,管片厚度為35 cm,外徑為6.6 m,混凝土等級為C50。管片錯縫拼裝,縱向設置10根螺栓,環向設12根螺栓,螺栓采用8.8級M30高強螺栓。

單護盾TBM由刀盤、前盾和尾盾3個部分組成,機身整體設計成倒梯形。施工過程中,管片安裝是在尾盾的保護下進行的,因此,管片脫出盾尾后通常與圍巖之間存在5～10 cm的空隙,TBM、管片、圍巖空間關系見圖1。

圖1 圍巖、TBM、管片空間關系Fig. 1 Space relationship of rock, TBM and segments

目前,管片與圍巖之間的空隙多采用豆礫石回填,豆礫石回填材料見圖2。豆礫石回填后,對回填的豆礫石進行注漿固結,從而形成圍巖-豆礫石-管片的穩定受力體系。但限于施工工藝,豆礫石吹填與注漿均滯后于管片安裝,其中,豆礫石吹填往往滯后于管片安裝5～7環,注漿則滯后于管片安裝20～30環。這就使得支護結構與圍巖無法及時形成穩定的受力體系,易引起建筑物后續沉降過大。

2 考慮豆礫石的數值建模及建筑物沉降分析

2.1 數值建模

以TBM隧道下穿的3層房屋為原型,采用FLAC3D建立數值模型分析TBM施工引起的建筑物沉降規律。計算模型采用實體單元,圍巖模型尺寸為75 m×50 m×35 m,見圖3(a);建筑物為磚混結構,尺寸為18 m×16 m×12 m,見圖3(b);建筑物基礎為墻下條基,深度為2.6 m,見圖3(c)。隧道埋深為18.4 m,為淺埋隧道,隧道位于建筑物正下方,隧道軸線與建筑物中線約以80°角相交,數值模擬中簡化為正交。單護盾TBM刀盤外徑6.83 m、長度約1.5 m,前盾外徑6.79 m、長度約4.5 m,尾盾外徑6.77 m、長度約3 m,管片外徑6.6 m、單環管片長度1.5 m,見圖4。數值建模過程中,刀頭與圍巖接觸,前盾上部與圍巖存在2 cm空隙,尾盾與圍巖空隙為3 cm,管片底部設置了墊塊,上部與圍巖空隙為13 cm。管片脫離盾尾后,首先對底部吹填豆礫石;脫離盾尾2環后對中部開始吹填豆礫石;脫離盾尾5環后對頂部吹填豆礫石;脫離盾尾20環后對豆礫石進行注漿。豆礫石吹填壓力為0.3 MPa,注漿壓力為0.5 MPa。

隧道開挖模擬步驟如下: 1)對掌子面、首環管片施加9 000 kN的推力和1 600 kN·m的轉矩,開挖掌子面并刪除相應的推力和轉矩,隨后逐步生成刀盤、前盾、尾盾以及管片,沿隧道軸向每次前進1.5 m; 2)管片脫離盾尾后,底部吹填豆礫石; 3)隨著刀盤、前盾、尾盾的前進,逐步對管片背后空隙進行回填; 4)管片脫離盾尾20環后,改變該環豆礫石參數,模擬注漿后的豆礫石,并對圍巖、管片施加一定時間的注漿壓力。在模擬過程中,TBM各結構之間均設置接觸面,避免結構下沉塌穿[14]。管片采用均值圓環模擬,并依據相應成果進行折減[14-15]。豆礫石共分為2種狀態,分別采用不同的彈性模量等效模擬。考慮到刀盤、主軸承、主梁等的質量極大,所以TBM自重采用等效密度,即TBM自重除以模型中各部件體積。單護盾TBM、管片、建筑物均假定為線彈性材料,主要計算參數見表1,圍巖為彈塑性材料,符合摩爾-庫侖破壞準則,其物理力學參數見表2。

圖3 計算模型Fig. 3 Calculation model

圖4 單護盾TBM模型Fig. 4 Model of single shield TBM

表1 主要計算參數Table 1 Major calculation parameters

表2 圍巖物理力學參數Table 2 Physical and mechanical parameters of surrounding rock

2.2 考慮豆礫石的建筑物沉降規律分析

為分析單護盾TBM及豆礫石對建筑物沉降的影響,首先分析全砂巖地層、全砂質泥巖地層與建筑物沉降規律。讀取隧道開挖斷面拱頂部位圍巖及隧道軸線正上方建筑物條基頂部(為沉降優勢部位)沉降數據進行分析,圍巖及建筑物沉降曲線見圖5和圖6。

圖5 拱頂圍巖下沉時程曲線Fig. 5 Time-history curve of surrounding rock subsidence at vault

圖6 建筑物沉降規律Fig. 6 Law of building settlement

由圖5和圖6可知,TBM掘進過程中,軟巖地層拱頂圍巖下沉可分為6個階段: 1)開挖未到達監測斷面,拱頂圍巖在推力、轉矩作用下出現輕微隆起; 2)開挖接近斷面后,拱頂圍巖開始下沉,沉降速度在刀頭通過后開始增加,由于拱頂圍巖與前護盾具有一定間隙,此時圍巖未受支護,拱頂下沉速度較快; 3)由于拱頂沉降速率過快,后護盾通過時,后護盾與圍巖開始接觸,受護盾支撐作用,圍巖拱頂沉降速度減緩; 4)后護盾通過后,管片與圍巖之間空隙較大,圍巖未受到支護作用,拱頂下沉速度再次增加,且下沉速度達到整個掘進階段的最大值; 5)豆礫石回填后,拱頂下沉速率減緩,但由于受豆礫石壓縮影響,拱頂圍巖下沉持續時間較長,且無收斂趨勢; 6)豆礫石注漿后,受注漿壓力影響,拱頂圍巖出現輕微隆起,并很快收斂,此時圍巖、回填層、管片已形成穩定受力體系。

硬巖地層由于變形小,圍巖與護盾沒有接觸,其變形趨勢相對平滑,可分為4個階段: 1)未掘進至監測斷面時出現輕微隆起; 2)開挖后,圍巖與TBM不接觸,變形相對較快,但持續時間較短; 3)豆礫石回填后,拱頂沉降速率逐漸降低,但整體持續時間較長; 4)注漿后拱頂圍巖出現輕微隆起,但迅速穩定。由計算結果可知,豆礫石回填前拱頂下沉相對較快,回填后變形有所減緩,但變形持續時間較長,可見豆礫石的作用不可忽略。

與圍巖拱頂下沉相比,建筑物沉降曲線則較為平滑,軟地層中也基本看不出TBM護盾支護作用的影響。建筑物沉降大致可劃分為4個階段: 1)未掘進至監測斷面時建筑物出現輕微隆起; 2)監測斷面開挖后,建筑物出現較大的沉降,且持續時間較長,直至豆礫石吹填完成后; 3)豆礫石吹填完成后,建筑物下沉速度減緩,但依舊持續一段時間; 4)圍巖注漿后,建筑物沉降開始收斂。

依據計算結果,在考慮施工過程的基礎上,進一步分析各個施工階段拱頂圍巖及建筑物沉降的量值及占總沉降的比例,分析結果見表3和表4。

表3 各施工階段拱頂地層下沉Table 3 Ground subsidence of vault in each construction stage

表4 各施工階段建筑物沉降Table 4 Building settlement at each construction stage

由表3和表4可以看出,圍巖及建筑物沉降最快階段均為隧道開挖后(刀頭通過)到豆礫石吹填完成前,軟巖地層拱頂圍巖下沉及建筑物沉降所占比例分別約為72%和69%,硬巖地層中分別占72%和78%。由于TBM、圍巖與管片的空間關系,該階段圍巖基本處于無支護狀態,地層及建筑物的沉降速度相對較快。

整環豆礫石吹填完成后,建筑物及地層沉降速度均開始降低,可見及時吹填豆礫石對控制地層及建筑物沉降具有實際意義。由于豆礫石存在較高的孔隙率,彈性模量較低,可壓縮性較強,隧道處于弱支護狀態,因此,該階段建筑物及地層均會出現較大的沉降,軟巖地層圍巖下沉及建筑物沉降所占比例分別約為28%和29%,硬巖地層中分別約為28%和20%。注漿后,穩定的支護體系開始形成,建筑物及地層沉降開始迅速收斂穩定。由此可以進一步得出,豆礫石吹填和注漿對建筑物及地層沉降具有重要的意義,施工階段應把握好豆礫石吹填和注漿的時機。

3 復合地層TBM施工建筑物沉降規律及處治措施

3.1 交界面對建筑物沉降影響及對應處治措施

復合地層是城市地鐵建設中面臨的重要難題之一,實際工程中,地層軟硬巖交界面往往起伏不平。交界面與隧道斷面關系不同,TBM施工對建筑物所造成的影響不同。對復合地層建筑物沉降控制措施選取時,應考慮交界面與隧道的位置。采用數值模擬方法計算分析淺埋隧道不同交界面位置的建筑物沉降規律。首先分析交界面位于隧道斷面上方0.5D處(D為隧道開挖外徑)、斷面拱頂處、斷面中線處、斷面隧底處4種工況下建筑物沉降規律,見圖7。

由計算結果可知,隨著軟硬巖交界面逐漸接近以至于侵入隧道開挖斷面,隧道上部建筑物的沉降逐漸增大,建筑物下沉持續時間增長。可見,在復合地層中進行TBM施工,軟硬巖交界面的位置對建筑物下沉具有重要影響,對建筑物進行加固防護時應考慮隧道開挖面與軟硬巖交界面的位置。對此,研究繼續增加了計算工況,分析了交界面位于斷面上方(1D、0.75D、0.5D、0.25D)、斷 面 內 部(0D、0.25D、0.5D、0.75D、D)、斷面下部(0.25D、0.5D、0.75D、D)13種工況的建筑物沉降規律,并提取了建筑物沉降最大值,見圖8。

圖7 復合地層建筑物沉降規律Fig. 7 Law of building settlement in composite ground

圖8 交界面位置與建筑物沉降關系Fig. 8 Relationship between interface location and building settlement

由建筑物最大變形可以看出,隨著軟地層的逐漸侵入,最大變形逐漸增加。當軟硬巖交界面位于隧道斷面上部0.5D及以上范圍時,建筑物沉降幾乎不受軟硬巖交界面位置的影響。當交界面超過隧道上部0.5D的位置后,建筑物沉降隨著交界面下移開始逐漸緩慢增加,此時交界面對建筑物沉降為弱影響。當交界面超過隧道斷面內部0.25D時,建筑物沉降開始迅速增長,可見,交界面超過隧道斷面內0.25D后,軟硬巖交界對建筑物沉降的影響由弱影響變為強影響。當交界面位于隧道斷面0.75D后,建筑物沉降超過控制基準值,并接近全軟地層最大沉降值。當交界面位于斷面底部及以下時,建筑物最大沉降不再隨交界面的下移而繼續增大。可見,交界面一旦超過隧道斷面0.75D后,應完全按照全軟地層設計施工。

根據建筑物沉降規律,將交界面對建筑物沉降的影響劃分為無影響、弱影響、強影響3個類別。根據工程現場實際施工情況,總結出了各類地層對應的安全控制措施,見表5。

表5 交界面位置對建筑物沉降影響劃分及處治措施Table 5 Influence of interface location on building settlement and disposal measures

3.2 工程應用及驗證

依托工程現場的實際地層為砂質泥巖和砂巖復合層,其中,2種巖性的交界面位于隧道斷面內部0.7D處。由上述計算結果可知,軟硬巖交界面對建筑沉降為強影響。對此,現場施工中主要采取以下加固措施: 1)采用小推力、低轉速的方式掘進,推力控制在8 000 kN,轉矩控制在1 400 kN·m,轉速控制在4～4.5 r·min-1; 2)豆礫石吹填完成10環后便注漿,降低后續沉降; 3)在TBM掘進前,采用水泥漿液對建筑物進行注漿加固,注漿范圍為隧道斷面上部9 m至斷面下部3 m處。

采用數值模擬對現場的加固措施進行分析,并與現場監控量測數據進行對比。現場監測點位置為隧道軸線正上方建筑物條基頂部位置(建筑物前側、后側2個點),數值模擬讀取的點位置為隧道軸線正上方建筑物條基頂部(建筑物前側)。數值模擬與計算結果現場實測對比見圖9。

圖9 建筑物沉降對比Fig. 9 Comparison of building settlement

由圖9可知,數值計算結果與現場實測數據接近、規律一致,由此可驗證數值模擬的準確性。由計算結果和工程實測還可看出,在地表對地層注漿加固后,建筑沉降未超過安全控制基準,建筑物處于安全狀態。同時,由于對豆礫石進行了及時注漿,建筑物沉降能夠在較短的時間內穩定,且豆礫石壓縮引起的后續沉降所占比例降低至17%。由此可以看出,復合地層、軟巖地層中采取地層注漿加固和及時回填豆礫石注漿的措施對控制建筑物沉降有著重要的工程意義。

4 結論與討論

淺埋復合地層TBM下穿建筑物施工過程中,上部軟巖受施工擾動較大,易引起較大的建筑物沉降。針對復合地層單護盾TBM下穿建筑物問題,采用數值模擬與現場監測的方法,重點研究了豆礫石回填注漿及軟硬巖交界面位置對建筑物沉降的影響,研究得出以下結論:

1)單護盾TBM施工過程中,地層及建筑物沉降最快的階段為隧道開挖(刀盤通過)后到豆礫石吹填完成前,該階段建筑物沉降值約占總沉降的70%,分析其原因為該階段圍基本處于無支護狀態;豆礫石吹填后,由于豆礫石可壓縮性較強,隧道處于弱支護狀態,建筑物依然會出現一定的下沉,此階段沉降值約占總沉降的30%,及時吹填豆礫石并注漿對控制建筑物沉降具有重要意義。

2)軟硬巖交界面位置對復合地層中建筑物沉降具有重要影響,依據建筑物沉降規律,將交界面位置的影響分為無影響、弱影響、強影響(沉降超限、未超限)3類,并通過總結現場工程經驗,分別給出了對應的建筑物沉降安全控制措施。

3)現場的工程監測及數值模擬均顯示,地表注漿和豆礫石及時回填注漿對控制建筑物沉降具有重要意義。

4)研究以埋深為2～3倍洞徑的淺埋隧道為依托,得出了豆礫石回填注漿和軟硬巖交界面對建筑物沉降的影響,并提出相應的施工措施,研究成果可為淺埋復合地層TBM下穿建筑物施工提供借鑒。同時,隧道埋深、交界面角度、建筑物位置等均會對建筑物沉降產生影響,后續研究可進一步對以上因素進行探討,建立更為全面的影響分類方法,從而進一步提高研究成果的通用性。