盾構隧道側下穿既有水塔施工安全性影響分析

劉付倉

(中鐵十九局集團第二工程有限公司，遼寧 遼陽 111000)

城市的密集發展導致城市軌道工程與其他建設項目越來越集中，近接工程案例層出不窮。在下穿既有建(構)筑物的隧道工程建設中，需要分析在建隧道對既有建(構)筑物造成的影響。國內學者楊建烽等[1]依托盾構隧道下穿既有城市軌道實際工程，對隧道施工控制方法與既有結構的變形之間的關系進行分析。畢景佩等[2]建立區間盾構隧道下穿橋梁計算模型，分析得到了橋樁差異沉降變化規律。

以往關于新建隧道下穿地表既有建(構)筑物的工程案例，多是隧道下穿或近接高速鐵路[3-5]、橋梁[6]、樁基[7-11]等工程案例，而從基礎側下方穿越高聳、獨立基礎水塔案例還未見報道。盾構側下穿水塔施工會引起水塔基礎發生不均勻沉降變形和水平變形，使水塔發生傾斜和附加彎矩，影響結構安全。因此，本文以珠三角城際軌道交通廣佛環線東環隧道側下穿水塔為工程背景，通過數值模擬手段分析新建盾構隧道上下行線對既有水塔建筑物安全性的影響。

1 工程概況

東環隧道屬于城市地下隧道，采用復合式土壓平衡盾構法施工，在龍洞站至大源站區間上行線DSK30+905.5896、下行線DXK30+916.4882均側下穿水塔，區間隧道與既有水塔位置關系如圖1、圖2所示。

圖1 隧道與既有水塔平面關系

圖2 隧道與既有水塔立 圖3 水塔及周圍建筑面關系(單位：m)

東環隧道直徑為8.8 m，管片內徑為8.0 m，管片厚度為0.4 m，環寬1.8 m，C50鋼筋混凝土，管片分為7塊，采用通用楔形環，錯縫拼裝，環間通過螺栓連接。盾構隧道拱頂埋深約為42.1 m。

既有水塔基礎形式為承臺下直徑500 mm鉆孔鋼筋混凝土樁，25根，長度約10 m。水塔塔身柱直徑2.5 m，為鋼筋混凝土結構，混凝土等級為C25。上部水箱直徑為15 m，水塔形式見圖3。水塔周邊有1層廠房1座，4～6層居民樓若干。

水塔附近地質鉆孔揭露的地質分層見表1。

表1 地質狀況表

勘察揭露的初見水位埋深為0.60～12.50 m，平均埋深為2.71 m，標高為 21.85～116.35 m，平均標高為 36.80 m；穩定水位埋深為 0.20～12.10 m，平均埋深為2.42 m，標高為 22.15～116.75 m，平均標高為 37.09 m。地下水按賦存方式分為第四系松散土層孔隙水，塊狀基巖裂隙水，在裂隙發育地段，水量較豐富，滲透系數為 1.05 m/d。

2 建立分析模型

根據隧道埋深及隧道開挖順序，采用FLAC 3D有限差分元通用程序計算。計算模型所取范圍是：沿縱向取100 m，沿橫向取115 m，深度取隧道仰拱下方80 m；邊界條件為前后、左右方向受水平約束，垂直方向底面受豎向約束，頂面為自由面；計算中地層采用彈塑性實體單元模擬，襯砌管片、水塔結構及基礎采用彈性實體單元模擬。

盾構每次推進長度為一環管片寬度(取1.8 m)，土體及管片均采用實體單元，盾構機采用shell單元，數值模擬掘進全過程具體步驟如下：

(1)開挖過程。在開挖面處用一環大剛度、高重度殼單元模擬盾殼對地層的作用，并在掌子面上施加密封艙壓力。

(2)管片拼裝過程。用管片實體彈性單元替換殼單元，同時刪除掌子面上壓力，將管片外薄層(注漿層)強度設置為1個很小值(10-6)模擬盾殼空隙。

(3)注漿及凝固過程。注漿層材料強度隨掘進開挖進展逐漸增加，以模擬注漿硬化過程。

(4)固結沉降過程。待注漿土層達到設計強度值后，計算至平衡，模擬固結沉降。隧道盾構掘進數值模擬如圖4所示。計算過程中，主要應力釋放及變形過程發生在管片拼裝與注漿及凝固過程。

圖4 盾構掘進過程 圖5 模型網格劃分

計算模型中，采用六面體單元映射劃分，建立的模型共150 905個節點，362 950個單元。三維數值計算模型見圖5。

綜合考慮地下水以及盾構施工擾動對圍巖參數的弱化作用，所確定的計算參數見表2、表3。

表2 圍巖計算參數

表3 混凝土和鋼材物理力學參數

3 隧道開挖對既有水塔的影響規律

計算時先施工上行線隧道，后施工下行線隧道，隧道圍巖無注漿加固措施。

3.1 水塔位移分析

3.1.1 豎向沉降

隧道采用盾構法施工過程中水塔豎向沉降如圖6所示。由圖6可知：盾構隧道施工過程中，既有水塔豎向沉降最大值均發生在水塔頂部，最小值發生在水塔基礎下部，盾構隧道工作面距離水塔越近，對水塔的沉降影響越大。下行隧道施工完成(整個隧道施工完成)時，既有水塔頂的最大沉降值為17.8 mm，基礎沉降值為14.1 mm。隧道施工過程中水塔頂和基礎的沉降變化規律如圖7所示。

圖6 隧道施工過程中既有水塔沉降云圖(單位：m)

由圖7可以看出：在隧道施工過程中，水塔塔頂沉降大于水塔基底沉降；上行隧道距離水塔20 m時，水塔基底稍微有點隆起，上行隧道越靠近水塔，水塔基底和塔頂沉降變形越大，上行隧道施工完成，水塔基底和塔頂沉降達到最大值；下行線距離水塔10 m，由于盾構推進會使地表隆起，水塔基底和塔頂沉降變形比上行線施工完成時有所減小，之后沉降值逐漸增大，至下行線施工完成達到最大值。

注：施工狀態1代表上行隧道距水塔40 m；施工狀態2代表上行隧道距水塔20 m；施工狀態3代表上行隧道距水塔0 m；施工狀態4代表上行隧道施工完成；施工狀態5代表下行隧道距水塔10 m；施工狀態6代表上行隧道距水塔0 m；施工狀態7代表下行隧道施工完成。下同

3.1.2 水平位移

隧道采用盾構法施工過程中水塔水平變形如圖8所示。由圖8可以看出：盾構隧道施工工程中，既有水塔水平變形最大值均發生在水塔塔身中部和塔頂，方向向左，隨著施工的進行最大水平位移由塔身中部向塔頂轉移。水塔基礎下部基本無水平變形；盾構隧道工作面距離水塔越近，對水塔頂的水平變形影響越大。下行隧道施工完成(整個隧道施工完成)時，既有水塔頂的最大水平變形值為13.2 mm，基礎水平變形值僅為0.1 mm。隧道施工過程中水塔頂和基礎的水平變形規律如圖9所示。

圖8 隧道施工過程中既有水塔水平變形云圖(單位：m)

圖9 隧道施工過程中水塔水平變形規律

由圖9可以看出：在隧道施工過程中，水塔塔頂水平變形遠遠大于水塔基底變形，基底水平變形量很小；上下行隧道越靠近水塔，水塔塔頂水平變形越大，下行隧道施工完成，水塔塔頂水平變形達到最大值。

既有水塔沉降及水平變形統計見表4。

由表4可以看出：隧道施工完成后既有水塔基礎最大沉降值為14.1 mm，水塔最大水平變形13.2 mm，最大基礎傾斜tanθ=0.004 0，均在規范《給水排水工程水塔結構設計規程》(CECS139-2002)規定的允許值(低中壓縮黏性土、砂土中，20 m

表4 既有水塔基礎沉降及塔頂水平變形

3.2 水塔應力分析

隧道施工前后，既有水塔應力分別如圖10～圖12所示。

由圖10～圖12可以看出，盾構施工過程中水塔基礎與塔身應力增加，既有水塔最大壓應力和拉應力見表5。既有水塔結構最大壓應力2.92 MPa，小于C25混凝土軸心抗壓強度標準值16.7 MPa，增加1.54 MPa；最大拉應力為0.80 MPa，小于C25混凝土軸心抗拉強度標準值1.78 MPa，較施工前增加0.76 MPa。

圖10 隧道施工前水塔結構應力(單位：MPa) 圖11 上行隧道施工完成水塔結構應力(單位：MPa) 圖12 下行隧道施工完成水塔結構應力(單位：MPa)

表5 既有水塔最大壓應力和拉應力

4 水平變形引起附加彎矩

根據《高聳結構設計標準》(GB50135-2019)，在水塔塔身截面i處，在塔體豎向荷載作用下由于施工導致的水平位移所產生的附加彎矩Mai可按式(1)計算，計算圖式如圖13所示。

圖13 附加彎矩計算圖式

(1)

式中：Gj為j質點的重力荷載；μi，μj分別為i、j質點的由于施工導致的水平位移，計算時僅考慮了基礎傾斜和水平位移，未考慮日照溫差影響。

計算結果水平變形為13.2 mm，引起的附加彎矩為：Mai=64 kN·m。隧道施工引起的附加彎矩值很小，不會影響水塔結構的安全。

5 結論

(1)采用土壓平衡復合盾構，先施工上行線，再施工下行線穿越水塔的施工方案，可保證水塔結構安全。

(2)隧道施工完成后既有水塔基礎最大沉降值為14.1 mm，水塔最大水平變形13.2 mm，基礎傾斜tanθ=0.004 0，既有水塔結構最大壓應力2.92 MPa，最大拉應力0.80 MPa，滿足規范要求。

(3)施工引起既有水塔結構的附加彎矩很小，不會影響水塔結構的安全。