粉質(zhì)砂層地鐵盾構(gòu)下穿淺基礎(chǔ)房屋地表沉降控制研究

易鵬程

（中鐵十一局集團(tuán)城市軌道工程有限公司，湖北 武漢 430000）

隨著城市的快速發(fā)展，地鐵成為緩解交通擁堵的有效途徑，由城市內(nèi)環(huán)線向外環(huán)線形成交通閉環(huán)網(wǎng)，成為了城市地鐵發(fā)展的趨勢。然而，在外擴(kuò)地鐵線路的同時(shí)，不可避免地要穿越城郊一些老城區(qū)，在其不可拆除的情況下，盾構(gòu)下穿淺基礎(chǔ)房屋成為地鐵隧道施工地表沉降控制的重難點(diǎn)。

李梓亮，湯勁松等［1］通過有限元軟件探究不同影響因素對盾構(gòu)隧道下穿砌體結(jié)構(gòu)房屋的影響程度，得到隧道軸線與建筑物中心線間距是最主要影響因素，地層類型對房屋的影響最小；張學(xué)民，董宗磊等［2］通過注漿對上部建筑物變形特性及其損壞的影響研究，得到建筑物外側(cè)墻體變形由“前后向內(nèi)，兩側(cè)向外”向“前后向外，兩側(cè)向內(nèi)”轉(zhuǎn)化，然后逐漸減小最終趨于穩(wěn)定，建筑物裂縫以角部受剪裂縫居多，測試期間未發(fā)生明顯開展或閉合；孫杰，武科等［3］對盾構(gòu)掘進(jìn)下穿硬巖地層既有建筑物群變形的空間屬性效應(yīng)分析，得到建筑物沉降速率與隧道埋深及水平距離成反比，同時(shí)應(yīng)加強(qiáng)建筑物轉(zhuǎn)角及大型構(gòu)筑物旁的小型建筑物變形監(jiān)測；趙曉彥，張肖兵等［4］應(yīng)用FLAC3D數(shù)值模擬軟件模擬不同施工參數(shù)（掌子面支護(hù)壓力、等代層彈性模量）下對地層沉降的影響，提出合理的盾構(gòu)施工參數(shù)范圍。

上述文獻(xiàn)大多針對隧道下穿建筑物時(shí)，地層的沉降變形與施工參數(shù)控制措施的關(guān)系以及根據(jù)建筑物自身變形程度來推測建筑物破環(huán)的可能。然而，隧道下穿建筑物受地層及埋深、建筑構(gòu)造等多方面因素的影響，特別是一些特殊地層，單一的地層研究成果推廣具有局限性。同時(shí)對隧道下穿建筑物過程的沉降分析及建筑物中不同斷面地表不均勻沉降研究較少。本論述通過FLAC3D有限差分軟件模擬特殊粉質(zhì)砂性地層盾構(gòu)下穿淺基礎(chǔ)房屋，分析不同掘進(jìn)方式、施工參數(shù)在下穿過程不同斷面地表沉降規(guī)律，依此確定多維條件下的建筑物沉降措施。加強(qiáng)研究課題的實(shí)用性和準(zhǔn)確性，更好地服務(wù)于隧道建設(shè)。

1 工程概況

武漢某盾構(gòu)區(qū)間段，線路形式為單洞單線。該段所處地層主要分為粉質(zhì)黏性砂層。下穿經(jīng)過淺基礎(chǔ)密集磚混房屋，高低不一，地下水位埋深為1.5～13.2 m，隧道埋深約12～17 m。區(qū)間砂性土的滲透性較強(qiáng)，容易受擾動(dòng)形成富水砂層，地面沉降變形控制難度較大，地面建筑物易損壞。研究盾構(gòu)施工參數(shù)的動(dòng)態(tài)調(diào)整，對地面沉降的控制以及地表建筑物安全起到關(guān)鍵性作用。

2 盾構(gòu)下穿房屋模型建立

2.1 模型參數(shù)選擇

根據(jù)相關(guān)盾構(gòu)施工影響范圍資料及經(jīng)驗(yàn)，采取模型尺寸74 m×45 m×39 m（X×Y×Z），地鐵盾構(gòu)隧道外徑6.0 m，襯砌厚度0.3 m，隧道埋深14 m，建模的土層劃分及參數(shù)設(shè)置按照工程勘察的相關(guān)說明進(jìn)行，采用位移邊界條件。隧道的掘進(jìn)方向沿Y軸正方向向前推進(jìn)。土體采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，模擬參數(shù)見表1所列。

表1 各材料及地層物理參數(shù)

根據(jù)FLAC3D軟件的局限性結(jié)合相關(guān)學(xué)者研究文獻(xiàn)［5］，盾尾注漿體采用均質(zhì)的等效層來模擬注漿壓力，泊松比取0.26，厚度取30 cm，彈性模量采用未凝固前注漿壓力，取0.3 MPa［6］。

隧道各地層模型網(wǎng)格劃分及轉(zhuǎn)換后如圖1、2所示。

圖1 盾構(gòu)隧道模型網(wǎng)格劃分

圖2 導(dǎo)入后FLAC模型圖

2.2 初始條件及應(yīng)力平衡計(jì)算

考慮淺基礎(chǔ)磚混民居群地表負(fù)重的影響，采用在隧道正上方地表建立2 m×12 m×30 m加40 kPa的Z方向均布荷載來模擬建筑物荷載影響。

地層土體自重及外部荷載作用下豎向位移云圖如圖3所示。

圖3 地層自重豎向位移云圖

3 盾構(gòu)掘進(jìn)不同施工參數(shù)對地表沉降的影響規(guī)律

盾構(gòu)施工地表沉降影響因素眾多，根據(jù)工程現(xiàn)場施工實(shí)際狀況及技術(shù)資料，考慮土倉壓力、地面荷載以及注漿壓力3個(gè)關(guān)鍵的影響因素，同時(shí)數(shù)值模擬以開挖15 m為一階段，不同的開挖支護(hù)時(shí)步對地表的沉降分析同樣至關(guān)重要。

3.1 不同開挖方式

（1）通過分析左、右線不同開挖階段在不同時(shí)步下地表沉降規(guī)律；（2）通過左、右線同時(shí)開挖不同時(shí)步地表沉降的規(guī)律。模擬監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線如圖4所示。

圖4 不同開挖方式下地表沉降曲線

根據(jù)圖4可以看到，地表沉降曲線在單線開挖時(shí)呈正態(tài)分布，在隧道正上方地表沉降值最大，由隧道向兩邊先迅速降低后趨于穩(wěn)定，主要沉降區(qū)域發(fā)生在隧道旁2.5D范圍；在雙線同時(shí)開挖時(shí)呈W形沉降曲線，在兩隧道正上方沉降值最大，隧道中間位置發(fā)生隆起。左線開挖完成后建筑物下方沉降達(dá)到20.72 mm，右線開挖會(huì)導(dǎo)致左線沉降完成的基礎(chǔ)上產(chǎn)生擾動(dòng)沉降，右線開挖完成，左線的建筑下方最終沉降值在22.33 mm，增加1.61 mm；左線開挖15 m時(shí)，左建筑物下方沉降達(dá)到15.22 mm，右線開挖15 m時(shí)，左建筑下方地表沉降為21.22 mm，右建筑下方沉降10.78 mm，而且沉降由左線逐漸向右線降低，沉降呈斜坡式，對建筑物的不均勻沉降影響嚴(yán)重；雙線開挖15 m時(shí)，雙線建筑下方沉降值為7.44 mm，沉降均勻。通過兩種開挖方式發(fā)現(xiàn)兩線全部貫通時(shí)，先左后右開挖最終最大沉降值為23.54 mm，同步開挖最終最大沉降值為22.35 mm，相差1.19 mm。在通過危險(xiǎn)磚混淺基礎(chǔ)建筑物時(shí)，盡量避免來回對地層擾動(dòng)，有利于控制地表沉降，對施工安全控制起到積極作用。

在研究分析不同開挖方式對建筑物地表沉降規(guī)律分析后，采用雙線同步開挖方式，研究不同施工參數(shù)對地表沉降影響規(guī)律，為盾構(gòu)施工提供參考依據(jù)。

3.2 不同建筑荷載

考慮穿越地層建筑加蓋嚴(yán)重，層數(shù)不一，研究20 kPa、40 kPa、60 kPa不同建筑荷載對地表沉降規(guī)律分析，能有效為沉降預(yù)測提供參考。模擬得到地表沉降曲線如圖5所示。

圖5 不同建筑荷載下地表沉降曲線

通過圖5分析可以看出，不同建筑荷載在相同開挖進(jìn)尺下，沉降規(guī)律基本相同，隨著建筑荷載的增加，建筑下方的沉降值逐漸增大，兩建筑物中間擠壓部分產(chǎn)生隆起值也隨著增加。20 kPa、40 kPa、60 kPa開挖完成最終沉降分別為20.69 mm、22.33 mm、23.77 mm，兩建筑中間沉降值分別為20.34 mm、21.15 mm、22.14 mm，隆起值分別為0.35 mm、1.18 mm、1.63 mm。

3.3 不同注漿壓力

粉質(zhì)砂層因其受刀盤擾動(dòng)敏感性較強(qiáng)，同步注漿的壓力及飽滿程度對地表沉降影響較大。對0.2 MPa、0.3 MPa、0.4 MPa注漿壓力盾構(gòu)數(shù)值模擬，得到不同注漿壓力下地表沉降曲線如圖6所示。

圖6 不同注漿壓力下地表沉降曲線

由圖6可知，在開挖15 m時(shí)離建筑正下方距離較遠(yuǎn)，不同注漿壓力對建筑下方地表沉降影響不明顯。隨著進(jìn)尺的逐漸推進(jìn)，沉降明顯加大。0.2 MPa、0.3 MPa、0.4 MPa最終地表最大沉降值分別為24.43 mm、22.33 mm、20.43 mm，建筑中間沉降分別在22 mm、20.15 mm、19.25 mm，隆起值分別為2.43 mm、2.18 mm、1.18 mm。通過合理的增加注漿壓力能夠減小建筑物間的不均勻沉降。

3.4 不同土倉壓力

土壓平衡盾構(gòu)施工，良好的土倉壓力能平衡掌子面土壓，防止水分流失，進(jìn)而控制地表沉降。對0.14 MPa、0.3 MPa、0.45 MPa土倉壓力進(jìn)行模擬，得到不同注漿壓力下的地表沉降曲線如圖7所示。

圖7 不同注漿壓力下地表沉降曲線

通過圖7分析可知，0.14 MPa、0.3 MPa、0.45 MPa土倉壓力最終最大地表沉降值分別為23.33 mm、22.46 mm、22.35 mm。不同注漿壓力在不同進(jìn)尺下對地表沉降影響不大。

分析圖8可得，0.14 MPa、0.3 MPa、0.45 MPa對應(yīng)的掌子面前影響范圍分別在1.25、2.25、3.25倍洞徑。在開挖面后方，土倉壓力對其影響范圍較小，地表沉降來自土體應(yīng)力釋放和重新固結(jié)。適當(dāng)提高土倉壓力的合理性，能避免開挖階段前方快速沉降引起的建筑物沉降過快等系列施工問題。

圖8 不同注漿壓力在開挖進(jìn)尺22.5 m地表縱向沉降曲線

4 結(jié)論

對某粉質(zhì)砂層盾構(gòu)下穿淺基礎(chǔ)房屋造成地表沉降展開研究，通過不同開挖方式、施工參數(shù)對比分析，得到以下結(jié)論：

（1）通過對比分析先左后右、同步開挖兩種開挖方式在不同時(shí)步地表沉降規(guī)律，先左后右開挖地表沉降呈正態(tài)分布，同步開挖呈W型分布。分線開挖相對同步開挖對地層擾動(dòng)更明顯，右線到達(dá)建筑物正下方時(shí)沉降差為10.44 mm，對建筑物產(chǎn)生傾斜裂縫可能較大，應(yīng)提前進(jìn)行地層加固處理。

（2）不同建筑荷載在相同開挖進(jìn)尺下，沉降規(guī)律基本相同，隨著建筑荷載的增加，建筑下方的沉降值逐漸增大，兩建筑物中間擠壓部分產(chǎn)生隆起值也隨著增加。

（3）不同注漿壓力對地表沉降影響明顯，隨著注漿壓力的增大，地表最大沉降值降低，建筑物間的不均勻沉降得到控制。

（4）不同土倉壓力在不同進(jìn)尺下對地表沉降影響不大，對掌子面前方土體影響范圍較明顯，0.14 MPa、0.3 MPa、0.45 MPa土倉壓力影響范圍分別在1.25、2.25、3.25倍洞徑。適當(dāng)提高土倉壓力，能避免掌子面前方建筑物沉降過快而引起的系列施工問題。