天津?yàn)I海軟土場(chǎng)地地鐵盾構(gòu)隧道施工對(duì)地面結(jié)構(gòu)的影響研究*

張 煜，王大永，張壯壯，王星凡，李 晨，張學(xué)杰，陳 宇，呂 楊

(1.中鐵一局集團(tuán)天津建設(shè)工程有限公司，天津 300250； 2.天津城建大學(xué)天津市土木建筑結(jié)構(gòu)防護(hù)與加固重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300384； 3.中國民航大學(xué)交通科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300300)

0 引言

地鐵可有效緩解地面交通壓力，顯著提高土地利用率，因此，地鐵軌道交通是我國各大城市重點(diǎn)發(fā)展的交通形式。天津地區(qū)地質(zhì)條件差，大部分地區(qū)屬于海積軟土。海積軟土承載力低、壓縮性大、地下水位高，且土質(zhì)條件沿深度變化大，自地表向下分布有填土、淤泥質(zhì)土、黏土和砂性土等。為節(jié)約土地，地鐵隧道往往穿越已有城市核心區(qū)，盾構(gòu)隧道施工穿越地表建筑的情況較多。軟土場(chǎng)地隧道施工對(duì)地表建筑的影響顯著，常引起上部結(jié)構(gòu)傾斜、開裂等，上部結(jié)構(gòu)的存在也會(huì)導(dǎo)致盾構(gòu)隧道上部土體發(fā)生變形[1]。因此，盾構(gòu)隧道、土層、上部結(jié)構(gòu)作為相互影響、相互作用的整體，受到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[2-3]。Burland等[4]基于結(jié)構(gòu)潛在的變形模式和材料臨界拉應(yīng)變，計(jì)算了盾構(gòu)施工對(duì)地表建筑結(jié)構(gòu)的損害，提出了依據(jù)初始裂縫發(fā)展與撓度比對(duì)砌體結(jié)構(gòu)破壞級(jí)別進(jìn)行分類。在工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，Boscardin等[5]對(duì)不同破壞級(jí)別的拉應(yīng)變變化范圍進(jìn)行了重新標(biāo)定，并提出了采用角度扭曲和水平應(yīng)變確定結(jié)構(gòu)破壞等級(jí)的方法。Chen等[6]將隧道開挖引起的地層位移解析解和簡化邊界元法相結(jié)合，研究了樁基在鄰近隧道施工時(shí)的水平和豎向反應(yīng)，并在大量分析數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上給出了樁體最大反應(yīng)的評(píng)價(jià)簡表，研究結(jié)果表明，盾構(gòu)隧道開挖過程中，隧道形狀、土層損失率、土體強(qiáng)度、樁徑、樁長及覆土厚度等均會(huì)對(duì)附近樁基變形產(chǎn)生影響。施成華等[7]應(yīng)用隨機(jī)介質(zhì)理論，將土層視為隨機(jī)介質(zhì)，將地表下沉考慮為隨機(jī)過程，計(jì)算了連拱隧道開挖產(chǎn)生的地表位移和變形，并據(jù)此給出了隧道開挖施工對(duì)地表建筑的影響程度。孫吉主[8]根據(jù)隧道與基樁空間位置的不同情況，提出了基樁沉降的簡便工程分析方法。Mroueh等[9]采用三維有限元方法分析了隧道施工過程對(duì)地表建筑物的影響，研究結(jié)果表明，建筑物自重會(huì)顯著影響隧道開挖引起的地表沉降量。孔秋珍等[10]采用空間有限元模型計(jì)算了地面房屋橫跨不同凹凸區(qū)的情況下，房屋不同方向和區(qū)域的變形規(guī)律，為隧道近距離穿越地表建筑物提供了參考。Jenck等[11]利用FLAC 3D分析軟件模擬了盾構(gòu)施工和建筑物變形，研究了地層損失率和建筑物剛度對(duì)地表位移的影響，研究結(jié)果表明，建筑物所在區(qū)域地表沉降與無建筑物區(qū)域具有明顯差異。鐘志全等[12]采用有限元軟件PLAXIS 3D對(duì)巖溶地層盾構(gòu)下穿建筑物掘進(jìn)過程進(jìn)行數(shù)值模擬,分析了建筑物下方有無溶洞工況下盾構(gòu)下穿對(duì)建筑物沉降的影響及影響范圍。郭紅斌等[13]以廣州市地鐵13號(hào)線棠下—珠村段盾構(gòu)始發(fā)井開挖施工為例，介紹了在復(fù)雜城市建筑和地質(zhì)條件下,地下連續(xù)墻+環(huán)框梁圍護(hù)結(jié)構(gòu)、多種豎井開挖技術(shù)相結(jié)合的施工方法，并探討了微風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖采用氣體膨脹爆破法開挖的關(guān)鍵施工技術(shù)。劉德斌[14]基于MIDAS GTS軟件建立三維盾構(gòu)隧道開挖有限元模型，對(duì)盾構(gòu)施工引起的地表沉降、土體塑性區(qū)、鄰近建筑物影響及盾構(gòu)管片受力情況進(jìn)行數(shù)值模擬分析。佟曉冬等[15]以天津關(guān)軟巖隧道為依托，采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與理論分析相結(jié)合的方法，研究鎖腳錨桿的支護(hù)效果，提出進(jìn)一步優(yōu)化措施，并研究錨桿直徑和長度對(duì)支護(hù)效果的影響。此外，國內(nèi)外還有很多學(xué)者開展了地鐵盾構(gòu)施工對(duì)臨近工程設(shè)施影響的研究[16-21]。

本文以天津?yàn)I海軟土場(chǎng)地地鐵4號(hào)線北段土建|標(biāo)段盾構(gòu)隧道工程為研究對(duì)象，建模時(shí)將地基、基礎(chǔ)及上部結(jié)構(gòu)視為整體進(jìn)行分析，通過考慮盾構(gòu)隧道、土層和上部結(jié)構(gòu)的相互作用，研究盾構(gòu)施工過程對(duì)地表沉降、上部結(jié)構(gòu)變形和內(nèi)力的影響規(guī)律。

1 工程概況

天津地鐵4號(hào)線北段土建1標(biāo)段盾構(gòu)區(qū)間全長1 869.918m，線路下穿多處建筑、津霸鐵路及多條市政管線，盾構(gòu)施工時(shí)對(duì)地表變形的要求嚴(yán)格。

以盾構(gòu)隧道地表某框架結(jié)構(gòu)為例，研究地表建筑與盾構(gòu)隧道施工相互作用規(guī)律。地表框架結(jié)構(gòu)建筑共7層，結(jié)構(gòu)總高度26.6m，首層層高5m，2～7層層高3.6m，平面布置如圖1所示。柱截面尺寸為500mm×500mm，梁截面尺寸為300mm×500mm，樓板厚0.10m，采用C30混凝土，樁長14.7m。隧道與建筑物的位置關(guān)系如圖2所示。

模擬區(qū)間材料主要物理力學(xué)參數(shù)如表1所示，根據(jù)土層物理力學(xué)參數(shù)，將土層劃分為10層。地下水深度為2.4m，地下水水位以下土體按飽和土體計(jì)算，地下水水位以上土體按天然重度計(jì)算。按照規(guī)范要求，管片材料參數(shù)按15%折減，折減后彈性模量為28.8GPa。考慮注漿層硬化過程，初始注漿層彈性模量取為4.8MPa，硬化后的彈性模量為初始值的2.25倍，取為10.8MPa，通過場(chǎng)變量進(jìn)行控制。

表1 材料主要物理力學(xué)參數(shù)

2 盾構(gòu)掘進(jìn)過程數(shù)值模擬

2.1 有限元模型建立

采用ABAQUS軟件建立計(jì)算模型，如圖3所示。由于盾構(gòu)開挖時(shí)，上部建筑物在自身重力作用下沉降已完成，所以框架結(jié)構(gòu)沉降及變形均由盾構(gòu)開挖引起。

考慮地下水作用的土體單元采用C3D8RP單元模擬，襯砌和注漿層采用C3D8R單元模擬，盾構(gòu)機(jī)采用殼單元模擬。土體采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型。

框架結(jié)構(gòu)梁、柱、基礎(chǔ)均采用梁單元B31模擬，樓板采用殼單元模擬。

樁基礎(chǔ)采用梁單元模擬，并采用樁基礎(chǔ)與樁端單元模擬樁和土體之間的接觸關(guān)系，為保證模型更好地收斂，其余接觸關(guān)系均采用綁定接觸。

2.2 盾構(gòu)施工模擬

模型四周及底面施加切向約束，頂面為自由邊界，地下水水位處施加零孔壓邊界條件，其余面施加不透水邊界條件，開挖面由于穿越黏土層，施加不透水邊界條件。隧道開挖時(shí)，地層擾動(dòng)影響范圍為距隧道橫斷面和縱斷面中心點(diǎn)3～5倍盾構(gòu)隧道直徑，計(jì)算得到有限元模型邊界長約為80m、寬約為30m、深約為32m。

假設(shè)土體為理想彈塑性體，管片襯砌和注漿層應(yīng)力、應(yīng)變?cè)趶椥苑秶鷥?nèi)。首先進(jìn)行整體模型地應(yīng)力平衡，將模型施加重力荷載，同時(shí)鈍化襯砌、注漿層和盾構(gòu)機(jī)。為消除邊界約束的影響，計(jì)算時(shí)盾構(gòu)機(jī)并不是從端部開始掘進(jìn)，而是距端部一定的距離開始掘進(jìn)。分析步驟如下：①第1步 將盾構(gòu)機(jī)后部隧道內(nèi)土體鈍化，同時(shí)激活相應(yīng)位置的襯砌和注漿層，并激活掌子面壓力；②第2步 將盾構(gòu)機(jī)置于指定位置，激活相應(yīng)位置的盾構(gòu)機(jī)，同時(shí)鈍化相應(yīng)位置的土體，激活掌子面壓力，取消上一步的掌子面壓力；③第3步 鈍化第1塊開挖土體和第2步激活的盾構(gòu)機(jī)，同時(shí)激活開挖土體位置的盾構(gòu)機(jī)和鈍化位置的襯砌、注漿層，激活下一步開挖面的掌子面壓力，鈍化上一步的掌子面壓力。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 地表沉降

將隧道直徑記為D，將隧道中心線到框架結(jié)構(gòu)中心線的距離記為L，分別取L/D=0，L/D=1，L/D=2進(jìn)行分析，結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，當(dāng)土體上部存在建筑物時(shí)，地表沉降不再呈對(duì)稱分布，在建筑物存在的位置有明顯變化。當(dāng)上層框架結(jié)構(gòu)位于隧道正上方，即L/D=0時(shí)，在距隧道中心線兩側(cè)10m范圍內(nèi)，地表沉降大于無框架結(jié)構(gòu)時(shí)的地表沉降，最大沉降約為4.5mm，此時(shí)框架結(jié)構(gòu)呈整體下降，隧道施工對(duì)框架結(jié)構(gòu)的破壞程度相對(duì)較小；當(dāng)L/D=1時(shí)，隧道正上方地表沉降繼續(xù)增大，最大沉降約為5mm，沉降曲線偏向有框架結(jié)構(gòu)的一側(cè)，此時(shí)上部框架結(jié)構(gòu)發(fā)生傾斜，隧道施工對(duì)框架結(jié)構(gòu)破壞的影響較嚴(yán)重；當(dāng)L/D=2時(shí)，隧道正上方地表沉降較無框架結(jié)構(gòu)時(shí)小，最大沉降約為3.5mm。

3.2 基礎(chǔ)沉降

在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程中，相鄰柱樁基的最大沉降差為2mm<0.002l=12.6mm，l為柱距，滿足容許誤差要求。

3.3 框架結(jié)構(gòu)傾斜

3.4 框架柱受力

3.5 框架梁受力

4 結(jié)語

本文通過有限元軟件ABAQUS研究了盾構(gòu)施工對(duì)上層框架結(jié)構(gòu)的影響，綜合考慮了隧道、土體、框架間的相互作用，研究了距隧道中心線不同距離的地表沉降變化規(guī)律，分析了盾構(gòu)隧道開挖對(duì)框架結(jié)構(gòu)變形及受力的影響，得出以下結(jié)論。

1)當(dāng)土體上部存在建筑物時(shí)，地表沉降不再呈對(duì)稱分布，在建筑物存在的位置有明顯變化。當(dāng)上層框架結(jié)構(gòu)位于隧道正上方，即L/D=0時(shí)，在距隧道中心線兩側(cè)10m范圍內(nèi)，地表沉降大于無框架結(jié)構(gòu)時(shí)的地表沉降；當(dāng)L/D=1時(shí)，隧道正上方地表沉降繼續(xù)增大，沉降曲線偏向有框架結(jié)構(gòu)的一側(cè)；當(dāng)L/D=2時(shí)，隧道正上方地表沉降較無框架結(jié)構(gòu)時(shí)小。

2)在整個(gè)盾構(gòu)機(jī)開挖過程中，基礎(chǔ)沉降可按盾構(gòu)機(jī)未到達(dá)基礎(chǔ)、盾構(gòu)機(jī)到達(dá)基礎(chǔ)、盾構(gòu)機(jī)遠(yuǎn)離基礎(chǔ)進(jìn)行階段劃分。當(dāng)盾構(gòu)機(jī)未到達(dá)基礎(chǔ)時(shí)，基礎(chǔ)沉降非常小；隨著盾構(gòu)機(jī)的繼續(xù)推進(jìn)，基礎(chǔ)出現(xiàn)較小的隆起；隨著盾構(gòu)機(jī)距基礎(chǔ)越來越近，基礎(chǔ)沉降越來越大；當(dāng)盾構(gòu)機(jī)到達(dá)基礎(chǔ)時(shí)，基礎(chǔ)沉降達(dá)最大，且越靠近隧道中心線，基礎(chǔ)沉降越大。

3)當(dāng)盾構(gòu)機(jī)未到達(dá)框架柱時(shí)，框架結(jié)構(gòu)橫向相對(duì)水平位移變化較小；隨著盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)，框架結(jié)構(gòu)橫向相對(duì)水平位移逐漸增大；當(dāng)盾構(gòu)機(jī)到達(dá)相應(yīng)的框架柱時(shí)，框架結(jié)構(gòu)橫向相對(duì)水平位移達(dá)最大；隨著盾構(gòu)機(jī)的遠(yuǎn)離，框架結(jié)構(gòu)橫向相對(duì)水平位移有下降趨勢(shì)。

4)當(dāng)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)掌子面未到達(dá)建筑物時(shí)，框架柱軸力受到的影響較小；當(dāng)掌子面靠近相應(yīng)的框架柱時(shí)，柱軸力發(fā)生較大變化；隨著盾構(gòu)機(jī)繼續(xù)推進(jìn)，框架柱軸力逐漸趨于穩(wěn)定。

5)開挖初期，隨著盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)，框架梁剪力不斷減小，表現(xiàn)為卸載作用；隨著盾構(gòu)機(jī)的繼續(xù)掘進(jìn)，框架梁剪力出現(xiàn)回彈；隨著盾構(gòu)機(jī)的進(jìn)一步掘進(jìn)，框架梁剪力逐漸趨于穩(wěn)定。

6)隨著盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)，框架梁梁端彎矩總體表現(xiàn)為先減小后增大最后趨于平緩的趨勢(shì)。