小凈距盾構(gòu)隧道施工誘發(fā)鄰近建筑物沉降分析

李國鵬 王瑞 趙曉薇，3 汪優(yōu)

1.中鐵（上海）投資集團有限公司，上海 200126；2.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，長沙 410075；3.中國電建集團中南勘測設(shè)計研究院有限公司，長沙 410075

受周邊環(huán)境限制，地鐵隧道需要不斷減小隧道間距以適應(yīng)地下環(huán)境，而小凈距隧道施工對地層擾動較大，對鄰近建筑物的影響也更明顯［1-2］。

20 世紀70 年代日本鐵道技術(shù)學(xué)會發(fā)表了有關(guān)隧道間距影響的研究報告［3］，并在80 年代末出版的地下工程近接施工指南中明確了并行公路隧道中心距離的取值［4］。中國對于小凈距隧道的研究及建設(shè)始于20世紀80年代，招寶山公路隧道是中國第一座小凈距隧道，其隧道凈距小于0.28D（D為隧道洞徑）［5］。

21 世紀初，隨著地鐵大量興建，有關(guān)小凈距隧道的研究由公路、鐵路隧道向地鐵隧道轉(zhuǎn)移。線路兩側(cè)大量建筑物樁基礎(chǔ)與地鐵隧道較近，因此地鐵隧道盾構(gòu)施工引起的地層損失，可能造成鄰近建筑物不均勻沉降。文獻［6-7］通過數(shù)值模擬分析了砂卵石地層中盾構(gòu)施工對鄰近建筑物基礎(chǔ)的影響。文獻［8］通過數(shù)值模擬及模型試驗分析得出，當(dāng)隧道與樁的距離小于樁直徑的3～5倍時，樁基承載力開始削弱。

既有研究表明隧道開挖對周邊建筑物產(chǎn)生的影響主要表現(xiàn)在基礎(chǔ)沉降、承載力降低和建筑物傾斜。本文通過現(xiàn)場監(jiān)測及數(shù)值模擬分析，研究小凈距三線并行盾構(gòu)隧道施工對鄰近建筑物沉降的影響。

1 工程概況

1.1 線路情況

南通軌道交通1 號線一期全長39.46 km，分4 個標(biāo)段。線路沿既有道路行進，地下管線及樁基礎(chǔ)密集。研究區(qū)段為3標(biāo)段孩兒巷站—環(huán)城東路站區(qū)間隧道通過金恒佳苑1棟以及漢庭酒店（以下簡稱建筑物1、建筑物2）的100 m 范圍。該區(qū)段為三線并行隧道，均為單圓隧道。隧道采用土壓平衡盾構(gòu)法施工。隧道開挖直徑為6.44 m，管片寬為1.2 m，外徑6.2 m，內(nèi)徑5.5 m。

研究區(qū)段線路埋深8.9～ 9.9 m，三條隧道凈距為（0.4～ 0.8）D，屬于典型的小凈距隧道。隧道圍巖為Ⅵ級。線路穿越兩建筑物處隧道凈距為（0.4～ 0.6）D。建筑物1 高50 m，距線路水平距離最小處為11.3 m（1.8D），樁基礎(chǔ)長12.1 m；建筑物2 高18 m，距線路水平距離最小處為6.7 m（1.1D），樁基礎(chǔ)長22.2～ 28.3 m。

1.2 地質(zhì)情況

隧址區(qū)地處長江下游沖積平原，地勢平坦，地面海拔4～ 6 m。沿線發(fā)育第四系地層，在勘探深度內(nèi)自上而下劃分為7層，各層性質(zhì)差異較大。

2 現(xiàn)場沉降監(jiān)測

2.1 監(jiān)測點布設(shè)

選擇研究區(qū)段建筑物1 及建筑物2 進行沉降監(jiān)測。建筑物1 緊鄰北線，建筑物2 緊鄰南線。在建筑物四角沿外墻每10～ 15 m 布置一個監(jiān)測點，每側(cè)不少于3 個測點，如圖1 所示。參考GB 50007—2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》每日監(jiān)測一次沉降，量測精度為 ± 0.5 mm。平均沉降控制值為200 mm，傾斜度控制值為0.003。監(jiān)測自研究區(qū)段隧道掘進開始，至施工結(jié)束。

圖1 建筑物沉降監(jiān)測點布置（單位：m）

2.2 建筑物基礎(chǔ)沉降監(jiān)測結(jié)果

三條隧道在開挖過程中引起的兩棟鄰近建筑物沉降變化曲線見圖2?？芍孩偃龡l隧道施工引起了周邊建筑物沉降和傾斜。建筑物1、建筑物2最大沉降分別為2.50、2.36 mm。建筑物2 距線路比建筑物1近，但兩棟建筑物沉降接近。原因是：建筑物2 樁長（22.2～ 28.3 m）約為建筑物1樁長（12.1 m）的2倍，因此其穩(wěn)定性更強。②建筑物1、建筑物2最大沉降差分別為1.58、3.76 mm，即兩棟建筑物已經(jīng)出現(xiàn)不均勻沉降，建筑物傾斜。

圖2 兩棟鄰近建筑物的沉降變化曲線

兩棟鄰近建筑物的傾斜率變化曲線見圖3?？芍航ㄖ? 最大傾斜率為0.000 26，小于控制值0.003；建筑物1傾斜率基本小于建筑物2。

圖3 兩棟鄰近建筑物傾斜率變化曲線

3 小凈距隧道盾構(gòu)施工數(shù)值模擬

3.1 計算模型及參數(shù)

針對三線盾構(gòu)隧道施工引起的鄰近建筑物沉降問題開展數(shù)值模擬分析。計算模型見圖4。

圖4 計算模型（單位：m）

模型中地層分為7層，高31.0 m。隧道埋深9.9 m。建筑物1有256根樁，樁長12 m，樁徑0.6 m，樁與隧道最小間距為13.9 m；建筑物2 有116 根樁，樁長25 m，樁徑0.6 m，樁與隧道最小間距為9.0 m。三條隧道直徑均為6.2 m，管片厚均為0.35 m，隧道凈距均為2.3 m。

根據(jù)兩棟建筑物位置，為避免受邊界效應(yīng)影響，模型寬取136 m，兩側(cè)各盈余25 m 以上。網(wǎng)格劃分時對隧道開挖部分、襯砌及樁基處均進行加密。模型共劃分為3.0 × 106個節(jié)點，1.7 × 107個單元。

沿隧道軸線方向（y軸）1、28、55、82、109 m 處依次布置5 個監(jiān)測斷面（斷面1—斷面5）。建筑物沉降監(jiān)測點及地表沉降監(jiān)測斷面布置如圖5 所示。此外，還監(jiān)測了兩棟建筑物各6 根樁的沉降及x方向位移。6 根樁分別位于建筑物的四個邊角點及長邊中心下方。

圖5 建筑物沉降監(jiān)測點及地表沉降監(jiān)測斷面布置

樁與土層的接觸關(guān)系采用庫倫剪切模型模擬，樁及樁周土之間設(shè)置接觸面，實現(xiàn)樁土間的擠壓與滑移。接觸面與樁基單元、土體單元共節(jié)點，并被離散為三角形網(wǎng)格。樁頂與承臺單元節(jié)點綁定、樁底與土體單元節(jié)點綁定，以避免發(fā)生沙漏破壞。樁側(cè)接觸面法向剛度及切向剛度均為3.0 × 108kN/m，黏聚力為42.6 kPa，內(nèi)摩擦角為21°，抗拉強度為1.0 × 107kPa［9］。根據(jù)設(shè)計文件及地勘資料確定地層參數(shù)，見表1。

表1 地層參數(shù)

3.2 開挖順序

開挖前進行地應(yīng)力平衡，平衡后將網(wǎng)格節(jié)點位移及速度清零，保留應(yīng)力狀態(tài)并在此基礎(chǔ)上進行開挖計算。開挖結(jié)束后將襯砌由彈塑性本構(gòu)模型更新為彈性本構(gòu)模型以模擬混凝土。同時開始下一步開挖計算。每一條隧道循環(huán)開挖92次，完成開挖。首先從小里程向大里程開挖南線，然后從小里程向大里程開挖北線，最后自大里程向小里程開挖中間停車線。

3.3 計算結(jié)果分析

1）地表沉降

三條隧道不同開挖階段地表沉降曲線見圖6。

圖6 三條隧道不同開挖階段地表沉降曲線

由圖6（a）—圖6（c）可知：隨著南線開挖，五個斷面依次出現(xiàn)地表沉降，沉降槽寬度約為40 m（6.4D），已經(jīng)涵蓋了南側(cè)建筑物2。開挖到52 m 時，55 m 處（斷面3）已經(jīng)發(fā)生地表沉降，82 m處（斷面4）還未發(fā)生地表沉降，表明隧道開挖會造成地表縱向差異沉降?？v向差異沉降會造成路面應(yīng)力不均勻分布及橫向裂縫，因此在地鐵盾構(gòu)開挖過程中除了要密切關(guān)注兩側(cè)鄰近建筑物的沉降外，對路面結(jié)構(gòu)的開裂狀況也應(yīng)予以重視。

由圖6（d）—圖6（f）可知：北線開挖引起的隧道軸線上方地表沉降略小于南線，兩者疊加引起的沉降槽呈偏W形，與文獻［8，10-12］研究結(jié)果一致。

由圖6（g）—圖6（i）可知：中線貫通后中部斷面3處最終地表沉降達到8.4 mm，比北線貫通時斷面3 最大沉降（4.8 mm）增大了75%。

三條隧道開挖完成后斷面3地表沉降模擬及現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果對比見圖7。可知：①現(xiàn)場監(jiān)測值基本分布于模擬曲線附近，表明模擬結(jié)果能夠反映現(xiàn)場實際情況。②斷面3處北線開挖引起的最大沉降比南線開挖完成時有所增加但不顯著，這是由于南線附近土體在施作襯砌后應(yīng)力已恢復(fù)平衡。中線開挖引起的地表沉降遠大于南線和北線。這是由于中線在兩側(cè)線路開挖完成后，對中隔巖柱進行施工，破壞了南北線襯砌后已恢復(fù)的應(yīng)力平衡狀態(tài)。③南線開挖引起的地表沉降槽橫向?qū)挾燃s為5.5D，北線開挖后沉降槽寬度增至8.0D，此時沉降范圍已經(jīng)涵蓋了兩棟建筑物。中線開挖完成后沉降槽寬度為8.0D，并未增大。

圖7 三條隧道開挖完成后斷面3 地表沉降數(shù)值模擬及現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果對比

2）建筑物沉降及傾斜

以距隧道較近的建筑物2 為例，分析不同工況建筑物2樁基礎(chǔ)沉降。圖8中隱藏了土層①、②、③-1，以便觀察盾構(gòu)推進及開挖完成時部分襯砌情況。其中向上為正東方向，向左為正北方向。

圖8 三個隧道不同開挖階段建筑2樁基礎(chǔ)沉降（單位：mm）

由圖8（a）—圖8（c）可知：南線開挖第一步時，建筑物2 西北側(cè)出現(xiàn)0.128 mm 的沉降；隨著南線推進，建筑物2北側(cè)沉降不斷增大，沉降范圍逐漸向東延伸。南線開挖結(jié)束時建筑物2 南北兩側(cè)沉降差已經(jīng)達到1.288 mm。

由圖8（d）—圖8（f）可知：在北線開挖過程中建筑物2 北側(cè)沉降進一步增大；北線貫通后建筑物2 北側(cè)沉降最大達到1.59 mm，南北側(cè)沉降差為1.26 mm。

由圖8（g）—圖8（i）可知：中線開挖完成時建筑物2 南北側(cè)沉降差為1.75 mm，說明隨著三條隧道施工沉降差逐步增大，建筑物底部產(chǎn)生傾斜。

3）鄰近樁位移

鄰近建筑物的沉降及傾斜主要原因是隧道開挖引起的地層損失擾動了下部樁基礎(chǔ)。為進一步分析三條隧道開挖對鄰近樁的影響規(guī)律，選取建筑物2 北側(cè)距隧道最近的一根樁，繪制其沉降及水平位移沿埋深變化曲線，見圖9。其中：L為樁長；d為開挖面距樁的距離，到達樁前為負，通過樁后為正。

由圖9（a）可知：樁的沉降自樁頂向樁底遞減，隨著開挖面靠近，沉降逐漸增大，即使開挖面通過一定距離，沉降依然在繼續(xù)增長。當(dāng)開挖面到達樁時（d=0），樁頂、樁底沉降分別為0.60、0.36 mm。

由圖9（b）可知：①隨著開挖面靠近，樁身發(fā)生了不同程度的水平位移。樁頂及樁底水平位移朝向隧道，樁中部（0.20L～ 0.65L）則遠離隧道。②在0.20L、0.65L處水平位移不隨開挖面距樁距離的改變而產(chǎn)生顯著變化。

對比分析圖9（a）及圖9（b）可知：開挖面位置一定時，樁頂沉降大于水平位移，樁底沉降與水平位移接近。如d=0 時，樁頂沉降為0.60 mm，水平位移為0.19 mm；樁底沉降為0.36 mm，水平位移為0.40 mm。

圖9 建筑物2樁沉降及水平位移沿埋深變化曲線

南線隧道開挖過程中樁頂沉降及樁底水平位移隨d的變化曲線見圖10?？芍河捎诙軜?gòu)施工d=-6D時樁頂開始沉降，d=-4D時樁底產(chǎn)生水平位移。隨著開挖面繼續(xù)靠近，樁頂沉降和樁底水平位移逐漸增大，但水平位移及沉降的最大值均未出現(xiàn)于開挖面到達樁時，開挖面通過樁一段距離后樁頂沉降和樁底水平位移才逐漸達到最大值。當(dāng)d=0 時樁頂沉降為0.57 mm，樁底水平位移為0.41 mm。開挖面通過樁2D后樁底水平位移逐漸穩(wěn)定至0.55 mm，開挖面通過樁6D時樁頂沉降逐漸穩(wěn)定至0.95 mm。

圖10 南線隧道開挖過程中樁頂沉降及樁底水平位移隨d 的變化曲線

4 結(jié)論

1）后行線（北線）開挖引起的隧道軸線上方地表沉降略小于先行線（南線），兩者疊加引起的沉降槽呈偏W 形。中線在兩側(cè)線路開挖完成后，對中隔巖柱施工，會破壞兩側(cè)線路施作襯砌后恢復(fù)的應(yīng)力平衡狀態(tài)，進一步加大地表沉降。

2）先行線開挖引起的沉降槽橫向?qū)挾燃s5.5D，后行線開挖后沉降槽寬度增至8.0D。中線開挖雖然導(dǎo)致總沉降增大，但沉降槽寬度與雙線開挖完成時相比并未增大。

3）隧道開挖引起的地層損失導(dǎo)致鄰近樁在水平方向及豎向均產(chǎn)生位移。開挖面位置一定時，樁頂沉降大于水平位移，樁底沉降與水平位移接近。隨著開挖面靠近，樁頂沉降和樁底水平位移逐漸增大，開挖面通過樁2D后樁底水平位移逐漸趨于穩(wěn)定，開挖面通過樁6D后樁頂沉降逐漸趨于穩(wěn)定。隨著開挖面接近，樁頂及樁底水平位移朝向隧道，樁中部則遠離隧道。