盾構隧道下穿復雜建筑物變形分析及控制措施

何 況

(鄭州地鐵集團有限公司, 450018, 鄭州∥正高級工程師)

0 引 言

目前,越來越多的地鐵施工項目面臨穿越多層房屋等建筑物問題,由地鐵施工帶來的地層擾動會引起地基及其基礎的應力重分布和變形,若控制不當,則會引發房屋傾斜和損壞等后果。近年來,已有相關研究人員對此開展了分析研究。文獻[1]以南京市緯三路過江通道工程S線大直徑泥水盾構下穿民房建筑群為例,采用三維數值計算對盾構施工主要影響區的影響范圍和沉降量進行了理論預測,并根據預測結果結合現場實測數據提出了相應的沉降控制措施。文獻[2]以南通軌道交通1號線某盾構區間下穿老舊居民區為例,基于現場沉降監測數據,分析盾構施工對既有鄰近建筑基礎沉降的影響。文獻[3-4]以呼和浩特地鐵2號線盾構隧道施工為例,采用三維有限元軟件MIDAS GTS對盾構隧道下穿砌體結構住宅群進行數值模擬,分析盾構隧道施工對砌體結構的影響。以上文獻對老舊房屋的施工分析較少,而老舊房屋往往存在結構老化、拆改嚴重等問題,當地鐵盾構穿越時,其施工難度更高,控制措施更為復雜,具有較大的施工挑戰性。

鑒于此,本文以鄭州地鐵5號線為例,針對線路某盾構區間下穿老舊多層房屋建筑過程中存在的施工風險及問題,通過對房屋結構受力及其變形情況進行理論分析和仿真模擬,提出了盾構下穿影響范圍內房屋的加固措施和變形控制標準。此外,本文結合建筑結構差異沉降的實測數據與計算數據,對比驗證了所提施工控制措施的有效性。本文研究可以為后續盾構下穿老舊房屋工程項目提供工程經驗。

1 工程概況

1.1 工程地質

鄭州地鐵5號線某區間項目縱向穿越2棟住宅樓和1棟綜合樓,房屋基礎底至隧道頂部的地層從上至下依次為雜填土、砂質粉土、黏質粉土和粉質黏土。地層主要參數如表1所示。盾構隧道直徑約為6.2 m,雙線隧道間距約為9.5～11.0 m。

表1 地層主要參數

1.2 周邊房屋現狀

地鐵隧道縱向穿越的3棟房屋均為底層砌體剪力墻結構,上部為砌體結構,為20世紀80年代初建造,結構老舊,其一樓臨街房存在拆改現象。2棟住宅樓均為5層建筑,其基礎形式為條形剛性擴展基礎,基礎埋深為1.9 m;1棟綜合樓為4層建筑,其基礎形式為條形鋼筋混凝土擴展基礎,基礎埋深為1.6 m。結構自身抗擾動性能較差。此外,由于底部商鋪對墻體進行了改造,部分房屋外觀存在明顯的裂縫和歪斜現象,大大增加了地鐵盾構穿越的安全性風險。地鐵盾構隧道與房屋的位置關系示意圖如圖1所示。

圖1 地鐵盾構隧道與房屋的位置關系示意圖

1.3 項目難點分析

1) 建筑為淺基礎砌體結構房屋,對差異沉降的敏感性較大,地鐵盾構下穿施工具有較大的安全性風險,對房屋結構差異沉降的合理控制具有較高的要求。

2) 房屋經過改造,拆除了部分結構橫墻。尤其對于綜合樓而言,其承重橫梁為簡支梁,梁支座為磚砌體壁柱,部分壁柱和全部壁柱間窗下縱墻全部拆除改作臨街商鋪,進一步削弱了房屋結構抵抗變形的能力,建筑橫向剛度和縱向剛度均極差。此外,拆改后的建筑存在外觀歪斜、外墻出現裂縫等情況,受力情況非常復雜。

3) 房屋距離盾構始發井距離較近,且盾構直接下穿或側穿既有建筑時,盾構隧道進出洞施工風險與掘進風險疊加,施工控制難度較大。

4) 地鐵隧道主要位于雜填土和砂質粉土地層,該地層具有搖振反應迅速、干強度低、韌性低等特點,地基承載力差,抗干擾能力較弱。

2 數值計算

2.1 建筑物變形機理分析

地鐵盾構下穿建筑物時,對建筑物產生變形影響的原因主要是由于盾構施工引起地層損失,對建筑物基礎底部地層造成擾動,同時引起地層產生彈塑性變形,使得建筑物基礎產生不均勻沉降,進而導致建筑物發生變形[5]。本文對地基-條形基礎-砌體結構進行簡化,建筑物與地面沉降坐標系示意圖如圖2所示,建筑物簡化模型計算示意圖如圖3所示。原點O′建在盾構開挖面的正上方地面處,地面沉降坐標系為s′(i)O′i,盾構機掘進方向與i軸指向一致,s′(i)為i點的地面變形量;原點O建在建筑物左端地面處,建筑物位移坐標系為s(x)Ox,建筑物的左端O點與O′點之間的水平距離為l(開挖面未到達建筑物時l為正),令建筑物長度為1,建筑物某位置處的沉降為s(x),其對應的地面變形為s′(i+x)。

圖2 建筑物與地面沉降坐標系示意圖

圖3 建筑物簡化模型計算示意圖

根據基礎與上部結構的協調作用,當盾構機離軸線橫向的距離為0時(盾構正下穿建筑物),根據彈性地基上剪彎梁的撓度曲線方程,可求得建筑物的沉降為:

(1)

Vloss=πR2η

(2)

式中:

E——基礎梁彈性模量,單位GPa;

I——基礎梁慣性矩,單位m4;

k——地基基床系數,單位kN/m3;

q——上部建筑物作用于地基的豎向荷載,單位kN/m2;

Vloss——地層損失體積,單位m3/m;

h——隧道軸線埋深,單位m;

R——盾構機開挖直徑,單位m;

η——土體損失率,單位%;

L——盾構機長度,單位m。

根據下穿建筑物結構形式及現狀,取E=30 GPa,I=(0.853/12)m4,L=6 m,q=400 kN/m2,R=2.8 m,代入式(1)—式(2)可得,在盾構開挖面距離建筑物由40 m減小至0的過程中, 3棟樓的最大沉降值為12.3 mm,最大差異沉降值為10.0 mm。

2.2 地面沉降引起建筑變形影響因素分析

盾構掘進是一個動態開挖過程,會引起一定范圍內的土體損失,盾構造成的地面沉降變形槽為三維沉降槽[6]。這說明在盾構開挖面未到達建筑物地基時,地面變形已對建筑物產生影響。根據Peck沉降曲線可知,地面沉降量與開挖面的距離相關,因此建筑物整體會產生不均勻沉降,從而改變建筑物原有的支撐狀態及外力條件,最終導致建筑物變形破壞。一般外力條件主要分為以下幾種:① 盾尾間隙會導致地層應力釋放,引起地層發生彈塑性變形而產生沉降,進而改變建筑物受力狀態,引起建筑物沉降變形;② 盾構掘進會擾動原有土體的物理力學參數,進而改變其受力特性,導致土體再次發生沉降變形,造成建筑物因不均勻沉降產生變形;③ 盾構機開挖面出土率是控制地面變形的關鍵,其決定了地層損失的大小及開挖面的平衡狀態,控制地面產生的豎向變形值,進而影響建筑物變形。

2.3 建筑物的變形計算及控制標準

建筑物節點(如地基梁)變形會引起自身結構產生內力(即節點變形會導致超靜定結構產生內力,如彎矩、剪力等),在保證結構不破壞的前提下,結構變形極值對應結構臨界破壞內力值。為求得該臨界值,將砌體結構建筑物進行簡化,為便于計算,取建筑物的一個開間進行力學模型等效,最后簡化為3次超靜定框架結構,并采用結構力學中的力法對結構內力進行計算。

由于簡化后的建筑物結構力學模型結構對稱、位移反對稱,取結構的一半進行計算。結構簡化后的力學計算模型如圖4所示。結構橫桿長L1取開間寬度,為3.30 m;結構彈性模量取為27.4 GPa;豎桿長L2取開間高度,為3.14 m;橫桿截面尺寸為0.24 m(寬)×0.30 m(高),豎桿截面尺寸為0.24 m(寬)×0.24 m(長)。經計算可得,當結構A節點發生豎向位移時,各節點彎矩值均約為670 kNm,豎桿軸力約為406 kN。

注:X1為節點C處的剪力;Δ為A節點處的位移量。

為保證建筑物結構內力不超過其自身承載能力,在結構不發生破壞的前提下,根據結構極限承載能力計算其不均勻沉降值。根據GB 50003—2011《砌體結構設計規范》可知,結構極限抗壓強度取1.5 MPa。按照結構抗壓強度反算建筑物節點(即地基梁)的沉降控制值,最終計算得出建筑物節點(即地基梁)結構的不均勻沉降值需要控制在5 mm范圍內才能保證建筑物不發生破壞。

3 盾構下穿建筑物變形數值分析

3.1 下穿施工數值模型

3.1.1 計算模型參數

根據實際項目的地質詳勘報告和工程條件建立數值模型。考慮模型邊界效應的影響,模型x方向寬270 m,y方向長100 m,z方向高30 m。隧道及房屋主要結構參數如表2所示。盾構隧道管片采用板單元模擬,房屋基礎采用實體單元模擬,房屋墻體采用板單元模擬,樓板采用板單元模擬,圈梁采用梁單元模擬。盾構下穿建筑物網格模型如圖5所示。

a) 整體模型

表2 隧道及房屋主要結構參數

3.1.2 模型分析工況

本工程采用盾構施工,按環推進,按環拼裝。若按照實際工序模擬計算,需建立360個分析步序,計算工作量大且難以實現。根據以往工程模擬經驗,在充分考慮施工工序的情況下,將分析步進行簡化。以盾構隧道每向前掘進20 m為1個施工工況,共設置28個施工工況,其中工況1—工況14為右線隧道掘進,工況15—工況20為左線隧道掘進,選取其中的關鍵工序進行分析。

3.2 計算結果統計

模擬盾構隧道施工下穿既有建筑物的施工工況,分別選擇掘進面穿越相應建筑物時,建筑物的變形結果進行分析。

3.2.1 23#樓變形結果

根據隧道掘進過程,當掘進面穿越23#樓,右線隧道穿越時主要選取工況1～6進行研究,左線隧道穿越時主要選取工況15～20進行研究。當右線隧道穿越23#樓時,建筑物最大沉降值為12.57 mm,出現在工況5,最大差異沉降值為10.55 mm,出現在工況4;當左線隧道穿越23#樓時,建筑物最大沉降值為14.55 mm,最大差異沉降值為12.58 mm,均出現在工況15。3種工況下,盾構穿越23#樓的建筑物變形云圖如圖6所示。

a) 工況4

不同工況下,盾構穿越23#樓的差異沉降值如圖7所示。由圖7可知:在右線掘進過程中,掘進面穿越23#樓時,建筑物的差異沉降值急劇增大,在掘進面離開建筑物基礎影響范圍后保持穩定,最大差異沉降值為12.57 mm;在左線掘進過程中,掘進面穿越23#樓時,建筑物的差異沉降值逐漸減小,在掘進面離開建筑物基礎影響范圍后保持穩定,差異沉降穩定值約為6.00 mm。

圖7 不同工況下盾構穿越23#樓的差異沉降值

3.2.2 11#樓變形結果

根據隧道掘進過程,當掘進面穿越11#樓,右線隧道穿越時主要選取工況6～11進行研究,左線隧道穿越時主要選取工況20～25進行研究。當右線隧道穿越11#樓時,建筑物最大沉降值為13.65 mm,出現在工況10,最大差異沉降值為13.02 mm,出現在工況8;當左線隧道穿越11#樓時,建筑物最大沉降值為13.35 mm,最大差異沉降值為7.65 mm,出現在工況20。3種工況下,盾構穿越11#樓的建筑物變形云圖如圖8所示。

a) 工況8

不同工況下,盾構穿越11#樓的差異沉降值如圖9所示。由圖9可知:在右線掘進過程中,掘進面穿越11#樓時,建筑物的差異沉降值急劇增大,在掘進面離開建筑物基礎影響范圍后保持穩定,最大差異沉降值為13.65 mm;在左線掘進過程中,掘進面穿越11#樓時,建筑物的差異沉降值逐漸減小,在掘進面離開建筑物基礎影響范圍后保持穩定,差異沉降穩定值約為7.64 mm。此外,曲線在工況8時出現突變,差異沉降值減小,這是由于盾構掘進方向在此處轉彎,盾構隧道軸線與建筑物走向中線水平距離減小,導致建筑物軸線兩側的基礎差異沉降也同步減小。

圖9 不同工況下盾構穿越11#樓的差異沉降值

3.2.3 綜合樓變形結果

根據隧道掘進過程,當掘進面穿越綜合樓,右線隧道穿越時主要選取工況9～14進行研究,左線隧道穿越時主要選取工況23～28進行研究。當右線隧道穿越綜合樓時,建筑物最大沉降值為10.73 mm,最大差異沉降值為10.80 mm,均出現在工況12;當左線隧道穿越綜合樓時,建筑物最大沉降值為10.60 mm,最大差異沉降值為10.76 mm,均出現在工況23。2種工況下,盾構穿越綜合樓建筑物變形云圖如圖10所示。

工況12

不同工況下,盾構穿越綜合樓的差異沉降值如圖11所示。由圖11可知:在右線掘進過程中,掘進面穿越綜合樓時,建筑物的差異沉降值急劇增大,在掘進面離開建筑物基礎影響范圍后保持穩定,最大差異沉降值為10.80 mm;在左線掘進過程中,建筑物的差異沉降值基本不變,維持在10.20 mm左右,這是由于綜合樓南端與左線隧道間距為50 m,

圖11 不同工況下盾構穿越綜合樓的差異沉降值

盾構隧道在基礎影響范圍之外,基本不受盾構掘進過程的擾動。

3.3 結果分析

通過對各工況的數值模擬可以看出:隧道掘進面距建筑物基礎距離大于10 m時,隧道掘進對建筑物基礎基本無影響;隨著隧道掘進面的推進,建筑物的沉降逐漸增大,然后隨著隧道掘進面的遠離,建筑物沉降逐漸趨于穩定。

根據GB 50007—2011《建筑地基基礎設計規范》規定,基底下的應力擴散角一般取22°,當土層為密實性的粗砂、中砂及硬塑狀態的黏土時,應力擴散角取30°。根據本區間的地質資料,區間下穿房屋段,建筑物基底所在土層為②-31砂質粉土層,盾構所在土層為②-32黏質粉土層。兩層土體的壓縮模量比小于3,基底距離隧道底部的覆土厚度與建筑物基礎寬度的比值大于0.5,擴散角度為23°,則經過計算可得,建筑物基礎的擴散影響半徑為5.6 m。當盾構隧道區間距離建筑物5.6 m時,開始進入建筑物的基礎易擾動影響范圍區域。建筑物兩側約1倍洞徑范圍內均為基礎擾動敏感區域。

根據GB 50007—2011《建筑地基基礎設計規范》,砌體承重結構的基礎局部傾斜率為0.002,即砌體承重結構建筑物橫墻沉降差與橫墻間距離的比值。對于本工程,橫墻間距的最小值為3 300 mm,即允許的差異沉降限值應為6.60 mm,小于數值計算得到的最大差異沉降值,不能滿足規范規定的沉降差要求,同時也不滿足建筑房屋沉降控制標準5.00 mm的要求。由于建筑物年代久遠且建筑結構老化,在使用期間拆改現象較嚴重,其整體抗變形能力較差,盾構下穿具有較大的風險,因此在下穿過程中需采取相應的施工措施、地層加固措施和建筑物加固措施,以保證既有建筑物的安全。

4 盾構下穿復雜建筑物地面變形控制措施

4.1 監控量測

在盾構下穿期間,通過自動化、數字化的監測手段,對建筑物進行24 h不間斷監測,數據通過平臺實時計算,保證盾構在穿越建筑物期間監測數據反饋的及時性和準確性。該工程自動化監測周期為6個月,人工監測周期為8個月。為提高監測數據的準確性,應定期對自動化監測數據與人工監測數據進行對比分析,當數據出現異常時,應采取措施及時進行復測和校核,以確保監測數據的準確性。

4.2 施工及加固措施

砌體房屋基礎的不均勻沉降是砌體房屋產生裂縫的最主要原因,施工過程中需盡可能減小地面沉降。為了控制沉降,主要的施工控制措施有:

1) 調整施工順序。右線區間掘進100 m后,左線再進行始發,避免盾構掘進對建筑物產生連續擾動,以減小建筑物基礎的差異沉降。

2) 盾構參數控制。通過試掘進調整和優化推進壓力、出土量和掘進速度等施工參數,配合監測信息,嚴格控制地層擾動。

3) 注漿加固。盾構掘進過程中,利用盾體預留的徑向注漿孔在盾構殼體外同步進行克泥效注漿,達到填充和止水的目的。若監測數據表明地面沉降仍較大,則進行二次注漿,填充隧道壁后的建筑空隙。

4) 防止漏漿。盾構推進過程中的盾構姿態不良易造成盾尾處漏漿,引起地面沉降。因此在盾構下穿建筑物期間,確保盾構推進軸線與設計軸線相吻合,盾尾四周間隙均勻,避免蛇形及俯仰;通過加大盾尾油脂壓注量來防止漿液通過盾尾流失;采用性能較好的盾尾油脂。

5) 房屋加固。一層壁柱采用混凝土圍套加固;二層梁格構式鋼梁加固。在永久加固施工完成前,為保障加固過程中及后續盾構掘進時樓體的穩定性,需在各圈梁下部增加臨時支撐。

4.3 沉降檢測數據與計算結果對比

歷時約75 d,該區間實現了雙線貫通,在此期間共開展了45次監測工作。沿隧道掘進方向布置30個監測點,監測點間距為5 m。建筑物差異沉降變化曲線如圖12所示。由圖12可知:① 在盾構下穿23#樓期間,對23#樓的沉降影響較大,最大差異沉降值為5.80 mm(控制值為5.00 mm)。在盾構側穿23#樓期間,23#樓的差異沉降逐漸減小,在側穿隧道掘進面離開23#樓基礎影響范圍后,差異沉降穩定值約為1.80 mm。② 在盾構下穿11#樓期間,對11#樓的沉降影響較大,11#樓最大差異沉降值為5.30 mm(控制值為5.00 mm)。在盾構隧道側穿11#樓期間,11#樓的差異沉降逐漸減小,在側穿隧道掘進面脫離11#樓基礎影響范圍后,其差異沉降穩定值約為2.30 mm。③ 在盾構下穿綜合樓期間,最大差異沉降值為5.50 mm(控制值為5.00 mm)。在盾構側穿綜合樓期間,盾構施工對綜合樓影響較小,最大差異沉降值為5.30 mm。結合工況和監測數據分析可得,在盾構下穿及側穿建筑物期間,由于下穿影響,建筑物的差異沉降值急劇增大;由于側穿隧道距綜合樓較遠,側穿對綜合樓的影響較小,差異沉降穩定值約為4.00 mm。

圖12 建筑物差異沉降變化曲線

由監測結果可以看出,建筑物差異沉降逐漸趨于穩定,部分測點達到數據預警狀態。但總體來看,建筑物差異沉降值基本位于控制值范圍內。與計算模擬結果對比可以發現,采取加固措施后的監測結果明顯低于采取措施前的計算結果,保證了盾構下穿施工期間建筑物的安全,驗證了施工中所采取的加固措施的有效性。

5 結語

本文以鄭州地鐵5號線盾構下穿復雜建筑物為例進行分析研究。該工程項目的盾構下穿施工存在地層敏感度高、建筑物拆改嚴重、結構穩定性差及存在安全隱患等問題。本文在對建筑物結構受力分析和計算的基礎上,進一步計算了盾構施工可能引起的建筑物沉降值,提出差異沉降控制限制。對比理論計算結果與數值分析結果發現,有必要對房屋采取加固措施。通過施工過程中建筑物受力的仿真分析,研究了建筑物在施工過程中的受力狀態,并設計了針對性的加固措施。加固后,建筑物的差異沉降基本滿足控制限值要求,驗證了施工中所采取的加固措施的有效性。