錢文彪，蔣云剛

（杭州運(yùn)河辰祥工業(yè)遺址綜合保護(hù)開發(fā)有限公司，浙江 杭州 311122）

1 概述

隨著城市交通建設(shè)的飛速發(fā)展，許多城市交通線路大部分要穿越建筑密集地段，城市交通向著深廣方向發(fā)展，盾構(gòu)隧道施工近距離穿越既有建筑物施工案例不可避免。盾構(gòu)隧道施工時(shí)引起地層變形，引起鄰近建筑物發(fā)生傾斜、不均勻沉降、開裂乃至破壞等，造成重大安全隱患[1-3]，因此，合理評估盾構(gòu)隧道施工對鄰近建筑物變形和結(jié)構(gòu)的影響至關(guān)重要。周健等[4]對武漢地鐵開挖斷面進(jìn)行研究，利用有限差分軟件FLAC預(yù)測隧道開挖對地層及周圍建筑物變形影響，提出地層損失率控制結(jié)論；彭學(xué)軍等[5]通過優(yōu)化盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)、控制盾構(gòu)掘進(jìn)速率和預(yù)埋袖閥管等保護(hù)措施對長沙地鐵5號(hào)線區(qū)間內(nèi)建筑物進(jìn)行了針對性的保護(hù)措施；賈寶宏等[6]利用有限元軟件ANSYS 和現(xiàn)場監(jiān)測相結(jié)合對太原地鐵一、二號(hào)線聯(lián)絡(luò)段盾構(gòu)施工引起的地表及建筑物沉降進(jìn)行了分析；劉祥勇等[7]選取基于角變形和水平應(yīng)變的主應(yīng)變作為建筑物受盾構(gòu)施工影響程度的評價(jià)指標(biāo)，通過數(shù)值模擬分析了盾構(gòu)施工對鄰近密集建筑群結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律。由于隧道—地層—建筑物之間復(fù)雜的相互作用關(guān)系，數(shù)值模擬法可反映工程實(shí)際情況，模擬盾構(gòu)隧道施工過程中對周圍土體以及建筑物所造成的影響，目前研究盾構(gòu)隧道施工對周邊建筑物影響評價(jià)主要通過數(shù)值模擬分析來進(jìn)行[8-9]。

本文以杭州市香積寺路西段盾構(gòu)隧道段為工程背景，利用三維有限差分軟件FLAC3D 進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析，對盾構(gòu)隧道開挖過程進(jìn)行了動(dòng)態(tài)模擬，分析了盾構(gòu)隧道施工對鄰近建筑物的影響，為同類地下工程設(shè)計(jì)施工提供借鑒和參考。

2 工程概況

2.1 香積寺路隧道總體布置與工程地質(zhì)條件

根據(jù)《杭州市城市總體規(guī)劃(2001-2020年）》（2016年修訂），本工程西起教工路，東至德苑路，從余杭塘路（莫干山路—湖墅北路）向東延伸與現(xiàn)狀香積寺路相接，道路性質(zhì)為城市次干路，全長2.65km。隧道主線始于莫干山路以西，終于大關(guān)苑路以東，全長2293m，隧道在莫干山路以西布置一對進(jìn)出口（雙向四車道規(guī)模）；在上塘路以西設(shè)置一對平行匝道（進(jìn)、出口匝道均為單向單車道規(guī)模）、上塘路以東設(shè)置一對出入口（雙向兩車道規(guī)模）。隧道含3段明挖、2段盾構(gòu)，盾構(gòu)段總長1170m（圖1）。

圖1 隧道總體布置示意圖

本工程穿越不同時(shí)代的地層，根據(jù)勘探孔揭露的地層結(jié)構(gòu)、巖性特征、埋藏條件及物理力學(xué)性質(zhì)，結(jié)合周邊建筑物詳勘地質(zhì)資料，盾構(gòu)隧道土層自上而下分別是①0-1雜填土、①0-2素填土、②1-1粘質(zhì)粉土、②1-2淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、④1-1粉質(zhì)粘土、④1-2粉質(zhì)粘土夾粉土和⑩1-1全風(fēng)化凝灰?guī)r，具體見圖2。

圖2 工程地質(zhì)剖面圖

2.2 盾構(gòu)隧道與臨近建筑物相互位置關(guān)系

擬建香積寺路西延工程主要沿余杭塘路、香積寺路敷設(shè)，沿線兩側(cè)建筑物密集，盾構(gòu)鄰近施工將對周邊建筑物有一定的影響。根據(jù)資料調(diào)查、現(xiàn)場踏勘等方法對隧道周邊受影響建筑物進(jìn)行梳理，盾構(gòu)隧道南線K0+750處鄰近某小區(qū)住宅樓最為典型，該建筑物主要以5～7 層磚混結(jié)構(gòu)為主，沿開挖方向長64m，豎向高21m，根據(jù)鄰近同期建筑物推測基礎(chǔ)主要采用沉管灌注樁，其與南線隧道結(jié)構(gòu)間最小凈間距為1.5m，圖3為鄰近某小區(qū)住宅樓與盾構(gòu)隧道之間的平面和橫斷面內(nèi)的相對關(guān)系。

3 數(shù)值計(jì)算

3.1 計(jì)算模型與參數(shù)

根據(jù)上述最不利工況建立三維分析模型，共67366個(gè)單元，70707 個(gè)節(jié)點(diǎn)，X軸為寬度方向，Y方向?yàn)樗淼垒S線方向，Z軸為深度方向。模型X方向長100m，Y方向長120m，Z方向深40m。模型3個(gè)方向尺寸選取的原則是把隧道開挖影響范圍都包含在模型范圍之內(nèi)。建筑物共7層，層高3m，尺寸詳見圖4。

圖4 三維有限元計(jì)算模型

為了提高計(jì)算速度，沿橫向距離隧道軸線方向越遠(yuǎn)網(wǎng)格越稀疏，同樣沿豎向距離隧道底部越遠(yuǎn)網(wǎng)格越稀疏。土體各側(cè)面分別設(shè)垂直于該側(cè)面的水平約束，底面設(shè)豎向約束，上表面自由，采用Mohr-Coulomb理想彈塑性模型進(jìn)行模擬，詳細(xì)物理力學(xué)參數(shù)見表1?；A(chǔ)為樁基礎(chǔ)，樁類型為沉管灌注樁，采用Pile 單元進(jìn)行模擬，樁頂與建筑物底面固結(jié)在一起。建筑物與樁基參數(shù)見表2。

表1 隧道通過土層土力學(xué)性質(zhì)表

表2 建筑物與沉管灌注樁參數(shù)表

3.2 加固措施

為了綜合分析不同加固措施下盾構(gòu)施工對臨近建筑物的影響，本報(bào)告對三種不同工況進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，分別是：

（1）不加固：盾構(gòu)正常施工，不采取加固措施；

（2）洞內(nèi)加固：施工前采取洞內(nèi)加固措施，通過預(yù)注漿在隧道周邊形成一圈3m的加固圈；

（3）洞內(nèi)加固+洞外加固：施工前通過預(yù)注漿在隧道周邊形成一圈3m 的加固圈和在建筑物進(jìn)行袖閥管預(yù)加固，如圖5所示。

圖5 不同加固措施示意圖

4 數(shù)值計(jì)算分析

4.1 隧道施工引起的變形場分析

根據(jù)以上材料參數(shù)，分別建立土體自重下的初始應(yīng)力場，以及加入磚混建筑物后的初始應(yīng)力場，之后依次開挖盾構(gòu)隧道南線和北線，計(jì)算盾構(gòu)施工對臨近鄰近某小區(qū)的影響。圖6～圖7為上述三種不同工況下的Z向位移和X向位移。

圖6 三種工況下Z向位移

圖7 三種工況下X向位移

結(jié)果表明，Z向位移均隨著盾構(gòu)施工逐步增加，地表最大變形點(diǎn)從開始的盾構(gòu)軸線的正上方轉(zhuǎn)移至建筑物下方。這是因?yàn)槎軜?gòu)直徑較大，且建筑物與盾構(gòu)距離僅為1.5m，建筑物處于盾構(gòu)施工的主要影響范圍內(nèi)，在建筑自重與開挖卸荷的共同作用下，建筑物的沉降很可能超過隧道中軸線上方的地表沉降。此外，建筑物本身出現(xiàn)了一定程度的不均勻沉降。

X向位移主要發(fā)生在隧道兩側(cè)，由于建筑物下方樁基大于隧道埋深，在隧道施工過程中起到了較強(qiáng)的抗傾斜作用，故盾構(gòu)施工對建筑物的側(cè)向位移的影響較小。因此，在隧道穿越鄰近某小區(qū)時(shí)，應(yīng)以沉降控制為主，側(cè)向傾斜控制為輔，并在施工過程中應(yīng)及時(shí)進(jìn)行監(jiān)測，防止事故的發(fā)生。

從三種工況下盾構(gòu)隧道施工引起的地層豎向沉降和側(cè)向位移來看，洞內(nèi)注漿加固和洞外袖閥管加固能有效地降低地層變形，且加固措施越多，效果越明顯。因此，對于盾構(gòu)隧道施工通過鄰近建筑的加固措施，推薦采用洞內(nèi)預(yù)注漿加固和洞外袖閥管加固相結(jié)合的方式。

4.2 建筑物變形分析

計(jì)算過程中，分別對三種不同工況下建筑物的變形進(jìn)行了監(jiān)測，這里取建筑物變形云圖中X或Z位移最大處的四個(gè)測點(diǎn)（P1～P4）來分析，測點(diǎn)位置如圖8 所示，計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 各工況下建筑物變形統(tǒng)計(jì)表

圖8 建筑物監(jiān)測點(diǎn)布置

由以上結(jié)果可以看出，由于隧道開挖卸荷引起周邊土體損失，建筑物的沉降量及側(cè)向傾斜逐漸增大，兩線盾構(gòu)掘進(jìn)完成之后，不采取任何加固措施時(shí)，建筑物的最大沉降量將達(dá)到36.08mm，沿開挖方向最大差異沉降為18.08mm，沿豎向最大側(cè)向位移為2.698mm，考慮到建筑物沿開挖方向長64m，豎向高21m，房屋的最大傾斜率為0.28‰，小于4‰的控制標(biāo)注，但最大沉降量超出了《建（構(gòu)）筑物托換技術(shù)規(guī)程》（CEC 295-2011）相關(guān)控制標(biāo)準(zhǔn)要求的30mm閾值；采用洞內(nèi)預(yù)注漿加固時(shí)，建筑物的最大沉降量將達(dá)到23.86mm，沿開挖方向最大差異沉降為10.34mm，沿豎向最大側(cè)向位移為0.791mm，房屋的最大傾斜率為0.16‰，房屋傾斜率和沉降值未超過房屋沉降控制值；采用洞內(nèi)加固與洞外加固相結(jié)合的措施時(shí)，建筑物的最大沉降量將達(dá)到14.72mm，沿開挖方向最大差異沉降為6.01mm，沿豎向最大側(cè)向位移為0.296mm，房屋的最大傾斜率為0.09‰，房屋傾斜率和沉降值未超過房屋沉降控制值。實(shí)際施工過程中，采用地層預(yù)加固+洞內(nèi)長管注漿+洞外袖閥管跟蹤加固+嚴(yán)格施工控制，盾構(gòu)掘進(jìn)完成后建筑物最大沉降為14.12mm，小于建筑物的沉降控制值，建筑物最大傾斜率為0.09‰，小于建筑物的傾斜控制值，與數(shù)值計(jì)算結(jié)果基本一致。

5 結(jié)論

針對香積寺路西延工程盾構(gòu)隧道通過鄰近某小區(qū)住宅的情況，通過連續(xù)介質(zhì)有限元整體模型數(shù)值分析得出如下結(jié)論：①隨著盾構(gòu)隧道南線和北線依次開挖，地層Z向位移均隨著盾構(gòu)施工逐步增加，地表最大變形點(diǎn)從開始的盾構(gòu)軸線的正上方轉(zhuǎn)移至建筑物下方，可造成建筑物本身出現(xiàn)一定程度的不均勻沉降；②隨著盾構(gòu)隧道南線和北線依次開挖，地層X向位移主要發(fā)生在隧道兩側(cè)，由于建筑物下方樁基大于隧道埋深，在隧道施工過程中起到了較強(qiáng)的抗傾斜作用，故盾構(gòu)施工對建筑物的側(cè)向位移的影響較小；③隧道開挖卸荷引起周邊土體損失，建筑物的沉降量及側(cè)向傾斜逐漸增大，兩線盾構(gòu)掘進(jìn)完成之后，不采取任何加固措施時(shí)，建筑物的最大沉降量將達(dá)到36.08mm，超出了規(guī)范要求的30mm的控制值；④三種工況下盾構(gòu)隧道施工引起的地層豎向沉降和側(cè)向位移來看，洞內(nèi)注漿加固和洞外袖閥管加固能有效地降低地層變形；⑤對于盾構(gòu)隧道施工通過鄰近建筑的加固措施，從經(jīng)濟(jì)的角度推薦使用洞內(nèi)加固措施通過該建筑物，并在施工過程中應(yīng)及時(shí)對房屋進(jìn)行監(jiān)測、檢測，防止事故的發(fā)生，從安全的角度，推薦采用洞內(nèi)預(yù)注漿加固和洞外袖閥管加固相結(jié)合的方式通過建筑物。

整體而言，根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB5007-2011 中表5.3.4 和《建（構(gòu)）筑物托換技術(shù)規(guī)程》（CEC 295-2011）的相關(guān)要求，采用地層預(yù)加固+洞內(nèi)長管注漿+袖閥管跟蹤加固+嚴(yán)格施工控制，盾構(gòu)掘進(jìn)完成后建筑物最大沉降為14.12mm，小于建筑物的沉降控制值，建筑物最大傾斜率為0.09‰，小于建筑物的傾斜控制值。因此，采用此加固措施進(jìn)行盾構(gòu)隧道施工可確保工程沿線建筑物的安全。