王萬(wàn)鋒,陳宇華,趙 凱,鄒禎祥,邱軍領(lǐng)*,楊 桃

(1.中鐵建云南投資有限公司,云南 昆明 650200;2.長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院,陜西 西安 710064;3.四川都金山地軌道交通有限責(zé)任公司,四川 成都 611830;4.四川蜀道新制式軌道集團(tuán)有限責(zé)任公司,四川 成都 610023)

隨著城市的快速發(fā)展,地面空間的利用率趨于飽和,地鐵等城市交通軌道對(duì)促進(jìn)城市交通發(fā)展有著重大的意義。盾構(gòu)法以其施工較安全、施工效率高和對(duì)地層以及上部建筑物擾動(dòng)影響小等優(yōu)點(diǎn),逐漸成為了城市地鐵施工的主要方式[1]。然而受到復(fù)雜地質(zhì)條件和施工地區(qū)周圍環(huán)境的影響,盾構(gòu)推進(jìn)過程所造成的不利影響仍然是不能被忽略的[2]。目前,盾構(gòu)開挖隧道與地上、地下建筑物的相互作用所引起的地表以及既有建筑的沉降分析成為許多專家學(xué)者研究的熱點(diǎn)[3]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者在盾構(gòu)施工所造成的地表以及建筑物沉降的分析中,大多以理論分析、有限元模擬和實(shí)地監(jiān)測(cè)為主[4]。于丹丹等[5]通過理論分析研究了盾構(gòu)隧道近接建筑物所造成的影響以及對(duì)建筑物本身抵抗變形的因素,并對(duì)建筑物的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行分級(jí);黃宏偉等[6]依托現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)對(duì)盾構(gòu)隧道施工所引起的地表沉降進(jìn)行了研究;Yin等[7]通過數(shù)值模擬研究了盾構(gòu)隧道施工近接穿越既有隧道時(shí)對(duì)相鄰現(xiàn)有隧道的影響并提出了相應(yīng)的控制措施;Bilotta等[8]對(duì)隧道穿越鄰近歷史建筑物進(jìn)行三維有限元數(shù)值模擬,并分析了自然地下條件與考慮建筑影響兩種情況下的地面沉降影響。

現(xiàn)有研究主要集中于盾構(gòu)隧道下穿既有建(構(gòu))筑物所造成的影響,鮮有研究盾構(gòu)近接下穿城市中沉降敏感區(qū)地帶方面的報(bào)道。加油站通常會(huì)將油庫(kù)或者油罐埋于地下,其受到隧道施工擾動(dòng)的影響應(yīng)著重研究。本文依托于地鐵盾構(gòu)隧道下穿加油站及其下埋油罐工程實(shí)例,建立三維有限元模型,研究地鐵盾構(gòu)下穿加油站時(shí)地表和油罐的沉降特性,對(duì)比分析不同油罐放置方式對(duì)隧道開挖后地表沉降的影響,以期為盾構(gòu)隧道近接城市中沉降敏感區(qū)等類似工程提供參考。

1 工程概況

某地鐵隧道采用盾構(gòu)法施工,下穿加油站以及側(cè)穿埋于加油站下方的油罐,二者之間的位置關(guān)系如圖1所示。加油站油棚為1.5 m獨(dú)立基礎(chǔ)的1層網(wǎng)架結(jié)構(gòu),距隧道拱頂約12.7 m;4個(gè)地下油罐位于加油站的側(cè)下方,其中2個(gè)汽油罐、2個(gè)柴油罐,雙層排列,油罐直徑2.5 m,油罐長(zhǎng)約6 m,體積約為25 m3。該區(qū)間穿越地層從上到下依次為粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土-黏土、粗砂-砂礫、強(qiáng)風(fēng)化安山巖和中風(fēng)化安山巖。其中加油站區(qū)域隧道穿越地層為中風(fēng)化安山巖,拱頂覆巖厚度小于1 m。設(shè)計(jì)定義風(fēng)險(xiǎn)源等級(jí)為 I 級(jí)。根據(jù)《城市軌道交通地下工程建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)管理規(guī)范》(GB 50652—2011)[9]要求,穿越加油站時(shí)必須降低風(fēng)險(xiǎn)源等級(jí)。根據(jù)《城市軌道交通工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》(GB 50911—2013)[10]要求,建筑物以及油罐豎向位移沉降控制值以及加油站傾斜控制值如表1所示。

圖1 盾構(gòu)隧道與建筑物相對(duì)位置

表1 豎向位移沉降控制值

2 有限元模型

2.1 模型建立

為接近真實(shí)情況,有限元模型的尺寸根據(jù)所在地區(qū)圍巖的情況選為90 m×30 m×40 m(長(zhǎng)×寬×高),各層土體深度依次為6、4、4、5、21 m,并且在模型的底部、四周側(cè)邊分別施加固定邊界的約束。盾構(gòu)隧道采用圓形斷面,隧道直徑6 m,盾構(gòu)注漿區(qū)域0.3 m,兩隧道凈距14 m,隧道拱頂埋深19.7 m。有限元模型見圖2所示,地層及建筑物材料建模參數(shù)見表2、表3。本模型主要模擬地層的沉降,因此在數(shù)值模擬的過程中加油站僅以均布荷載的形式加載在混凝土底座上。加油站占地面積為30 m×12 m。

圖2 有限元模型

表2 地層物理參數(shù)

表3 施工所需材料物理參數(shù)

2.2 盾構(gòu)施工模擬

盾構(gòu)長(zhǎng)度取隧道方向30 m,施工順序?yàn)殡p線分開施工,左線施工完畢后進(jìn)行右線的施工。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工實(shí)測(cè)[11],其施工控制參數(shù)為掘進(jìn)壓力9 000 kN,頂推力500 kN,注漿壓力0.5 MPa。施工過程可分為三個(gè)步驟:第一步,盾殼先行,在原本的開挖區(qū)以及注漿層施加掘進(jìn)壓力,每環(huán)推進(jìn)3 m,開挖出注漿和安裝管片的土體;第二步,向前推進(jìn)兩環(huán),施加頂推力,安裝管片;第三步,在管片安裝好后,開始移出盾殼,更換注漿層的屬性用以模擬施加在管片上的注漿層,并在注漿后一個(gè)階段施加注漿壓力。

3 模型計(jì)算結(jié)果

3.1 地表沉降分析

在隧道施工過程中,不可避免地會(huì)影響到附近地層,因此,本文對(duì)地表的沉降以及建筑物附近的地表沉降進(jìn)行研究。

3.1.1 地表沉降隨施工過程的沉降變化規(guī)律

由于盾構(gòu)隧道的推進(jìn)會(huì)從加油站及附屬建筑物下方穿過,所以本文對(duì)加油站所在位置的地表選取六個(gè)測(cè)點(diǎn),如圖3所示,以分析加油站區(qū)域地表沉降變化。

圖3 建筑物測(cè)點(diǎn)沉降

左線先行施工,該過程中測(cè)點(diǎn)1與測(cè)點(diǎn)4的沉降變化比較明顯且沉降的變化率相似,左線施工完成后兩測(cè)點(diǎn)沉降均維持在9.49 mm,占總體沉降的89%;而測(cè)點(diǎn)2、5,由于測(cè)點(diǎn)位置位于雙線隧道的正上方,其在左線施工過程中趨近于線性變化,在左線施工完畢時(shí)兩測(cè)點(diǎn)的沉降均達(dá)到4.98 mm,占總體沉降的49%;測(cè)點(diǎn)3、6位于右線隧道上方,因此受到左線施工的影響較小,左線施工結(jié)束時(shí)兩測(cè)點(diǎn)沉降維持在1.21 mm處,占總體沉降的8%。在右線施工的過程中測(cè)點(diǎn)1、4距離施工區(qū)域較遠(yuǎn),受到影響較小,在施工結(jié)束后兩測(cè)點(diǎn)沉降增至9.90 mm;測(cè)點(diǎn)2、5,其沉降規(guī)律仍趨近于線性變化,在施工結(jié)束時(shí),沉降增至10.52 mm;測(cè)點(diǎn)3、6距離右線施工區(qū)域較為接近,其沉降變化率增大,待右線施工結(jié)束兩測(cè)點(diǎn)處沉降達(dá)到9.60 mm。

由上述分析可知,當(dāng)雙線隧道施工結(jié)束后,建筑物各測(cè)點(diǎn)的沉降均維持在9.80～10.50 mm,沉降均保持在表1所給出的一級(jí)控制值之內(nèi),隧道施工安全穿越建筑物。

3.1.2 施工結(jié)束后的地表沉降分布規(guī)律

地表在施工結(jié)束后的沉降規(guī)律見圖4,地表的沉降以隧道施工區(qū)域?yàn)閷?duì)稱軸呈“V”型分布,在隧道正上方的沉降達(dá)到最大值。累計(jì)沉降最大值達(dá)到11.48 mm,位于左、右線隧道起始點(diǎn)的上方,且靠近左線施工區(qū)域。距離隧道施工范圍外的地表區(qū)域會(huì)產(chǎn)生小范圍的隆起,且隆起高度最大為0.5 mm,對(duì)建筑物以及地上道路的影響可忽略。

圖4 施工結(jié)束后的地表沉降

施工結(jié)束后,加油站所在位置的地表出現(xiàn)了一定程度的下沉,并且建筑物為網(wǎng)架結(jié)構(gòu),建筑物所在地區(qū)的沉降達(dá)到了10.36 mm,從圖3(b)中可以看出接近建筑物地區(qū)的沉降變化梯度有所減小,達(dá)到近乎水平的程度,說明建筑物在施工結(jié)束后的沉降較為均勻,并沒有出現(xiàn)傾斜的情況。根據(jù)表1所提供的建筑物沉降控制值,模擬結(jié)果處在報(bào)警值以內(nèi),是偏于安全的。由圖5實(shí)測(cè)結(jié)果可知地表在施工過程中產(chǎn)生的最大沉降為9.93 mm[11]。

圖5 沉降實(shí)測(cè)曲線

與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相比,模擬數(shù)值偏大,這與施工及地上的行車會(huì)對(duì)土體產(chǎn)生擾動(dòng)有關(guān),同時(shí)實(shí)測(cè)時(shí)的環(huán)境因素也是使數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏差的原因之一。

3.2 油罐沉降分析

油罐位于左線隧道的側(cè)上方,以石粉層填筑,在石粉層下方施加混凝土底板。由于隧道的施工,對(duì)加油站下方埋置的油罐會(huì)有一定的影響,現(xiàn)將隧道所測(cè)穿的油罐進(jìn)行編號(hào),見圖2。

3.2.1 油罐沉降隨施工過程的變化規(guī)律

油罐可能會(huì)受到隧道施工的影響產(chǎn)生沉降或擠壓。對(duì)此進(jìn)行模擬計(jì)算,分析油罐表面測(cè)點(diǎn)隨著施工過程所產(chǎn)生的位移。沉降情況取各個(gè)油罐上側(cè)與下側(cè)的測(cè)點(diǎn)進(jìn)行沉降監(jiān)測(cè),沿罐身選取如圖6(a)所示三個(gè)測(cè)點(diǎn)。

圖6 油罐罐身測(cè)點(diǎn)沉降

根據(jù)圖6中結(jié)果,油罐的沉降隨著Y方向坐標(biāo)的增長(zhǎng)有所增加,沉降累計(jì)最大值為2.84 mm。油罐靠近左線施工區(qū)域,左線的掘進(jìn)施工對(duì)油罐的擾動(dòng)相對(duì)較明顯,并且在盾構(gòu)隧道的施工中,注漿壓力的施加階段會(huì)對(duì)油罐的沉降影響較為明顯,會(huì)使油罐有些許的隆起;之后由于施工進(jìn)行到下一個(gè)階段,油罐表面將會(huì)再次沉降;最終油罐的沉降穩(wěn)定在2.75 mm?？梢钥闯?盾構(gòu)的施工對(duì)油罐會(huì)有一定程度的影響,而且對(duì)于處在第二層的兩個(gè)柴油罐來(lái)說,較上層兩汽油罐所產(chǎn)生的沉降幅度大。油庫(kù)沉降報(bào)警值為1.5 cm符合規(guī)范[9]要求,隧道施工可安全通過油罐部分。實(shí)際工況的累計(jì)最大沉降為3.49 mm[11],見圖7,模擬與實(shí)測(cè)結(jié)果的偏差,可能與施工過程對(duì)土體的擾動(dòng)比模擬的情況更加復(fù)雜有關(guān)。

圖7 施工結(jié)束后罐身沉降

3.2.2 油罐沉降分布規(guī)律

由上述分析可以看出,隧道施工的過程對(duì)油罐有一定的擾動(dòng),且施工結(jié)束后油罐的沉降基本較為平穩(wěn)。為了更加細(xì)致地分析隧道施工對(duì)油罐所造成的影響。在罐身上側(cè)與下側(cè)沿著罐身軸線每0.5 m設(shè)置一個(gè)測(cè)點(diǎn),分析其沉降規(guī)律,其施工結(jié)束后的沉降結(jié)果如圖7所示。

各油罐的沉降均由罐首至罐尾逐漸減小。另外每個(gè)油罐的上部測(cè)點(diǎn)與下部測(cè)點(diǎn)的變化率并不一致,由圖7對(duì)比得出,一號(hào)汽油罐與一號(hào)柴油罐的上下測(cè)點(diǎn)的沉降幅度相差較為顯著,一號(hào)柴油罐在3 m處(油罐罐體中段)的上下部沉降差相差最為明顯。

對(duì)于油罐所處的位置來(lái)說,位于上層的兩個(gè)汽油罐的沉降幅度小于下方的兩個(gè)柴油罐的。上層汽油罐的最大沉降達(dá)到2.69 mm,而對(duì)于下層的兩個(gè)柴油罐,由于距離施工隧道更近,所以受到的影響就更加顯著,其最大沉降達(dá)到2.84 mm。

油罐外側(cè)的石粉層,可以降低油罐受到隧道施工的影響。根據(jù)圖8石粉層結(jié)構(gòu)的位移云圖可以看出,石粉層的沉降分布由上至下逐漸增大。沉降最小部分位于左上部分,平均沉降達(dá)到2.42 mm;沉降的最大部分位于石粉層的下部,平均沉降達(dá)到3.04 mm,受到施工影響較為明顯。對(duì)于石粉層的內(nèi)部安置油罐的部分,其沉降變形情況與罐體的沉降情況一致,隧道施工造成罐體與石粉層外殼出現(xiàn)空隙,故隧道施工可安全穿越油罐所在區(qū)域。

圖8 石粉層沉降云圖

4 優(yōu)化方案對(duì)比分析

根據(jù)上述分析可知,油罐的布置形式會(huì)導(dǎo)致上下兩層罐體的沉降隨著施工而出現(xiàn)偏差。本次數(shù)值模擬借鑒鄭州地鐵隧道下穿加油站中油罐水平依次排列方式[12],改變油罐的排列方式見圖9所示。測(cè)點(diǎn)選取同圖6(a),對(duì)油罐沉降隨施工步驟的變化進(jìn)行分析,如圖10所示。

圖9 更改位置后的相對(duì)位置

圖10 更改油罐排列位置后的油罐罐身測(cè)點(diǎn)沉降

根據(jù)模擬結(jié)果可知,更改油罐的安裝位置后,油罐的沉降隨著施工的進(jìn)行逐漸增大,最終均穩(wěn)定在2.68 mm。較之前的安裝模式,四個(gè)油罐位于同一高度,其沉降較為均勻,并且其沉降的幅度也較之前有所減小,同時(shí)也會(huì)減輕油罐四周石粉層所產(chǎn)生的變形。為進(jìn)一步探究這種排列方式對(duì)減小油罐表面沉降的影響,在施工結(jié)束階段對(duì)四油罐進(jìn)行研究,測(cè)點(diǎn)的選取同為油罐上、下表面軸線,計(jì)算結(jié)果見圖11。位于左線隧道正上方的二號(hào)汽油罐受到隧道開挖的影響相對(duì)較大,上下相差最大處位于二號(hào)汽油罐中部,較原始工況的沉降差減少38%。更改排列位置后,罐身的沉降變化率相比之前減少41%。

圖11 更改油罐排列方式后的罐身沉降

更改油罐擺放順序后,不僅可消除上下層油罐的相對(duì)影響,同時(shí)罐體上、下沉降差減小顯著。隧道掘進(jìn)施工對(duì)油罐有一定擾動(dòng),但擾動(dòng)影響較少。

加油站地表沉降在改變油罐位置后其變化規(guī)律如圖12所示?？梢钥闯?其地表最大沉降相較于油罐改變位置前降低了24%,加油站附近地表受到隧道開挖所產(chǎn)生的沉降也較之前有所降低。

圖12 地表沉降對(duì)比

5 結(jié)論

1)油罐位于左線隧道一側(cè),受施工擾動(dòng)影響較大。施工結(jié)束后,隧道上方最大沉降位于兩隧道中心偏左線一側(cè),為11.48 mm。在盾構(gòu)隧道施工擾動(dòng)和建筑載荷影響下,最終沉降穩(wěn)定在9.50 mm至10.75 mm,左線隧道附近略大于右線。建議在雙線隧道施工中,提前對(duì)先施工一側(cè)隧道附近的建筑進(jìn)行加固,可以減輕對(duì)先施工一側(cè)地表的影響。

2)油罐的沉降變化會(huì)在施工階段中受到注漿壓力的影響,沉降會(huì)在隧道施加注漿壓力的階段有所減小。在左線施工的過程中油罐的整體沉降會(huì)達(dá)到2.50 mm,而右線施工結(jié)束后,油罐的整體沉降達(dá)到2.85 mm,可以看出油罐的沉降受到左線的影響較大,因此應(yīng)該在左線施工的過程中注重油罐的保護(hù)。

3)在上下雙層油罐布置下,油罐上下側(cè)軸線處沉降差值最大為單層的5.69倍。下層油罐不僅受隧道施工影響,還受到上層油罐額外荷載影響。如果將油罐改為單層擺放,則油罐上下側(cè)最大沉降差值可減少38%,最大沉降減小19%,地表沉降減小24%。因此,建議隧道下穿油罐時(shí),將油罐改為單層排列,這有利于減少油罐沉降,提高施工安全性。