侯宏平1，张振雨1，张小杰2*，成宣任2，郑余朝2
(1．中铁二十四局集团有限公司轨道交通分公司，上海200070;2．西南交通大学土木工程学院，四川成都610031)
摘要:为探究砂卵石地层大直径盾构侧穿筏板基础建筑过程中的沉降控制技术，依托成都轨道交通17号线二期龙爪堰站—清水河大桥站—浣花里站区间隧道施工项目，结合监测数据和施工参数，建立精细化数值模型对盾构施工过程进行了模拟。盾构侧穿后，右侧基础沉降较大导致建筑结构重心向右侧偏移，进而导致地下室中间柱竖向压应力明显增大。盾构侧穿过程中筏板基础建筑更容易出现向盾构一侧的整体倾斜，且建筑远离盾构一侧甚至可能出现轻微隆起。针对侧穿筏板基础建筑的盾构施工，建议特别关注建筑物的倾斜率，并考虑采用地层注浆加固和隔离桩施工方法以减小沉降。
0引言
近年来，随着城市轨道交通的发展，新建地铁线路不断增加，地铁施工过程中难免穿越各种建构筑物。同时为满足运输效率要求，盾构直径不断增加，这也直接增大了盾构施工过程中的风险，因此研究大直径盾构对建筑物的影响就尤为必要。
在大直径盾构隧道研究方面，封坤等［1］结合佛莞地铁对大直径管片进行研究，认为管片对轴力变化更敏感;宗树红［2］针对济南济泺路盾构隧道下穿黄河工程进行了风险控制技术研究，确定了以旋喷桩与冻结加固为主的控制措施;王焕等［3-4］对大直径泥水盾构展开研究，以实际项目为工程背景对建筑物进行安全评估，制定相应控制措施，并通过盾构试验段，优化盾构参数。在盾构法对建筑物的影响方面，孙双篪等［5］通过对大直径盾构下穿建筑群的研究提出初期荷载释放率越小，地表及房屋沉降也越小，对应的地层损失也越小;贾小伟［6］认为盾构穿越桩基础时，桩基会改变土体竖向位移形式，使其变形曲线为“蝴蝶状”;徐林、张军［7-8］对盾构穿越建、构筑物的影响规律进行研究，发现建筑的倾斜值、最大沉降量以及最大弯矩与两建筑物间的净距和隧道的深度有着密切联系，相邻建、构筑物间存在保护现象。
但目前针对砂卵石地层大直径盾构侧穿筏板基础建筑的研究较少，尤其是在侧穿过程中筏板基础的沉降特点及有效防沉降措施有待深入研究。本文以成都轨道交通17号线清水河大桥站—浣花里站区间侧穿金煜综合楼项目为背景，研究砂卵石地层大直径盾构施工对于筏板基础建筑物的影响特点，并给出相应的建议措施以防范施工风险，以期为同类型施工提供参考。
1工程概况
工程为成都轨道交通17号线二期龙爪堰站—清水河大桥站—浣花里站区间隧道施工项目。盾构隧道在YDK81+400—YDK81+450侧穿金煜综合楼(见图1)，区间隧道与金煜综合楼的平面位置图如图2所示。该楼地下层为车库和设备用房，1层为营业用房，2层—5层为开敞式办公用房。建筑整体为全现浇钢筋混凝土框架结构，基础为梁板式筏形基础。隧道与房屋基础竖向间距约7.7m～8.1m，水平间距约0m～3.3m。
地层从上到下依次为杂填土、稍密卵石土、中密卵石土、密实卵石土，隧道穿越密实卵石土层，开挖后掌子面自稳能力差。盾构隧道管片采用单层预制管片，混凝土强度等级C50，弹性模量34.5GPa。管片外径8.6m，内径8m，厚度0.3m，环宽1.5m。土层及管片物理力学参数详见表1。
2盾构施工数值模拟
2.1三维有限元计算模型构建
采用FLAC3D软件建模计算，根据土体物理力学参数及实际情况，掘进试验段三维计算模型尺寸取为90m×100m×50m，具体模型见图3。隧道拱顶距地表14.15m，左右隧道中线间距15.5m，隧道拱顶与房屋竖向间距取为7.7m，水平间距取为0m。隧道内径4m，外径4.3m。模型中包含有201280个单元，834749个节点。其中建筑物、土层、衬砌和注浆层均采用实体单元模拟，盾壳采用shell单元模拟。建筑物、土层采用理想弹塑性模型服从摩尔－库仑屈服准则，衬砌、注浆层和盾壳采用线弹性模型，建筑物、衬砌、注浆层、盾壳等具体参数见表2。同时对模型施加边界约束，模型底面及四周侧面法线方向位移为零。
2.2施工模拟过程
模拟过程按以下顺序进行:初始地应力平衡→位移清零→隧道左线开挖→隧道右线开挖。在盾构开挖模拟中，每个循环进尺为一个管片的宽度1.5m，盾构开挖具体分为以下几个步骤:
1)先对掌子面施加一定的压力，模拟盾构机顶推力。然后移除掌子面压力，用空单元实现隧道开挖，并对掌子面进行应力释放。
2)采用Shell单元模拟盾壳、实体单元模拟注浆层和管片结构，并赋予相应的材料参数，施加相应荷载模拟盾构机及台车重力和注浆压力。考虑盾构机的长度为9m，当掌子面推进一定距离后，进行注浆和施作管片。注浆时，在隧道环向施加注浆压力，赋予弱化的注浆层注浆材料的参数，将衬砌层赋予C50管片的参数，计算一定时步。
3)等待盾构机掘进5环～6环后，赋予硬化后的注浆材料参数，模拟注浆硬化过程。
4)循环步骤1)，2)，3)，直到开挖支护完成，双线贯通。
3数值计算结果分析
3.1地表沉降分析
由图4，图5可知，左线开挖时地表沉降测线E地面最大沉降为25.41mm，测线F最大沉降为27.38mm;全线贯通时测线E地面最大沉降为35.53mm，测线F最大沉降为35.11mm。左线开挖和全线贯通时测线F最大沉降均大于测线E最大沉降，说明靠近建筑物盾构开挖相较于无建筑物地面最大沉降会有所增加。
左线开挖和全线贯通时E，F地表测线沉降槽宽度基本一致，说明建筑物的存在基本不影响盾构开挖的影响范围。但对于地表测线F，其远离建筑的隧道右线正上方沉降小于靠近建筑的隧道左线正上方沉降，说明建筑物的存在增大了开挖时的沉降，这是因为筏板基础建筑物增加了其下方一定范围内土体附加应力，当开挖时此部分附加应力被大部分释放，且越靠近建筑物的土体附加应力越大，开挖后的地表沉降也就越大。
3.2既有建筑沉降及倾斜率分析
1)整体沉降分析。由图6，图7可知，左线开挖时建筑物最大沉降为13.65mm，右线开挖后建筑物最大沉降增至14.57mm，明显距建筑较远的右线开挖对建筑物沉降影响有限。同时建筑物沉降等值线基本与盾构方向平行，建筑左侧甚至出现微微隆起，这是由于筏板基础刚度较大，开挖后建筑呈现整体向右侧倾斜。
2)结构柱沉降分析。由图8可以看到，左线开挖后结构柱产生一次沉降，右线开挖后结构柱产生二次沉降，二次沉降远小于一次沉降。最大一次沉降为13.38mm，出现在D4柱位置;最小一次沉降为2.53mm，出现在A2柱位置。最大二次沉降为1.93mm，出现在柱D4位置;最小二次沉降为0.02mm，出现在A2位置。最大一次沉降与最大二次沉降均出现在D4柱位置，最大二次沉降与最小二次沉降均出现在A2柱位置。既有建筑结构柱最大最终沉降为14.31mm，最小最终沉降为2.43mm。
同时还可以看到左线开挖和右线开挖后，结构柱沉降按从大到小的顺序排列依次均为D＞C＞B＞A，结构柱距盾构隧道越近，开挖后结构柱沉降越大。且结构柱距离地铁右线越远，右线开挖对其造成的二次沉降越小。
3)建筑倾斜率分析。取结构柱A3与D3沉降差为代表计算建筑倾斜率，分析建筑倾斜率随开挖距离的变化。倾斜率为A3柱与D3柱沉降差值与两者中心间距的比值，两柱中心间距为15m。
由图9可知，柱A3，D3均在开挖距离为20m～70m区间沉降速率较大，且D3沉降速率明显大于A3沉降速率，说明盾构开挖对开进盾构区域的D3柱影响更大。
由图10可知，当开挖距离为20m时，建筑倾斜率开始突然增加，直到开挖距离超过70m时，建筑物倾斜速率出现明显降低，倾斜率开始逐渐稳定;右线开挖后，建筑物倾斜率略有增加。整个开挖过程中，既有建筑物倾斜率最大为0.8‰，小于8‰的倾斜率控制标准［9］。
3.3既有建筑物应力分析
由图11—图13可知，相比于开挖前，左线开挖后结构最大竖向压应力减小，最大压应力由17.03MPa减小到16.83MPa，右线开挖后最大压应力继续增大至16.94MPa，这是由于房屋右侧靠近盾构区，盾构开挖后右侧基础沉降较之左侧更大，导致建筑结构重心向右侧偏移所致。同时，左线开挖后地下室中间结构柱压应力明显增大，由12MPa～14MPa增大至16MPa左右;右线开挖后结构柱竖向应力变化较小。
4现场沉降监测数据分析
由图14，图15可知，沿盾构方向基础沉降数值计算结果最大沉降为14.31mm，现场监测最大沉降为10.48mm，且较大沉降均出现在基础中部，较小沉降均出现在基础两侧，说明数值计算结果与现场检测结果具有较好的吻合性。同时计算结果与现场监测结果均显示出沿盾构方向建筑基础沉降先逐渐增大，在基础中间位置沉降达到最大值，然后再逐渐减小。基础总体沉降趋势为:中间大，两边小。
根据图16和图17可知，盾构穿越后建筑物呈总体倾斜状态，测点JZ-7与JZ-2沉降差为6.79mm，JZ-10与JZ-4沉降差为9.30mm，测点间距为25m，建筑最大倾斜率为0.37‰，满足8‰的建筑倾斜率安全控制标准［8］。
由图16，图17还可以看到筏板基础远离盾构一侧出现几乎无沉降，甚至有微微隆起，而靠近盾构一侧有较大沉降，建筑物出现整体向盾构侧倾斜，这一现象与数值模拟结果相吻合。这是由于筏板基础刚度大，盾构开挖后造成靠近盾构一侧土层沉降后，建筑重心向盾构侧偏移，进而导致远离盾构侧的基础的基底附加应力减小，故筏板基础远离盾构侧沉降很小甚至出现隆起。
5结论及建议
通过对砂卵石地层大直径盾构侧穿金煜综合楼施工项目的深入研究，得出了以下主要结论:
1)建筑物的存在显著影响了盾构侧穿过程中的地表沉降情况。具体而言，与远离建筑物的区域相比，靠近建筑物的区域地表沉降更为显著。
2)筏板基础建筑物因其较大的刚度，在盾构侧穿过程中容易出现整体向盾构一侧倾斜的现象。整个开挖过程中，既有建筑物倾斜率最大为0.8‰，符合建筑倾斜率安全控制标准［8］。此外，建筑物远离盾构一侧的沉降相对较小，甚至可能出现轻微隆起。这一结论可为筏板基础建筑物在类似工程中的沉降控制提供重要参考。
3)盾构开挖后，建筑结构中部的竖向应力呈现出明显增大的趋势，地下室中间结构柱竖向压应力由12MPa～14MPa增大至16MPa左右。这一变化主要是由于基础右侧沉降较大，导致结构重心向右侧偏移的结果。
4)针对侧穿筏板基础建筑的盾构施工，建议特别关注建筑物的倾斜率。根据筏板基础建筑物的沉降特点，同类工程可以考虑采用地层注浆加固和隔离桩的施工方法对地层进行预加固以减小盾构开挖过程中既有建筑沉降。
转载文献来源：中国知网-山西建筑
