城市地铁隧道的选线一般位于道路下方, 但由于城市建筑密集度高, 地铁隧道不可避免地要穿越城市建 (构) 筑物。盾构隧道在施工过程中会对隧道周围土体产生扰动, 使得土体的应力状态发生变化, 导致土体产生应力释放, 从而造成地表沉降, 这种短时间内快速产生的较大变形会对地表邻近建 (构) 筑物造成一定的影响及危害。因此, 预测盾构隧道掘进过程中对地层位移及周围建 (构) 筑物的影响, 并采取合理的施工措施进行加固十分必要。

目前, 预测盾构隧道掘进过程中对地层位移及周围建 (构) 筑物影响的研究方法主要包括解析法、有限单元法和现场实测法, 其中有限单元法应用较多。在解析法方面, 魏纲等^[1]将建筑物基础假定为弹性地基梁, 然后按弹性地基梁理论计算出在不考虑建筑物的情况下, 盾构隧道施工引起的地面沉降。欧阳文彪等^[2]基于近似解析解并结合等效刚度原理, 给出在考虑建筑物刚度情况下, 单线和双线盾构隧道穿越建筑物所引起的地表沉降计算公式, 计算结果与实测结果吻合较好。在有限元模拟方面, 魏纲等^[3]考虑建筑物-土体-隧道的共同作用, 采用有限元软件MIDAS GTS分析了双线平行盾构隧道侧穿短桩框架建筑物所引起的地表沉降和建筑物的内力变化。于宁等^[4]采用三维有限元软件分析了典型软弱地层盾构隧道施工引起的地层变形, 模拟结果与实测结果对比表明, 模拟结果可较好地吻合盾构隧道施工所造成的土体变形规律。

本文运用三维有限元软件模拟盾构隧道侧穿砌体建筑物的施工过程, 分析深孔注浆加固措施的施工效果, 为后续呼和浩特市地铁建设提供一定借鉴与参考。

呼和浩特市轨道交通2号线一期工程公主府站—内蒙古体育场站区间盾构隧道为双孔单线隧道, 分左、右2孔。本段区间隧道全线敷设于地下, 采用中国铁建重工集团有限公司生产的2台编号为269, 270土压式平衡盾构机进行施工, 刀盘直径6 440mm, 开口率60%, 盾构机主体长度8 865mm, 盾尾间隙30mm。隧道管片采用预制C50拼装管片, 管片直径6 200mm, 厚350mm, 每环管片宽1.5m, 由3块标准块、2块邻接块及1块封顶块组成。左线隧道先行始发, 右线隧道较左线隧道滞后1个月始发。

区间隧道起于公主府站, 止于内蒙古体育场站, 沿气象局西巷敷设。自南向北盾构隧道侧穿建筑物有口腔门诊、5层楼房、财院家属楼 (3栋) 、地震局宿舍楼、民房、民族学院公寓、民族学院5号公寓、民族学院洗浴中心、供电局府兴营职工住宅楼 (2栋) 、民族学院家属楼、天府花园52号楼。上述共计14栋楼房在盾构隧道沉降槽影响范围内, 且距盾构隧道水平距离较近, 安全风险等级高, 需采取必要的处理措施才能确保邻近建筑物安全和正常使用。

根据GB 50446—2017《盾构法隧道施工及验收规范》和GB 50911—2013《城市轨道交通工程监测技术规范》的规定, 结合现场踏勘情况, 考虑到民族学院家属楼年代较久, 经专家论证, 确定侧穿楼房建筑物的变形控制标准为:沉降≤15mm, 倾斜≤1‰。由于地下水丰富, 在盾构隧道侧穿建筑物过程中, 易引发地面发生不均匀沉降而导致房屋开裂, 为保证家属楼的安全使用及住户的人身安全, 拟采用洞内深孔注浆技术对隧道周围地层进行加固, 以控制地表和建筑物的不均匀沉降。

深孔注浆是指在管片内部的吊装孔处进行钻孔, 通过注浆孔和注浆设备对隧道周围土体进行注浆加固。本工程采用3m注浆管, 通过管片的吊装孔对管片外径以外3m范围内的地层进行水泥-水玻璃双浆液注浆加固, 注浆管扩散半径为0.75m, 注浆时间为管片脱出盾尾5环后进行, 注浆加固范围为穿越楼房及其前后长度各5m。

在上述盾构隧道侧穿的14栋楼房中, 民族学院家属楼与左线隧道中心线的最近距离为5.22m, 也就是说, 隧道外边缘与建筑物基础的最近距离仅为2m, 距离较近 (见图1) ;且隧道埋深较浅, 隧道拱顶到地表距离最大为14.2m。盾构隧道所在地层为细砂地层, 地层稳定性差。民族学院家属楼为地上4层砌体结构建筑物, 无地下室, 为条形片石基础, 基础埋深2.5m。因此, 该处盾构隧道施工风险尤为突出, 数值模拟计算以盾构隧道侧穿该建筑物为例。

采用有限元软件MIDAS GTS建立隧道、土体与建筑物基础的三维计算模型 (见图2) , 模型采用位移边界条件, 其中底部为固定边界, 限制其水平及垂直方向的位移;模型周围限制水平方向位移;模型上部取至地表, 为自由边界。考虑到隧道开挖空间效应的影响, 三维计算模型的尺寸范围选择为120m×40m×93m, 所建三维模型中共划分为97 362个单元和52 740个节点。为简化计算过程, 将砌体结构折换成50kPa的均布荷载施加在条形基础上。

计算模型的地层采用修正莫尔-库仑本构模型^[5,6,7]。同时, 考虑到管片接头的拼装, 将管片的刚度按0.85的系数进行折减^[8], 采用弹性模型。开挖面压力取与实际应力相接近的155kPa。

根据前期地质勘察结果, 地层计算参数取值如表1所示, 主要材料参数如表2所示。

假定地层为单一均质的水平层, 忽略地下水的渗透作用, 同时忽略土体的蠕变和后期的固结沉降。

盾构隧道施工过程模拟: (1) 计算地层的初始应力状态, 地层位移清零; (2) 钝化隧道开挖土体, 激活盾壳和支护压力; (3) 钝化盾壳, 激活管片和注浆层; (4) 重复 (2) , (3) 至隧道开挖完成。在开挖第6环后, 将加固土体的属性按开挖步骤依次从细砂属性改为加固体属性。

数值模拟得到双线隧道开挖结束后土体的竖向位移分布云图如图3所示。

由图3可看出:盾构隧道施工结束后, 地表沉降曲面自上而下呈现逐渐收缩的“圆形漏斗”状。左线隧道拱顶附近最大沉降值为11mm, 右线隧道拱顶附近最大沉降值为10mm, 基本对称。隧道仰拱地层产生稍微隆起, 这是因为隧道范围内的土体被开挖, 而拼装好的管片自重小于被开挖的土体自重, 从而导致隧道下部土体产生卸荷作用, 进一步使得隧道下部土体产生隆起。

将建筑物的4个角依次编号为A, B, C, D, 如图2所示, 由于A点距隧道中心最近, 仅为5.22m, 为最危险点, 因此有必要分析A点所在断面 (y=39m) 处的地表沉降情况。该断面的地表沉降曲线如图4所示。

由图4可知, 地表沉降最大位置位于2条隧道中间, 最大值为9.66mm, 同时可看出在x方向的9～31m, 地表沉降槽呈对称形式。在隧道左边, 建筑物的影响使得地表沉降值增大, 沉降槽在-43～9m不再和隧道右边的地表沉降槽对称。在x=9m位置处, 由于建筑物A角在该处, 使得地表沉降增大, 沉降值增大至7mm。

盾构施工到达A点所在断面时, A点的纵向地表沉降曲线如图5所示。

由图5可知, 盾构施工引起的纵向地表沉降曲线呈反向S形。在开挖面前方, 由于支护压力与刀盘中心点处的静止土压力基本相当, 开挖面前方隆起效应不明显, 同时刀盘对周围土体的扰动使得隧道前方3m范围内产生超前沉降;在开挖面后方, 隧道内因土体开挖而脱空, 土体沉降量先增大, 而后趋于稳定。

A点的地表沉降随开挖步的变化如图6所示。

由图6可看出, 随着盾构机的掘进, A点的沉降先基本保持不变, 后持续增加, 这种沉降趋势一直持续到第31步;在第32步时, 由于深孔注浆的作用, 使得隧道周围土体得到加固, 这种沉降趋势得以减小, 并趋于平缓, 左线隧道施工结束后, 建筑物基础A点处沉降最大, 为6mm左右。由于左线隧道和右线隧道间距较小, 在施工右线时, 也会对建筑物产生一定影响, 但由于左线施工时对隧道周围土体进行了深孔注浆, 加固了左线隧道周围土体, 从而使得右线隧道的施工对建筑物的扰动较小, 右线隧道施工结束后, 离隧道最近点A的最大沉降为7mm。

施工结束后, 建筑物基础的竖向位移云图以及4条边的竖向位移如图7所示。

由图7可看出, 越靠近隧道处, 建筑物的基础沉降值越大, 最大值出现在建筑物的AB段上, 最大沉降量为7mm;而建筑物远离隧道处, 基础沉降相对较小。盾构隧道施工结束后, 沿隧道方向建筑物最大倾斜为0.19‰, 垂直于隧道方向建筑物最大倾斜为0.15‰, 砖基础的AD边局部倾斜最大, 为0.27‰, 满足要求的建筑物沉降控制标准。

建筑物监测点布置如图8所示, 建筑物离隧道最近点为监测点JGC26-2, 该点的竖向位移监测结果如图9所示。由于左线隧道通过监测点后, 监测频率加大而导致数据有所缺失, 当右线隧道到达监测点时, 又有了一些监测数据, 因此出现图示监测结果。

由图9可看出, 在左线隧道施工过程中, 监测点JGC26-2一直处于沉降趋势, 在第2天监测点沉降出现稍微波动, 说明施工参数的调整、地质条件的变化等一些主观和客观因素都会直接影响邻近建筑物的沉降值;同时, 由于施工过程中采用了深孔注浆技术, 加固了隧道周围地层, 在浆液硬化发挥作用后, 监测点的沉降趋势较之前有了较大减小, 但由于深孔注浆采用注浆压力和注浆量双控标准, 而且实际现场地层并不是单一均质地层, 这就造成在每个注浆点注入的浆液量大不相同, 从而造成监测点的沉降波动。

左线隧道施工结束后, 监测点JGC26-2沉降值为9.4mm, 右线隧道施工结束后, 监测点沉降值也为9.4mm, 但右线隧道施工过程中, 监测点出现一些波动, 表明后施工隧道对先行隧道具有一定影响, 在采用深孔注浆技术加固隧道周围土体后, 这种影响减小很多。监测结果也在规定的沉降控制标准范围内。

对比图6和图9, 数值模拟结果与监测数据结果的沉降趋势具有一定的相似性, 但相比于实际测量结果, 由于数值模拟的过程较为理想化, 不能将盾构施工过程和现场施工环境完全模拟出来, 这就导致实际监测值比数值模拟值大2.4mm, 但是两者都在安全控制范围内, 表明在实际施工过程中, 采用洞内深孔注浆技术可有效控制建筑物沉降。

1) 盾构隧道开挖对既有建筑物的影响, 随着建筑物距隧道轴线距离的增加而减小。在盾构隧道施工结束后, 建筑物呈左高右低、向隧道中线倾斜状。同时, 建筑物的存在使得双线盾构隧道的横向地表沉降槽不再对称, 有建筑物的一侧地表沉降明显比无建筑物一侧大。

2) 双线隧道开挖时, 先开挖隧道对建筑的影响较大, 后开挖隧道也会对建筑物产生一定影响, 但相对于先开挖隧道而言, 影响较小, 因此, 在施工过程中应加强先行开挖隧道对建筑物的影响监测。

3) 采取深孔注浆加固措施后, 建筑物的沉降趋势明显减缓, 施工结束后, 距隧道较近处建筑物的沉降较大, 最大沉降为7mm, 距隧道较远处建筑物的沉降明显减小, 基本不产生沉降, 与现场实测数据较吻合, 表明采用深孔注浆技术能有效保证盾构隧道侧穿砌体结构建筑物时建筑物安全使用。