近年来,伴随着我国城市现代化的飞速发展和城市规模不断扩张,城市轨道交通已逐渐成为人们出行的首选。无论是地铁、轻轨还是城际铁路都得到了空前的发展。在京津冀一体化的大背景下,联系城市群的城际铁路已经成为城市发展的重要一环。而京津城际铁路延伸线将成为天津市塘沽滨海新区通往天津、北京的轨道交通大动脉。

因此,在城市地下开挖隧道时不可避免地会对土层产生扰动,引起的土体变形和位移可能影响到既有地面建筑的安全。Sigl等^[1] 结合新加坡盾构穿越寺庙工程对穿越过程中的相关建筑沉降进行监测。Finno等^[2] 提出一种将建筑物的楼板和承重墙分别考虑的复合梁法对地表建筑物进行分析。Mroueh等^[3] 建立完全三维模型,通过对比有无地面建筑开挖隧道土体力学行为分析采用扩大基础的结构对隧道施工引起的地面沉降的影响。计算结果显示,结构的存在对盾构隧道附近及结构基础附近的塑性区发展以及地面沉降曲线有明显的影响。廖少明等^[4] 对盾构分别穿越运营地铁隧道、危旧敏感建筑物、浅基础建筑群和桩基础时的盾构选型、微扰动控制参数以及相关应力与变形规律等进行了分析。葛世平等^[5] 对既有建筑下盾构穿越施工引起的地表沉降规律进行了三维数值模拟研究。贺美德等^[6] 采用有限元计算和现场监测相结合的方法对新建盾构隧道施工引起的临近高层建筑物的沉降倾斜进行了研究。张登雨等^[7] 采用现场实测和数值计算相结合的方法对盾构侧穿古建筑地表长期沉降进行预测和分析。已有相关研究多针对盾构施工引起的地面沉降、建筑物的变形以及盾构施工对建筑物的数值模拟计算,而对不同形式基础的建筑物沉降及加固前后对比分析研究较少。

本文以京津城际延伸线天津—于家堡盾构隧道为例,研究盾构近距离侧穿不同形式基础建筑物沉降规律,对指导工程施工及后续类似工程建设具有重要意义。

京津城际铁路延伸线解放路盾构隧道采用单洞双线,总长度为2 248.5m。盾构外径为11.97m,盾体长度为12m,整机长度为65m,隧道外径11.6m,内径10.6m,管片厚度为0.5m。沿线最小覆土厚度约为7.5m,最大覆土厚度为15.6m。工程所处地区为冲海积平原,地层以淤泥质黏土、淤泥质粉质黏土为主,土质不匀,成分复杂,具有技术难度大、安全风险高、工期要求紧等特点。盾构下穿天津市滨海新区解放路商业街。商业街沿线周围建筑物密集,情况复杂。

由于该盾构隧道侧穿多栋建筑物,大致分为浅基础建筑和深基础建筑两类。因此,选取具有代表性的浅基础建筑物电器城和深基础建筑物聚宝大厦为研究对象,研究盾构侧穿时建筑物的变形反应。

电器城始建于20世纪70年代,为框架结构,上部结构共3层,没有地下结构。电器城位于隧道右侧,长37.5m,宽21m,长边方向与隧道平行,与隧道位置关系如图1所示。

聚宝大厦建成于20世纪90年代,地上结构为框架结构,共10层,并有1层地下室,位于隧道右侧,长42.5m,宽22.5m。隧道与聚宝大厦位置关系如图2所示。

采用有限元软件进行分析,假设盾构施工过程及隧道周边土体、隧道埋深等参数不变,各土层厚度均匀分布。模型原点取隧道中心处,x轴为隧道横向,盾构前进方向左侧为x轴负方向,右侧为正方向。y轴为隧道纵向,y轴正方向为盾构前进方向。z轴垂直于xy平面,z轴正方向由隧道中心指向地表。模型左右边界为x=-40,x=55,并限制左右边界x方向水平移动。模型前后边界为y=0,y=132,并限制前后边界y方向水平移动,模型底部为z=-40.6,并限制模型底部z方向位移。管片采用结构shell单元进行模拟,基础结构使用实体单元进行模拟,上部结构采用结构单元beam进行模拟。土体部分本构关系采用莫尔-库仑模型,基础采用弹性模型。隧道管片采用C50,弹性模量取34.5GPa,重度25.0k N/m³,泊松比0.2。土体物理力学参数如表1所示。

电器城三维有限元模型^[8]如图3所示。

通过建立三维有限元模型研究盾构从距电器城30m至到达建筑物直至完全通过该建筑物整个过程中地基基础的变形情况。为方便分析模拟结果,选取D1-G1点所在横断面为观测面。随着盾构的推进,电器城左侧沉降逐渐增大,同时电器城右侧也出现沉降,左侧的沉降要大于右侧。沉降变化趋势如图4,5所示。

图4,5中可根据盾构推进的进度分为3个区域,区域1为盾构刀盘到达D1-G1观测面前,区域2为盾构通过电器城,区域3为盾构刀盘离开电器城。图中可以看出随着盾构掘进,电器城地基沉降逐渐增大,沉降主要发生在盾构通过的过程中。电器城左侧的D1~D6点最大沉降分别为,D1点为-40.54mm,D2点为-39.36mm,D3点为-39.03mm,D4点为-37.61mm,D5点为-36.72mm,D6点为-35.09mm。当盾构到达D1观测面时,D1点沉降为-18.1mm,占最大沉降的44.64%。当盾构分别抵达D2,D3,D4,D5,D6时,D2~D6点的沉降分别占各点最大沉降的47.89%,43.04%,49.46%,54.23%,57.28%。此时已经超过了沉降控制值(30mm)的要求,应采取控制措施。电器城右侧点G1~G6的沉降小于D1~D6的沉降,但沉降规律近似于D1~D6。同时,选取D1,D6,G1,G6 4个点进行建筑物差异沉降的研究,如图6,7所示。

图6,7中可以看出盾构通过电器城阶段是形成差异沉降的主要阶段,其差异沉降最大值达35.93mm,最终稳定在32mm左右,其差异沉降已经超过了规范所要求差异沉降S=0.002L=11mm,同时也大于在施工前安全评估要求的8mm的要求,因此建议盾构到达该建筑前采取地基加固措施。

聚宝大厦三维有限元模型^[9]如图8所示。

通过建立三维有限元模型研究盾构从距聚宝大厦30m至到达建筑物直至完全通过该建筑物整个过程中地基基础的变形情况。为方便分析模拟结果,选取H1-K1点所在横断为观测面。掘进过程中聚宝大厦地基基础和上部结构沉降云图如图9所示。

由图9可以看出,随着盾构的掘进,聚宝大厦左侧沉降逐渐增大,同时右侧也出现沉降,左侧的沉降要大于右侧。沉降变化趋势如图10,11所示。

图10,11中可根据盾构推进的进度分为3个区域,区域1为盾构刀盘到达H1-K1观测面前,区域2为盾构通过聚宝大厦,区域3为盾构刀盘离开聚宝大厦。聚宝大厦的沉降主要发生在盾构通过的过程中,这一点和盾构通过电器城时的情况是一样的。聚宝大厦左侧的D1~D6点最大沉降分别为-15.69mm,-17.22mm,-18.2mm,-17.61mm,-16.22mm,-14.63mm。当盾构到达H1-K1观测面时,H1点沉降为H1=-8.21mm,占最大沉降的52.36%。当盾构分别抵达H2,H3,H4,H5,H6时,H2~H6点的沉降分别占各点最大沉降的56.96%,64.34%,65.27%,72.07%,75.18%。可以看到,盾构在通过聚宝大厦各点时,各点的沉降占最大沉降的比例大于盾构通过浅基础的电器城。聚宝大厦右侧的点K1~K6的沉降小于H1~H6的沉降,但沉降规律近似于K1~K6。同时,选择聚宝大厦4个角点H1,H6,K1,K6进行差异沉降的研究,如图12,13所示。

由图12,13可以看出,盾构通过聚宝大厦阶段是产生差异沉降的主要阶段,其最大差异沉降值为17.06mm,最后稳定在17mm左右,其差异沉降已经超过了规范所要求的S=0.002L=15mm,同时也大于在施工前安全评估要求的6mm的要求,因此建议盾构到达该建筑前采取地基加固措施。

对电器城地基进行注浆加固后,由数值模拟结果可以看出,盾构的掘进依然对电器城造成了影响。电器城左侧出现了沉降,右侧则略有隆起。加固后电器城沉降模拟值和实测值如图14和图15所示。

由图14,15可以看出,电器城沉降的数值模拟结果和实测数据的变化趋势相同,在数值上也比较接近,说明数值模拟结果能很好地反映实际情况。对未进行注浆加固的电器城进行数值模拟,得到的D1,D6两点最大累积沉降值为40.54mm和35.09mm,而在注浆加固之后,两点沉降值为5.56mm和4.24mm,分别减小了86.29%和87.92%。而差异沉降最大值则从未加固的34mm变为6.7mm,减小了80.3%。在经过注浆加固以后,电器城的差异沉降已经满足规范11mm的要求,并且满足安全评估8mm差异沉降的要求。由此可以得出,针对电器城的注浆加固措施可以保证盾构的安全通过。

对聚宝大厦临近隧道一侧进行注浆加固后,加固措施有效控制了聚宝大厦临近隧道一侧的沉降,而远离隧道一侧则出现了隆起。聚宝大厦数值模拟和实测沉降情况如图16,17所示。

图16为靠近隧道的H1,H3,H6 3个点的数值模拟及实测数据,图17为远离隧道的K1,K3,K6 3个点的数值模拟及实测数据。聚宝大厦沉降的数值模拟结果和实测数据的变化趋势是相同的,在数值上也相差不大,说明数值模拟结果能很好地反映实际情况。在对未加固的聚宝大厦进行数值模拟后,得到的H1,H6两点最大沉降值为15.69mm和14.63mm,而在注浆加固之后,两点最大沉降值为2.6mm和2.3mm,分别减小了83.43%和84.28%。加固后的差异沉降如图18所示。

由图18可以看出,加固后聚宝大厦数值模拟的差异沉降和实测的差异沉降十分接近。未加固的数值模拟差异沉降最大值为17.06mm,经过加固之后,模拟最大差异沉降为5.4mm,减小了68.35%。而聚宝大厦实测最大差异沉降为5.5mm。加固后聚宝大厦的差异沉降满足规范15mm的要求,同时满足安全评估6mm的差异沉降要求。由此可以得出,针对聚宝大厦的注浆加固措施可以保证盾构的安全通过。

1)对盾构侧穿浅基础建筑物和深基础建筑物进行了数值模拟分析,得到如下结论:①无论盾构侧穿哪种建筑物,发生(差异)沉降最大的阶段均为盾构通过建筑物阶段(即区域2),该阶段沉降值占最大累积沉降值的比例最大为87%,最小为41%。同时,该阶段差异沉降最大值为35.93mm,最小值为19.82mm。因此,盾构施工时应重点控制该阶段沉降。②由于建筑物临近隧道一侧受盾构扰动大于远离一侧,因此侧穿建筑物时靠近隧道一侧沉降大于另一侧。同时,盾构侧穿浅基础建筑时最大沉降40.54mm,侧穿深基础建筑时最大沉降为18.2mm,这是由于浅基础建筑的基础距离地表较近,处于盾构影响范围之内,易随上覆土层共同发生沉降,而深基础建筑的桩基通常达到地下较深的距离,受盾构影响很小,所以盾构施工对浅基础建筑物的影响大于深基础建筑物。

2)针对实际工程特点,施工过程中对隧道沿线邻近建筑的地基采取了注浆加固措施,并进行了加固后的数值模拟及现场监测,结果表明,加固方案能大大减小地基沉降和差异沉降,最大减小87.92%,且加固后的建筑物满足规范对其沉降的要求。

3)通过对比、分析,差异沉降数值模拟结果与现场监测结果比较接近,验证了FLAC^3D在模拟盾构施工对邻近建筑影响的可行性。