盾构隧道穿越地面建筑物的有限元分析

盾构隧道穿越地面建筑物的有限元分析

由于桥梁施工的创造性和效率，桥梁技术在城市地铁隧道的施工中得到了广泛应用，但桥梁施工中存在许多风险。由于盾构隧道多建于城市繁华地带,地面建筑物多,施工过程中对地层的扰动,会对地面建筑物的安全造成威胁,甚至会带来灾难性的后果,所以应对盾构穿越建筑物的施工过程进行模拟分析和动态管理,以确保施工安全。天津地铁2号线第10合同段作为天津地铁2号线率先开工的盾构工程,工程地质条件复杂,需要穿越多处地面建筑物和桥梁桩基,施工难度大。如何在盾构穿越过程中,确保建筑物的安全,避免过度沉降和隆起,是盾构施工过程中的难点。1工程及地质概况1.1盾构隧道概况天津地铁2号线第10合同段是红星路—靖江路区间,左线长769.402m,右线长759.371m,盾构从红星路站始发向东掘进,在靖江路站完成接收。该区间隧道右线从常州里37#居民楼楼侧穿过,穿越范围为右线DK14+813～DK14+898,长度约85m。穿越处线路位于曲线上,曲线半径为599.95m。隧道埋深约为10.6m(隧顶距离地面),区间隧道至常州里居民楼最小水平净距约为3.14m,盾构隧道与楼房的相对位置平面见图1。常州里37#楼为6层砖混结构,原属企业职工楼,建于上世纪90年代中期,采用筏片基础,埋深2.5m。盾构机采用德国HERRENK公司生产的土压平衡盾构机(EPB),盾构机刀盘直径6390mm,采用同步注浆方式。隧道衬砌采用预制钢筋混凝土管片,管片外径6200mm,内径5500mm,管片宽度1200mm。1.2隧道中心高地面水盾构隧道旁穿常州里居民楼位置的地质结构从上到下分别为:①1杂填土,深度在0～2.1m;③1、④1粉质黏土,深度在2.1～12.4m;④3淤泥质粉质黏土,深度在12.4～14.2m;⑥1粉质黏土,深度在14.2～18.8m;⑥3粉砂层,深度18.8～20.2m。该段隧道中心标高在-11.73～-12.06m。穿越范围处隧道顶覆土为10.44～10.92m,隧道穿过土层大部分为粉质黏土,底部为粉砂层,砂层中富含地下微承压水。盾构隧道与常州里37#楼剖面关系见图2。2在周围建筑结构的有限模拟分析中2.1数值模拟计算计算程序采用美国ItascaConsultingGroupInc.开发的三维有限差分计算软件FLAC3D(fastlagrangiananalysisofcontinua,FLAC2.6)进行数值模拟计算。根据圣维南原理,为保证边界条件,根据不同的施工条件和地质情况,应取开挖洞室尺寸的3～5倍,以保证边界处的位移基本为0。该工程模型尺寸横向取80m,竖向取60m,纵向取100m,以足够大的模型保证计算精度。同时,为保证计算尽可能贴近实际,对隧道周边及房屋周围的单元进行加密,对整个模型进行网格单元优化。2.2土体应力的模拟模型建立后,给各层土体附上其属性,但是此时的模型只是各层土体的堆积,不是现实中的原状土体。在附弹性模型后,在土体自重作用下,土体自动开始固结沉降,形成原状土体的应力场,这一过程在地层形成中就已经完成,但在模拟时会有下沉的位移和速度。为了得到开挖引起的位移,必须把地层压实过程中形成的位移和单元位移速度清除,这样才不至于造成位移的叠加,得到的位移才是开挖引起的位移。在清除位移和位移速度后,保存土体压实过程中的应力,至此就是现成原状土体,此时进行相关的施工仿真模拟所得到的结果就是施工引起的变化和工程所需要的数据。为了使得模拟的结果更加贴近事实,本计算严格按照实际施工步骤进行模拟分析,即:开挖掘进—安装管片—同步注浆—开挖掘进,见图3。2.3土压平衡式盾构的破坏区分析为了重点监测盾构掘进对楼房产生的影响,把监测点设在楼房基础下,用以监测楼房的下沉和偏移。对于软土地层的盾构隧道,地层荷载在掘进过程中释放,作用在盾构管片结构上,地层出现沉降槽。通过三维仿真分析可以看到,在没有考虑二次注浆的情况下,穿越楼房后的地表最大位移为16mm,二次注浆后预计可以控制在-3～10mm警戒范围之内。土压平衡式盾构在掘进施工过程中,工作面为封闭状态,破坏区主要集中在开挖隧道的周围,在盾尾脱出后产生一定的建筑空隙。产生破坏区的原因主要是开挖扰动及盾尾脱离后同步注浆的强度还没有形成,此时洞室围岩基本没有支撑就向开外洞室处位移,释放内部应力,所以洞室周边的围岩首先发生破坏,形成围绕隧道的破坏区。从模拟分析结果来看,破坏区基本没有连通,只是在楼的近边缘与隧道呈45°角处,有出现受剪切塑性区连通的可能。盾构通过后土体位移及速度逐渐收敛而稳定,此阶段的掌子面土压力大致为0.2MPa,从模拟结果看,正常推进是可行的。模拟盾构穿越楼房塑性区分布见图4,模拟地层位移分析见图5,模拟盾构穿越楼房过程中楼房基础下监测点位移曲线见图6。3沉降观测孔盾构穿越常州里居民楼位置具有埋深浅、掘进距离长等特点,此次穿越施工具有较高难度。基于上述原因,通过采用科学、合理的盾构施工技术措施,控制地面沉降在-20～+10mm范围内,以确保施工过程中地面楼房的安全。盾构施工前,在地面沿盾构推进方向设置沉降观测孔。盾构推进时,根据地面沉降监测信息的反馈,精确测定地层的变形与盾构机密封仓土压力设定值,并及时调整土压和出土量,科学合理地设置土压力值及相宜的推进速度等参数,根据地面荷载的情况,重新计算土压平衡设定值,并根据地面隆陷值加以调整,使盾构匀速推进,防止超挖和欠挖,从而减少对土体的扰动。3.1盾构机注浆压力通过盾构试掘进以及穿越顺驰立交桥的施工,项目部已总结出合理的施工参数,以“慢慢地推,分小段推;慢慢地转,均匀地转;顶住正面,调整压力;封住盾尾,合理注浆”的技术内涵为基础,合理设定了盾构机在穿越37#楼房段的施工参数,即推进速度为2～3cm/min,刀盘转速为0.8r/m,螺旋输送机转数控制最大为19r/m,千斤顶推进速度控制在2～4cm/min,土仓压力为0.2±0.02MPa,同步注浆量为5.0～5.5m3/环,同步注浆压力为0.25～0.3MPa。严格按参数施工,减少对地层的扰动,并及时填补建筑空隙,以达到保护楼房的目的。3.2与盾构中央控制室的同步传递采用信息化施工,利用监测结果指导施工,不断优化施工参数,提高推进水平。所谓“三同步”,即监测现场、指挥中心(盾构数据采集系统办公室)与盾构中央控制室数据同步传递。监测现场将最新数据传递到指挥中心,指挥中心根据监测数据对照盾构数据采集系统显示的数据进行施工参数优化,向盾构中央控制室发出操作指令,盾构推进后的效果又反映到监测数据的变化,如此循环做到动态管理。3.3隧道外侧双液注浆加固在盾构穿越过程中及后期固结期间,根据地面沉降及楼房沉降、倾斜情况对穿越楼房的影响范围,在隧道外侧采取双液注浆加固,以严格控制地面房屋沉降,确保建筑物安全。注浆方案拟分3步进行:可硬性浆液同步注浆、可硬性浆液二次壁后注浆(多次进行)、土体加固跟踪注浆(双液浆)。3.3.1注浆压力控制采用盾构机同步注浆系统进行注浆,浆液采用可硬性浆液。为保证浆液能以稳定的压力及时填充空隙,注浆压力控制在0.25～0.3MPa范围内,浆液用量控制在5.0～5.5m3/环。在最初的压力设定时,下部每孔的压力比上部略大0.05～0.1MPa,注浆时的流量应根据推进的速度进行调节。在同步注浆过程中,做到“掘进、注浆同步,不注浆、不掘进”,通过控制同步注浆压力和注浆量双重标准来确定注浆时间,注浆量或注浆压力达到设定值后才停止注浆,否则仍需补浆。3.3.2同步注浆施工控制根据监测数据及实际需求,确定注浆施工环数、每个注浆环施工孔数、每孔注浆量、注浆次数。在盾尾后5～8环处,从隧道上部注浆孔进行双液注浆,在盾尾后10环从隧道下部注浆孔进行注浆,以减少盾尾脱出后土体的沉降,同步注浆施工控制原则为少量多次,每次注浆后以达到稳定测点并略有回升为原则,单次注浆应将其抬升量控制在1.0～2.0mm,如此反复多次,以达到稳定的目的。3.3.3注浆注浆位置与注浆量按实际情况及要求而定。4施工监控数据分析4.1地面沉降监测在盾构隧道穿越地面建筑物段,在37#楼四角设沉降观测点,共布点11个。沿隧道轴线按间距5m设监测点,每30m布置一个监测横断面,穿越楼房区域地面沉降监测点共布设36个。在37#楼进行重点倾斜监测,布设2个倾斜监测断面,每个断面布设2个倾斜监测反射片,一共布设4个倾斜监测点。楼两侧的倾斜监测采用山墙上2个沉降点的差异沉降法来实施。4.2盾构解体转场地面沉降数据分析结果2007年10月15日开始穿越前的施工准备,同年10月30日顺利穿越地面建筑物,2008年2月2日红—靖区间右线顺利贯通,盾构解体转场。通过对37#居民楼进行完整的监测,37#楼最大沉降为4mm,穿越段隧道地面沉降最大5.95mm,山墙倾斜率0.6‰,小于预警值1.6‰。上述的监测数据证明,沉降数据小于模拟分析的最大位移16mm,说明选取的施工参数和采取的技术措施是可行的,保证了地面建筑物的安全。37#楼监测点最终沉降曲线和隧道地表沉降监测曲线见图7、图8。5地铁2号线工程尚属首次此次盾构区间穿越地面建筑物段地层为粉质黏土和粉砂层,地下水丰