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盾构扩挖地铁车站对邻近建筑物影响分析

摘  要:广州地铁六号线东山口站采用盾构扩挖解决了城市地铁盾构在不具备设置接收井的条件下进行施工的难题。结合盾构扩挖法施工，研究了施工中对周围邻近建筑物的影响，采用有限差分软件FLAC3D 对地层与建筑物的相互作用进行三维数值模拟分析。分析结果表明，在扩挖阶段，无论从建筑物的内力变化量上，还是建筑物基础沉降值或沉降差值上都要明显大于盾构阶段，并且建筑物底部结构的变形量大于顶部框架结构，结构底层柱和梁的内力变化趋势不同，应加强重点构筑物的监测，以防基础沉降差过大造成框架结构的破坏。
关键词:盾构扩挖 邻近建筑物 地铁车站 沉降监测

      城市地铁通常要在复杂条件下修建，随着城市地铁线网增加，城市地铁的修建条件将会越来越复杂，有些地段不具备设置地铁盾构的接收井的条件，采用传统盾构扩挖工法可以解决上述难题。
      目前国际上盾构扩挖施工常用的扩挖工法有两种: 扩径盾构法和在盾构隧道基础上采用传统方法扩挖。扩径盾构施工法是在原有盾构隧道上的部分区间进行直径扩展，以满足修建地铁车站和安装其他设备之需要，我国目前应用此种工法的条件还不成熟。我国现阶段采用盾构扩挖法修建地铁车站宜在盾构施工完成后采用传统方法进行扩挖，也就是以盾构法施工先行通过，在已经形成的盾构隧道基础上再采用传统方式即矿山法进行扩挖，这样不仅可大幅缩短盾构的停机等待时间，确保施工期间的安全，也很好地解决了多年来城市地铁盾构在不具备设置接收井的条件下修建地铁车站的难题，又能提高地铁盾构一次掘进效率。

1 盾构扩挖施工法对建筑物的影响分析
      以广州市地铁六号线东山口车站为例，主要采用数值模拟计算的研究方法，对盾构扩挖法修建地铁车站对周围邻近建筑物的影响进行分析。在盾构扩挖左线隧道时，对隧道上方省二轻工业集团综合楼的基础沉降进行监测。
      本模型旨在分析地铁盾构扩挖施工对二轻工业集团综合楼的影响，从而找出对建筑物的影响规律，对楼体安全性进行可靠预测。
      二轻综合楼采用的是灌注桩基础形式，根据资料桩基础平面如图 1 所示。

      模型尺寸 98 m × 50 m × 35 m，单元网格数为89 000 个。在模拟计算中，初期支护采用 Shell 单元模拟，锚杆单元采用 FLAC 中 Cable 单元，桩基采用 Pile单元模拟，桩荷载根据地质勘察资料确定。建筑物为六层框架结构，楼板梁与柱均采用 Beam 单元模拟。土体采用实体单元模拟，土体的本构模型采用摩尔—库伦模型; 衬砌采用实体弹性壳体单元，模拟材料性质为钢筋混凝土。
      根据工程实际要求只对左线隧道进行模拟分析。研究断面在计算时，约束左右边界的水平位移，约束下边界的竖向位移，上边界为自由边界。隧道土体的开挖分为盾构推进部分和扩挖部分，扩挖部分采用台阶法开挖，上下台阶长度 7 m。隧道拱部土方采用人工开挖上半断面，每 0. 7 m 一循环。隧道模型及邻近建筑物立面图如图 2 所示，盾构推进及上下台阶开挖轮廓图如图 3 所示。图 3 中，P1 为上台阶开挖轮廓; P2为下台阶开挖轮廓; P3 为盾构推进区域; P4 为大管棚影响区域; P5 为小导管注浆影响区域。

2 地面建筑物受力和移动特征
2. 1 结构内力分析
      框架结构建筑物的主要受力部分为梁和柱，由于该框架结构的柱和楼板梁的数目较多，内力分析的主要监测部位取处于隧道开挖上部的中间排( B 排) 的顶层与底层( 也即第一层) 柱和楼板梁，根据隧道上方地表框架建筑结构的实际概况，利用 FLAC3D 对其内力进行模拟计算，分析在隧道盾构推进和扩挖两个不同阶段在不同开挖距离的变化趋势，模拟计算出来的轴力数据变化曲线如图 4 ～ 图 7 所示。

      由图 4 ～ 图 7 所示柱内力变化得出以下结论:
      1) 在自重作用下，框架柱受压力。B 侧底层边柱在盾构推进和扩挖两个初始阶段轴力变化为正方向，表现为受拉力作用; B 侧顶层边柱在盾构过站初始阶段表现为少许的正方向受拉作用，之后趋势线趋于平缓。在扩挖初始阶段轴力线向上稍微凸起表现为受拉作用，随着开挖距离的加大，轴力线向下有相对较陡的发展，表现为受压作用，之后随着扩挖距离的进一步加大，轴力线稍有回弹并趋于稳定的平缓状态，说明随着B 侧边柱扩挖距离加大，对该柱的影响也在减小; B 侧底层和顶层的中柱轴力变化趋势分别和边柱的底层和顶层的变化趋势近于相反状态，从而也说明了柱之间轴力的相互分配原则。
      通过整个阶段的轴力变化趋势线可以看出，盾构过站阶段轴力变化比较平缓，而扩挖阶段在距离柱较近处柱轴力变化要相对陡一些，说明盾构阶段对建筑物轴力影响要比扩挖阶段小得多。
      2) 在隧道开挖过程中，结构顶层的柱由于基础沉降所产生的附加内力并不大，说明隧道的开挖对结构底层柱产生附加内力影响，顶层柱较不容易受开挖影响。

      由图 8 可以看出: B 侧底层和顶层楼板梁在盾构过站初始阶段其剪力变化呈上凸状态，剪力表现为随开挖的推进减小，表现为卸载，之后在推进到该楼板梁所在柱下方附近时，该楼板梁的剪力有增大趋势，随着盾构推进逐渐远去，该楼板梁所受剪力稍有回弹呈减小趋势; 在扩挖阶段开始之后底层和顶层的楼板梁的剪力变化曲线下降比较明显，表现为加载，之后随着扩挖逐渐远离该楼板梁所在柱子位置，楼板梁所受剪力变化趋于近似稳定的水平状态。
      由图 9 可以看出，B 侧底层和顶层楼板梁在盾构过站初始阶段其弯矩变化略呈上升趋势，表现为随开挖的推进弯矩增大，呈加载状态; 随着盾构逐渐推进，该楼板梁所受弯矩变化比较稳定，曲线呈近乎水平状态; 从扩挖阶段开始之后到扩挖至该楼板梁所在 B 侧柱子下方周围为止，底层和顶层的楼板梁的弯矩变化较为明显，曲线呈上升趋势，表现为加载状态，之后随着扩挖逐渐远离该楼板梁所在柱子位置，楼板梁所受弯矩变化趋于近似稳定的水平状态。
      从剪力和弯矩曲线图可以看出，盾构阶段楼板梁承受的剪力和弯矩要小于之后的扩挖阶段，底层楼板梁所受剪力和弯矩要远大于顶层楼板梁所受的力。说明扩挖阶段楼板梁所受剪力和弯矩影响要大于盾构阶段，底层楼板梁所受剪力和弯矩影响要大于顶层。
2. 2 基础沉降分析
      隧道开挖必然引起周围地层的移动，一般来说，地表一定量的均匀下沉对建筑物的稳定性和使用条件并不会产生太大的危害，而地层的不均匀沉降可能对建筑物产生较大危害。基础是埋于地层中的结构，因此应首先考虑基础的沉降情况，图 10 ～ 图 12 是框架结构底部每排第一根桩基础随隧道开挖距离的推进，而产生的沉降变化曲线。由图 1 桩基础平面示意图可知，所选的 3 根桩基础分别位于初始开挖侧框架结构底部两端和中部的位置。所选取的这三根桩基础作为典型可以很好地反应框架结构的基础沉降情况。

      由图 10 ～ 图 12 可知，在隧道盾构开挖起始阶段，各基础部分有微量的隆起，在隧道开挖到 1 m 处时，A排 21 号桩基础的隆起值为正方向 0. 025 mm，此后该基础开始向下沉降，其沉降值以等速率稍有增大，当开挖达到 15 m 时，21 号桩的沉降放缓，说明此后开挖对21 号桩基础的沉降影响将变得越来越小。待到盾构过站施作完毕之后，开始对该段区间隧道进行上下台阶法扩挖。由扩挖段的桩基础沉降曲线可知，在盾构基础上对隧道区间进行扩挖，对桩基础的影响速率显然比盾构阶段要大，在扩挖到 20 m 之后，扩挖沉降曲线开始放缓，说明随着开挖逐渐远离该 21 号桩基础，隧道开挖对该基础影响减小。A 排 21 号桩基础盾构阶段沉降值为 － 2. 42 mm，扩挖阶段也即最终沉降值为 －7. 38 mm。
      B 排 11 号桩位于开挖正上方，受其位置影响，隧道开挖对其作用要比左侧 21 号桩要大，在盾构阶段的曲线图差别不大，主要反映在扩挖阶段，可以看出，在扩挖阶段 11 号桩的沉降速率及沉降值都要大于相同开挖距离时的 21 号桩基础，同样，当扩挖至 20 m 之后，11 号桩的沉降曲线开始放缓，说明随着隧道开挖逐渐远离该桩，开挖对其影响减小。B 排 11 号桩基础盾构阶段沉降值为 － 3. 89 mm，扩挖阶段也即最终沉降值为 －11. 94 mm。
      C 排 1 号桩位于开挖初始位置右上方，其沉降变化曲线和 11 号桩基础相似，由于受右隧道施工情况影响，其沉降值比中间排( B 排) 11 号桩要稍有增大。C排 1 号桩基础盾构阶段沉降值为 － 4. 08 mm，扩挖阶段也即最终沉降值为 －12. 22 mm。
      由于各基础抵抗沉降的能力大小不一、沉降的时间不一，因此伴随着隧道开挖的推进，相邻基础间必然会出现沉降差，为了进一步分析基础间的沉降差随隧道开挖的动态变化情况，将差值变化作于图 13 中，由图 13 可知，各相邻基础间的沉降差是动态变化的。在隧道盾构推进和之后的扩挖两个阶段过程中，基础间的沉降差主要体现在桩基础 A21 与基础 B11 之间，其沉降差值趋势线速率为先增大而后减小最后呈平缓状态发展，经过扩挖阶段之后即左隧道扩挖完毕之后桩基础 A21 与 B11 最终沉降差为 4. 6 mm。桩基础 B11与 C1 之间的沉降差值相对较小，经历了先减小后增大最后呈平缓状态发展的过程。因此在隧道穿越建筑物过程中，应加强对 A 排桩基础与 B 排桩基础之间结构的监测，以防沉降差而产生破坏。

3 结论
      本文对广州地铁六号线东山口车站邻近建筑物省二轻工业集团六层综合楼进行综合研究分析，分析表明:
      1) 盾构扩挖法修建地铁车站的施工过程中，不论是对于地表建筑物内力的影响，还是桩基础沉降和差异沉降，扩挖阶段对它们的影响速率都要大于盾构阶段，因此要做好扩挖阶段的监控量测工作。
      2) 隧道邻近地面建筑物施工时，改变了建筑结构各单元的内力，在盾构扩挖过程中，框架结构顶层的柱和梁由于基础沉降所产生的内力变化都要小于结构底层，说明隧道的开挖对结构底层柱产生内力影响，应重点监测，并且框架结构各个部分的柱和梁的内力变化趋势是不一样的，要对变化较大的部位根据其变化趋势制定相应的保护措施，保证隧道上方楼房的安全。
      3) 盾构扩挖隧道完毕之后桩基础 A21 与 B11 最终沉降差为 4. 6 mm，是相对于其他相邻桩基差异沉降最大的，应加强对 A 排桩基础与 B 排桩基础之间结构的重点监测，以防基础沉降差过大造成框架结构的破坏。

参 考 文 献
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