盾構(gòu)下穿掘進(jìn)施工對(duì)建筑物影響分析

傅一棟

（中國鐵建十六局集團(tuán)有限公司 北京 100018）

1 前言

在城市化快速發(fā)展的進(jìn)程中，地表交通早已不堪重負(fù)，地鐵成為解決這一問題的主要手段。地鐵建設(shè)難免會(huì)出現(xiàn)區(qū)間下穿既有建（構(gòu)）筑物，地鐵區(qū)間建設(shè)對(duì)前期建設(shè)的建（構(gòu)）筑物難免產(chǎn)生影響［1－2］，甚至影響其安全使用，對(duì)其影響進(jìn)行分析研究非常必要。

1965年P(guān)eck［3］等通過對(duì)大量原位監(jiān)測數(shù)據(jù)分析得出地表沉降曲線與類似于正太分布的函數(shù)曲線，并提出地表沉降橫向分布公式，即“Peck公式”。1980年，日本學(xué)者竹山喬［4］，在原位監(jiān)測基礎(chǔ)上，對(duì)有限元分析結(jié)果進(jìn)行修正，得出估算地表沉降的公式。1982 年 Attewell和 Woodman等［5－7］假設(shè)地層在變形過程中不存在體積變化，并推導(dǎo)出隧道推進(jìn)方向的縱向沉降曲線公式。李進(jìn)軍、孔秋珍［8－10］等采用數(shù)值模擬分析盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)鄰近建筑物的影響［11］。

2 模型建立及計(jì)算參數(shù)

（1）模型概況

選取合肥地鐵1號(hào)線葛望區(qū)間下穿三層框架結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，依據(jù)圣維南計(jì)算原理，模型尺寸X軸方向取左、右隧道軸線向外約5D（D為隧道直徑）距離，為78 m；Y軸方向（隧道軸線延伸方向）取260 m；Z軸方向（豎向）取40 m。拱頂距離地表覆蓋層厚度取12 m，拱底向下土層深度取22 m。開挖隧道直徑D＝6.28 m，管片厚度0.3 m，環(huán)寬度1.5 m，注漿層厚度0.14 m。左隧道中心與右隧道中心間距為18 m。

在模擬過程中，每次開挖掘進(jìn)長度選兩個(gè)管片的寬度3 m設(shè)置為一個(gè)開挖施工步，盾構(gòu)隧道總共進(jìn)行40個(gè)施工步，先掘進(jìn)左線，再掘進(jìn)右線，開挖掘進(jìn)總長度為120 m。

數(shù)值計(jì)算模型網(wǎng)格劃分見圖1，核心土、等代層網(wǎng)格劃分見圖2和圖3。

圖1 有限元三維數(shù)值模型

圖2 核心土網(wǎng)格劃分

圖3 等代層網(wǎng)格劃分

（2）計(jì)算參數(shù)

場地地層共分為5層，自上而下依次為人工雜填土、黏土1、黏土2、黏土3、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖。圍巖服從摩爾－庫倫本構(gòu)模型，主要物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 三維模型土層相關(guān)參數(shù)

盾構(gòu)管片、漿液等代層、盾殼均服從線彈性本構(gòu)關(guān)系，具體參數(shù)見表2。

表2 盾構(gòu)隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)

3 模擬結(jié)果分析

（1）地表沉降分析

在左、右線掘進(jìn)不同距離的情況下，地表沉降與隧道軸線距離的變化曲線見圖4。

圖4 觀測斷面隨盾構(gòu)掘進(jìn)沉降曲線

由圖4可看出，在左、右線隧道掘進(jìn)過程中均存在不同程度的隆起情況。由于上部建筑物荷載影響，左線沉降量較右側(cè)沉降量大；距離建筑物較遠(yuǎn)的地表沉降較小，距離建筑物較近的地表沉降較大；沉降槽范圍在距左線隧道中線16 m范圍內(nèi)；左線掘進(jìn)結(jié)束后，兩隧道之間偏右線地表沉降在右線掘進(jìn)過程中明顯加大。

豎向位移趨勢(shì)相同，量值差別較小。而在盾構(gòu)開挖面前方1倍盾體長度以外，地表和拱頂豎向位移變化趨勢(shì)逐漸分離，拱頂位移變化率明顯大于地表，原因在于在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，開挖面土壓力由盾構(gòu)機(jī)土倉壓力平衡，擠壓效應(yīng)明顯。在掘進(jìn)30 m處，拱頂與地表沉降達(dá)到最大。

（2）建筑物沉降模擬結(jié)果分析

上部建筑物沉降隨盾構(gòu)掘進(jìn)距離的關(guān)系曲線見圖5。可以看出上部建筑物基礎(chǔ)沉降過程由3個(gè)平穩(wěn)段和2個(gè)劇變段組成。隧道左、右線先后通過建筑物時(shí)，其基礎(chǔ)的沉降值都會(huì)有一次比較大的增量發(fā)生，且有明顯的二次沉降，對(duì)比兩條隧道通過后的曲線，左線對(duì)上部建筑物沉降的影響更大。

圖5 上部建筑物沉降隨盾構(gòu)掘進(jìn)距離關(guān)系曲線

4 影響因素分析

（1）隧道與建筑物相對(duì)位置影響分析

上部建筑物與盾構(gòu)隧道的相對(duì)位置關(guān)系見圖6。盾構(gòu)區(qū)間與上部結(jié)構(gòu)的偏心比e0為建筑中心和隧道軸線距離e與建筑物長度一半的比值。

圖6 隧道與建筑物相對(duì)位置關(guān)系（單位：mm）

在e0不同的情況下，盾構(gòu)下穿地表沉降槽曲線見圖7。地表最大沉降量隨e0的增大而降低，并且地表的最大沉降量有向建筑物偏移方向移動(dòng)的趨勢(shì)；在盾構(gòu)隧道開挖掘進(jìn)的范圍處于建筑物基礎(chǔ)下方時(shí)，地表的最大沉降量明顯大于隧道上部沒有建筑物荷載時(shí)的最大沉降量；但是當(dāng)e0＝1.5時(shí)，隧道最大沉降量與上部無建筑物時(shí)基本一致，但沉降槽的寬度有所增大。

圖7 x=0斷面地表沉降與隧道距離關(guān)系

（2）注漿壓力影響分析

選取 0.3 MPa、0.2 MPa、0.4 MPa 三個(gè)不同注漿壓力值進(jìn)行數(shù)值模擬對(duì)比分析。

當(dāng)注漿壓力從0.2 MPa增加至0.3 MPa時(shí)，最大沉降量減少14.5%；注漿壓力從0.3 MPa增加至0.4 MPa時(shí)，沉降量減少13.3%。說明增大注漿壓力有利于控制地表的沉降變形。

（3）掘進(jìn)順序影響分析

不同掘進(jìn)順序下，建筑物下伏隧道先掘進(jìn)對(duì)上部建筑物的影響要小于后掘進(jìn)，約減少沉降18%。

5 原位測試

在垂直隧道軸線方向10 m、40 m、70 m、100 m處設(shè)置4個(gè)監(jiān)測斷面，見圖8。

圖8 沉降測點(diǎn)布置平面

（1）地表沉降監(jiān)測分析

4個(gè)監(jiān)測斷面地表最大沉降基本分布在左、右線之間，略偏向建筑物一側(cè)，最大沉降為8.8 mm。

（2）建筑物沉降監(jiān)測分析

隧道上覆建筑物沉降監(jiān)測結(jié)果見圖9。

圖9 上覆建筑物沉降歷時(shí)曲線

可以看出：在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中建筑物首先呈現(xiàn)小幅隆起，在盾構(gòu)通過后呈現(xiàn)沉降并持續(xù)近一個(gè)月?？拷淼乐行某两抵德源笥谶h(yuǎn)離隧道中心測點(diǎn)的沉降值。后行隧道掘進(jìn)建筑物會(huì)發(fā)生二次沉降，約占總沉降的30%。

（3）模擬與監(jiān)測結(jié)果對(duì)比分析

由圖10可知，數(shù)值模擬值與原位監(jiān)測沉降分布規(guī)律基本一致，原位監(jiān)測結(jié)果略大于數(shù)值模擬結(jié)果，二者誤差率最大為9.6%。

圖10 監(jiān)測斷面沉降量與模擬結(jié)果對(duì)比

6 結(jié)束語

（1）在隧道掘進(jìn)過程中左、右線均存在不同程度的隆起，受上部建筑物荷載的影響，左線沉降量較右線沉降量大；距離建筑物較近的地表沉降遠(yuǎn)大于較遠(yuǎn)地表點(diǎn)沉降；沉降槽范圍分布在距左線隧道中線16 m范圍內(nèi)。

（2）在盾構(gòu)開挖面前方1倍盾體長度以內(nèi)，地表和拱頂豎向位移基本一致，以后變化趨勢(shì)逐漸分離，拱頂位移變化率明顯大于地表，距離開挖面約30 m后沉降值達(dá)到最大。

（3）建筑物沉降經(jīng)歷3個(gè)平穩(wěn)段和2個(gè)劇變段。隧道左、右線先后通過建筑物時(shí)，建筑物沉降值都會(huì)有一次比較大的增量發(fā)生，且有明顯的二次沉降，左線對(duì)上部建筑物沉降的影響更大。

（4）隨e0的增大地表最大沉降量逐漸降低，當(dāng)e0＝1.5時(shí)，隧道最大沉降量與上部無建筑物時(shí)基本一致，但沉降槽的寬度有所增大。

（5）先掘進(jìn)建筑物下伏隧道、增大注漿壓力有利于控制建筑物沉降。