地鐵盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)地表及建筑物沉降的影響研究
——以深圳地鐵16 號(hào)線為例

梁子杰，劉紅軍，張宇杰

（五邑大學(xué) 土木建筑學(xué)院，廣東 江門 529020）

深圳人口密度大、汽車的保有量高，地上交通已不堪重負(fù)，亟需大力發(fā)展地鐵來緩解城市的交通壓力、帶動(dòng)經(jīng)濟(jì)向更優(yōu)的方向發(fā)展. 盾構(gòu)法具有對(duì)周圍土體擾動(dòng)小、易于控制沉降、施工過程安全等優(yōu)點(diǎn)，是沿海地區(qū)地鐵施工的常用方式[1]. 城市的管廊工程通常埋深小，又緊鄰周邊建筑物，因此需要采用現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法研究地鐵盾構(gòu)掘進(jìn)引起的地表和建筑物沉降問題.

對(duì)于地鐵盾構(gòu)掘進(jìn)引起的地表沉降問題，劉俊生等[2]建立三維數(shù)值分析模型，并將計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，研究了雙線盾構(gòu)穿越引起的地表沉降變形規(guī)律和相互擾動(dòng)機(jī)理. 代君等[3]對(duì)盾構(gòu)隧道施工引起的臨近地表沉降進(jìn)行了數(shù)值分析. 楊修等[4]建立數(shù)值模型模擬分析，并與監(jiān)控量測結(jié)果對(duì)比，研究盾構(gòu)施工引起圍巖擾動(dòng)的變形情況. 婁平等[5]利用數(shù)值模擬軟件建立有限元模型，研究疊線隧道掘進(jìn)過程中橫剖面上土體移動(dòng)規(guī)律以及地表沉降規(guī)律. Lee 等[6]建立了在軟黏土地層中隧道開挖的三維有限元模型，并分析了不同開挖過程所造成的地表位移. Thomas 等[7]對(duì)軟土地區(qū)土壓平衡盾構(gòu)施工進(jìn)行分步開挖數(shù)值模擬，并考慮了土壓平衡、盾尾注漿、管片安裝等對(duì)地表沉降的影響.

對(duì)于地鐵盾構(gòu)掘進(jìn)引起的建筑物沉降問題，荊敏等[8]通過分析大量的地表和建筑物監(jiān)測數(shù)據(jù)，得到了福州軟土地層變形和建筑物沉降的規(guī)律. 關(guān)永平[9]采用有限元軟件建立近接既有建筑物隧道施工的二維模型，研究了不同隧道與建筑物的水平間距、基礎(chǔ)埋深以及土層參數(shù)等關(guān)鍵參數(shù)對(duì)建筑物變形的響應(yīng)規(guī)律. Jenck 等[10]采用數(shù)值計(jì)算軟件模擬了隧道掘進(jìn)工程，研討了建筑物自身剛度對(duì)隧道周圍地表變形產(chǎn)生的作用. 胡佳[11]采用有限元計(jì)算和現(xiàn)場監(jiān)測相結(jié)合的方法，分析了盾構(gòu)施工擾動(dòng)對(duì)建筑物及基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律. 任建喜等[12]以在富水圓礫地層的盾構(gòu)雙線隧道先后通過鄰近建筑物為研究背景，通過現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值計(jì)算方法，對(duì)雙線隧道施工引起地表及既有建筑物變形規(guī)律進(jìn)行研究. Melaki 等[13]對(duì)隧道開挖過程中建筑物、隧道和土層間相互作用進(jìn)行研究，結(jié)果表明，建筑物的剛度、寬度和重量對(duì)土層位移分布影響較大. Liu 等[14]建立三維有限元模型研究盾構(gòu)開挖過程對(duì)地層和建筑物的影響，并與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)比較，以驗(yàn)證模型的正確性.

盡管很多學(xué)者對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)引起的地表沉降和建筑物沉降進(jìn)行了研究，并取得了不錯(cuò)的成果，但是由于地下工程的區(qū)域性，關(guān)于深圳地區(qū)地鐵盾構(gòu)掘進(jìn)引起的地表和建筑物沉降的研究不是很多.深圳地區(qū)地層松軟、施工環(huán)境與條件通常比較復(fù)雜，地鐵盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)附近地表與建筑物的影響仍然是亟待研究的問題. 本文擬以深圳地鐵 16 號(hào)線龍東村站—龍南站區(qū)間為背景，利用有限元軟件MIDAS GTS NX 建立盾構(gòu)掘進(jìn)的三維數(shù)值分析模型，將數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，分析盾構(gòu)掘進(jìn)引起的地表沉降與建筑物沉降.

1 工程背景

1.1 工程概況

深圳市城市軌道交通16 號(hào)線（龍東村站—龍南站）起于龍南站東端，止于龍東村站西端. 其中龍南站為地下雙層島式站臺(tái)車站，龍東村站為帶站后渡線的地下二層島式站臺(tái)車站. 本區(qū)間設(shè)計(jì)起點(diǎn)為龍南站東端結(jié)構(gòu)內(nèi)緣，里程為Y(Z)K22 + 906.621 4；設(shè)計(jì)終點(diǎn)為龍東村站西端結(jié)構(gòu)內(nèi)緣，里程為YK23 +850.163 2(ZK23 +851.367 9)；右線長943.514 8 m，左線長944.746 5 m. 采用盾構(gòu)法進(jìn)行施工.

本區(qū)間上層覆土主要為：＜1 - 4＞雜填土、 ＜5 - 1 - 2＞淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、 ＜6 - 1 - 3＞粉質(zhì)黏土、＜8 - 3 - 3＞粉質(zhì)黏土、 ＜31 - 4 - 12＞微風(fēng)化灰?guī)r.

雜填土 ＜1 -4 ＞：青灰色，稍密，稍濕，含建筑垃圾、生活垃圾、塊石、碎石等，均勻性差，多為欠壓密土，結(jié)構(gòu)松散，具強(qiáng)度較低、壓縮性高、荷重易變形等特點(diǎn)，工程性質(zhì)差.

淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土 ＜5 - 1 - 2＞：灰黑色，流塑至軟塑，土質(zhì)不均，以黏性土為主，含礫石和有機(jī)質(zhì).

粉質(zhì)黏土 ＜6 - 1 - 3＞：灰黃色、灰白色，可塑至硬塑，土質(zhì)不均，以黏性土為主，含砂粒和礫石.

粉質(zhì)黏土 ＜8 - 3 - 3＞：黃褐色、灰褐色，可塑至硬塑，土質(zhì)不均，含水量較高，由砂巖風(fēng)化殘積而成，以黏性土為主，含砂粒和礫石，含大量風(fēng)化碎屑，遇水易軟化.

微風(fēng)化灰?guī)r ＜31 - 4 - 12＞：青灰色、灰白色，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，中厚層狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙發(fā)育，錘擊聲響，巖芯多呈6～25 cm 柱狀及短柱狀，局部呈塊狀.

本區(qū)間的地表水主要為松散巖類孔隙水和裂隙巖溶水. 松散巖類孔隙水主要賦存于填土、卵石中，粉質(zhì)黏土中因含砂粒、局部還含礫石，故也含水，但水量較小. 該層水主要由大氣降水補(bǔ)給，也有側(cè)向徑流及越流補(bǔ)給，以蒸發(fā)、側(cè)向徑流、人工開采方式排泄. 裂隙巖溶水主要賦存于石炭系石磴子組灰?guī)r裂隙和溶洞中，水量豐富，透水性和富水性因裂隙和溶洞的發(fā)育程度、貫通度、地形條件等而變化，因第四系殘積土、沖洪積土層的滲透系數(shù)比基巖小，故裂隙巖溶水表現(xiàn)出一定的承壓性，主要接受側(cè)向徑流及越流補(bǔ)給，以側(cè)向徑流、人工開采方式排泄.

1.2 監(jiān)測點(diǎn)布置

地表主要位置每隔20 m 布置監(jiān)測斷面，每個(gè)監(jiān)測斷面布設(shè)11 個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，在軸線外側(cè)監(jiān)測點(diǎn)間距依次為3 m、5 m、5 m，建筑物在四周布置監(jiān)測點(diǎn)，在盾構(gòu)到達(dá)前1 周開始監(jiān)測，直至盾構(gòu)通過監(jiān)測斷面土體變形逐漸穩(wěn)定，部分監(jiān)測點(diǎn)布置如圖1 所示.

圖1 監(jiān)測點(diǎn)布置圖（單位：m）

2 數(shù)值模擬模型

2.1 基本假定

1）假定所有土層均為彈塑性，且同一土層的土體均為各向同性材料；

2）假設(shè)管片為線彈性材料，且管片之間的連接為剛性連接；

3）假設(shè)模型中的巖土層符合莫爾-庫倫準(zhǔn)則；

4）假定初始地應(yīng)力計(jì)算只考慮土層自重應(yīng)力及地表建筑物的自重作用；

5）為了簡化模型，在模型的計(jì)算中忽略地下水的滲透作用.

2.2 模型的建立

采用 MIDAS GTS NX 軟件建立三維數(shù)值分析模型進(jìn)行模擬計(jì)算，盾構(gòu)隧道內(nèi)徑5.4 m、外徑6.0 m，管片厚度0.3 m，每一環(huán)管片寬度1.5 m，隧道埋深18 m，左右隧道中心線的距離為15 m. 建筑物的尺寸為20 m × 1 0 m × 1 8 m ，建筑物梁采用0.6 m ×0.3 m的矩形截面，建筑物板板厚為0.12 m，建筑物柱采用0.6 m ×0.6 m的矩形截面，建筑物樁長14 m，直徑1 m，梁板柱樁材料為C30 混凝土. 在使用有限元軟件MIDAS GTS NX 建立隧道模型時(shí)，土層模型范圍一般取隧道直徑的3～5 倍（取3 倍寬度時(shí)邊界效應(yīng)對(duì)隧道的影響在10%以下，而5 倍寬度時(shí)影響為3%以下[15]），本文確定模型的尺寸為80m×60m×50m，三維模型示意圖如圖 2 所示. 巖土層材料特性選擇莫爾-庫倫模型，結(jié)構(gòu)材料特性選擇彈性模型. 根據(jù)深圳地鐵16 號(hào)線龍東村站—龍南站區(qū)間地鐵隧道巖土工程勘察報(bào)告可獲取巖土體的基本物理力學(xué)參數(shù)，得到如表1 所示的計(jì)算所需參數(shù). 盾構(gòu)機(jī)盾殼材料為鋼，管片材料為C50 混凝土，隧道材料參數(shù)如表2 所示. 模擬時(shí)為了消除邊界效應(yīng)，模型邊界條件均采用位移邊界條件，上邊界為自由面，側(cè)邊限制水平位移，底邊限制水平和豎向位移.

圖2 三維模型示意圖

表1 巖土物理力學(xué)指標(biāo)

表2 隧道材料參數(shù)

2.3 施工階段的定義

1）初始地應(yīng)力

實(shí)際工程中，盾構(gòu)掘進(jìn)是原狀土體在自重和其他地表恒活載作用下已經(jīng)固結(jié)沉降完成的狀態(tài)下進(jìn)行的. MIDAS GTS NX 軟件在定義施工階段時(shí)設(shè)有位移清零選項(xiàng)，可將當(dāng)前施工階段計(jì)算的位移清零而僅保留土層應(yīng)力，并以此作為后續(xù)施工的初始狀態(tài).

2）開挖過程的模擬

初始地應(yīng)力之后，就可以利用軟件的單元激活與鈍化功能進(jìn)行盾構(gòu)開挖施工模擬，根據(jù)實(shí)際工程中右線先行、左線跟進(jìn)的施工原則逐環(huán)開挖，具體開挖過程如下：

第一步開挖，鈍化第一環(huán)的開挖土及注漿單元，激活相應(yīng)的盾殼單元和管片單元，對(duì)開挖面土體表面施加均布的掘進(jìn)壓力以此模擬盾構(gòu)機(jī)的頂推過程.

第二步開挖，鈍化第二環(huán)的開挖土及注漿單元，激活相應(yīng)的盾殼單元和管片單元，對(duì)開挖面土體表面施加均布的掘進(jìn)壓力以模擬盾構(gòu)機(jī)的頂推過程. 同時(shí)，鈍化第一步開挖的盾殼單元，激活注漿單元及相應(yīng)的注漿壓力，以此模擬第一環(huán)的盾構(gòu)注漿過程.

第三步開挖，同前，進(jìn)行第三環(huán)開挖和第二環(huán)盾尾注漿. 同時(shí)鈍化掉施加于第一環(huán)的注漿壓力，以此模擬注漿壓力消散的過程.

依照以上步驟依次進(jìn)行，從開挖土體到注漿壓力消散為一個(gè)循環(huán). 如此循環(huán)下去直至右線開挖完畢，之后，按照同樣的方式對(duì)左線進(jìn)行開挖模擬.

3 數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)對(duì)比分析

3.1 盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)地表沉降的影響

根據(jù)實(shí)際工程右線先行、左線跟進(jìn)的施工原則，對(duì)以上所建模型進(jìn)行盾構(gòu)開挖模擬，得到如圖3～4 所示的盾構(gòu)開挖豎向位移云圖，地表監(jiān)測點(diǎn)模擬與實(shí)測沉降曲線對(duì)比如圖5 所示. 由圖5 可知，地表橫向沉降曲線分布規(guī)律基本一致，地表最大沉降值出現(xiàn)在右線隧道中心線處，該地層中地鐵盾構(gòu)掘進(jìn)引起地表沉降的模擬結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)基本一致.

圖3 K23+785 斷面豎向位移云圖

圖5 地表橫向監(jiān)測點(diǎn)沉降模擬值與實(shí)測值對(duì)比圖

右線開挖時(shí)地表橫向沉降規(guī)律：1）右線隧道中心線處地表沉降最大，其沿右線隧道中心線向周邊逐漸減小. 2）右線開挖完，K23 +785斷面現(xiàn)場實(shí)測地表最大沉降位于右線隧道中心線處，值為17.285 mm；模擬結(jié)果最大值也位于右線隧道中心線地表處，值為15.531 mm，二者相差1.754 mm. 3）K23 +765斷面現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果與模擬結(jié)果相差為1.614 mm. 現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果和模擬結(jié)果存在一定誤差，原因是施工現(xiàn)場受多種因素影響，地質(zhì)條件和施工情況十分復(fù)雜，模擬時(shí)未考慮所有的因素.

左線開挖時(shí)地表橫向沉降規(guī)律為：1）右線隧道中心線處地表沉降最大，但不再左右對(duì)稱，地表橫向沉降曲線呈現(xiàn)多峰形態(tài)，這是由于左線的開挖使得地表沉降發(fā)生了疊加效應(yīng). 2）左線開挖完，K23 +785斷面現(xiàn)場實(shí)測地表最大沉降位于右線隧道中心線地表處，值為22.747 mm，而模擬結(jié)果地表沉降最大值也位于右線隧道中心線處，值為22.043 mm，二者相差0.704 mm. 3）K23 +765斷面現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果與模擬結(jié)果相差1.074 mm.

圖4 K23+765 斷面豎向位移云圖

3.2 盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)建筑物沉降的影響

掌子面是盾構(gòu)開挖不斷向前推進(jìn)的工作面，盾構(gòu)開挖時(shí)，需要在掌子面前后布置監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測. 建筑物監(jiān)測點(diǎn)模擬與實(shí)測沉降曲線對(duì)比如圖6 所示. 右線開挖時(shí)，建筑物監(jiān)測點(diǎn)JC1-1、JC1-2沉降隨盾構(gòu)掘進(jìn)過程呈現(xiàn)整體下降的趨勢，模擬值與監(jiān)測值接近，這是因?yàn)榻ㄖ锞嚯x盾構(gòu)右線較遠(yuǎn)，盾構(gòu)開挖引起的土體變形對(duì)建筑物影響較小. 左線開挖時(shí)，監(jiān)測點(diǎn) JC1-1 實(shí)測最大沉降值為2.731 mm，模擬最大沉降值為2.429 mm，二者相差0.302 mm；監(jiān)測點(diǎn) JC1-2 實(shí)測最大沉降值為2.689 mm，模擬最大沉降值為2.411 mm，二者相差0.278 mm；模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果基本一致. 建筑物監(jiān)測點(diǎn)JC1-1、JC1-2 沉降隨盾構(gòu)掘進(jìn)過程先下降，當(dāng)左線盾構(gòu)到達(dá)建筑物監(jiān)測點(diǎn)時(shí)，監(jiān)測點(diǎn)逐漸開始隆起，在左線盾構(gòu)通過后，建筑物測點(diǎn)沉降值逐漸趨于穩(wěn)定，造成這一現(xiàn)象的原因是盾構(gòu)掌子面前方的土體受到盾構(gòu)掘進(jìn)壓力的作用，土體發(fā)生擠壓變形，建筑物隆起，在盾構(gòu)掌子面后方的土體，由于盾構(gòu)不斷推進(jìn)，管片與注漿層之間有間隙，土體發(fā)生沉降而引起建筑物沉降.

圖6 建筑物監(jiān)測點(diǎn)縱向沉降模擬值與實(shí)測值對(duì)比圖

4 結(jié)論

本文以深圳地鐵16 號(hào)線龍東村站—龍南站區(qū)間盾構(gòu)掘進(jìn)為背景，通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測相結(jié)合的研究方法，利用有限元分析軟件MIDAS GTS NX 在粉質(zhì)黏土層條件下，對(duì)雙線隧道盾構(gòu)掘進(jìn)引起的地表沉降和建筑物沉降規(guī)律進(jìn)行了深入的研究，主要得出以下結(jié)論：

1）右線先行、左線跟進(jìn)進(jìn)行盾構(gòu)掘進(jìn)，右線開挖完，地表最大沉降值位于右線隧道中心線處，左線開挖完，地表最大沉降值也位于右線隧道中心線處.

2）單線盾構(gòu)掘進(jìn)引起的地表橫向沉降曲線均是單峰形態(tài)，雙線盾構(gòu)掘進(jìn)引起的地表橫向沉降曲線往往會(huì)呈現(xiàn)出雙峰或多峰等形態(tài).

3）右線盾構(gòu)開挖時(shí)，建筑物監(jiān)測點(diǎn)沉降隨盾構(gòu)掘進(jìn)過程呈現(xiàn)整體下降的趨勢；左線盾構(gòu)到達(dá)建筑物監(jiān)測點(diǎn)時(shí)，建筑物監(jiān)測點(diǎn)逐漸開始隆起，在左線盾構(gòu)通過后，建筑物監(jiān)測點(diǎn)沉降值逐漸趨于穩(wěn)定.

4）本文將現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)與有限元模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，探究了盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)地表和建筑物產(chǎn)生變形的過程與原因，二者規(guī)律基本一致. 該研究可對(duì)深圳今后的地鐵建設(shè)提供指導(dǎo)意義，并且對(duì)類似于深圳土質(zhì)的其他城市地鐵建設(shè)具有參考價(jià)值.

5）現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)與有限元模擬結(jié)果之間存在一定的誤差，主要是由于施工現(xiàn)場地質(zhì)條件和實(shí)際工況十分復(fù)雜，模擬時(shí)未能將所有因素考慮在內(nèi). 應(yīng)在本文基礎(chǔ)上進(jìn)一步考慮掘進(jìn)壓力、注漿壓力、管片剛度等因素對(duì)地表和建筑物變形的影響，使研究更加全面深入.