葛世平，謝東武，丁文其，楊洪杰

（1.同濟(jì)大學(xué) 地下建筑與工程系，上海200092；2.同濟(jì)大學(xué) 巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200092；3.上海申通地鐵集團(tuán)有限公司，上海201103；4.上海申通軌道交通研究咨詢有限公司，上海201103）

盾構(gòu)施工對(duì)地表沉降的影響很早就引起了人們的關(guān)注，但盾構(gòu)施工對(duì)既有地表建筑的影響限于技術(shù)發(fā)展及認(rèn)識(shí)水平，相關(guān)研究較少.Sigl等［1］結(jié)合新加坡一盾構(gòu)穿越寺廟工程，對(duì)穿越過(guò)程中的相關(guān)建筑沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè).Dimmock等［2］在倫敦Jubilee Line延長(zhǎng)線上的磚石建筑對(duì)隧道施工的持續(xù)反應(yīng)進(jìn)行了研究，認(rèn)為受到房屋建筑的限制，水平應(yīng)變基本可以忽略，且與無(wú)地表建筑時(shí)的位移趨勢(shì)毫無(wú)關(guān)系.Finno等［3］提出一種將建筑物的樓板和承重墻分別考慮的復(fù)合梁法對(duì)地表建筑物進(jìn)行分析.

借助于數(shù)值模擬可以較全面地考慮相關(guān)影響因素，較為準(zhǔn)確地預(yù)計(jì)隧道施工引起的地表移動(dòng)及建筑變形，目前已成為穿越工程研究的主要方向.Mroueh等［4－5］建立完全3維模型，通過(guò)對(duì)比有無(wú)地面建筑開(kāi)挖隧道土體力學(xué)行為，分析采用擴(kuò)大基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)對(duì)隧道施工引起的地面沉降的影響.計(jì)算結(jié)果顯示，結(jié)構(gòu)的存在對(duì)盾構(gòu)隧道附近及結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)附近的塑性區(qū)發(fā)展以及地面沉降曲線有明顯的影響.Houlsby等［6］認(rèn)為2 維模型忽略了隧道推進(jìn)的進(jìn)程，不能模擬建筑的實(shí)際情況，建立3維模型對(duì)有無(wú)地面建筑情況下沉降趨勢(shì)、結(jié)構(gòu)損傷隨隧道推進(jìn)的發(fā)展進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，地表建筑的存在，不僅從沉降量，而且從沉降模式上改變了地表的沉降趨勢(shì).廖少明等［7］采用在單元上施加荷載模擬建筑物，對(duì)盾構(gòu)側(cè)穿危房進(jìn)行了研究，對(duì)盾構(gòu)施工不同土體損失下的建筑物沉降規(guī)律進(jìn)行分析，認(rèn)為盾構(gòu)推進(jìn)方向側(cè)邊建筑的存在增大了盾構(gòu)施工引起的不均勻沉降.

目前在盾構(gòu)穿越既有建筑物施工過(guò)程中地表和建筑物沉降的規(guī)律性認(rèn)識(shí)方面還有較大的分歧，存在著建筑物增大地表沉降和減小地表沉降2 種觀點(diǎn).本文擬通過(guò)建立一系列的3維數(shù)值模型對(duì)盾構(gòu)穿越建筑物過(guò)程中的建筑物和地表測(cè)點(diǎn)的沉降規(guī)律進(jìn)行研究，得到盾構(gòu)穿越既有建筑物過(guò)程中地表及建筑物沉降的一般規(guī)律，進(jìn)而對(duì)實(shí)際工程案例進(jìn)行預(yù)測(cè)，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)驗(yàn)證所提出結(jié)論的合理性.

1 盾構(gòu)穿越既有建筑數(shù)值模擬分析

本文建立數(shù)值模型時(shí)，假定盾構(gòu)施工過(guò)程及隧道周邊土體、隧道埋深等參數(shù)不變，通過(guò)改變建筑物的相關(guān)參數(shù)，研究既有建筑對(duì)盾構(gòu)施工引起的地表沉降趨勢(shì)的改變.

采用專業(yè)巖土工程分析軟件Z－Soil［8］建模計(jì)算.土體本構(gòu)采用摩爾－庫(kù)侖模型.采用八結(jié)點(diǎn)四面體單元模擬土體、盾構(gòu)殼體及建筑物墻體.盾構(gòu)機(jī)頭采用殼單元模擬.盾構(gòu)與土體、盾構(gòu)與管片、管片與土體間采用接觸單元.由于篇幅有限，本文主要對(duì)淺基礎(chǔ)6層以下的砌體建筑進(jìn)行研究.

為了使模擬更有針對(duì)性，結(jié)合軌道交通11號(hào)線下穿越徐家匯觀象臺(tái)工程，建立3維數(shù)值模型.通過(guò)檢測(cè)得到徐家匯觀象臺(tái)房屋底層至3層砌筑磚強(qiáng)度等級(jí)評(píng)定為MU10；底層砌筑砂漿強(qiáng)度推定為6.4 MPa，2層砌筑砂漿強(qiáng)度推定為4.6 MPa，3層砌筑砂漿強(qiáng)度推定為3.9 MPa.結(jié)合《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50003—2001），得到對(duì)應(yīng)的每層砌體結(jié)構(gòu)的彈性模量分別為：第1層砌體2.57GPa，第2層砌體2.04GPa，第3層砌體1.96GPa.盾構(gòu)外徑6.34m，襯砌外徑為6.20 m，管片結(jié)構(gòu)采用35cm 厚度的C55混凝土，各環(huán)寬度為1.2m，管片結(jié)構(gòu)彈性模量為E＝34.5GPa.土層物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1.

1.1 既有建筑與盾構(gòu)推進(jìn)軸線相對(duì)位置不同對(duì)地表變形趨勢(shì)的影響

盾構(gòu)隧道穿越既有建筑有2 種情況：正穿和側(cè)穿.模型中建筑物短邊22m，長(zhǎng)邊60m，無(wú)特殊說(shuō)明情況下建筑物為6層磚砌體結(jié)構(gòu)，高度20m.正穿情況下，建筑物長(zhǎng)邊軸線與兩隧道間中線重合.側(cè)穿共計(jì)算5種情形.其中，情形1為建筑物短邊與兩隧道間中線重合，情形2，3，4，5包括建筑物短邊與兩隧道間中線距離為5，15，25，35m.如圖1所示，對(duì)比地表無(wú)建筑物、正穿和側(cè)穿情況下，盾構(gòu)隧道施工引起的沉降槽曲線，除了正穿時(shí)隧道軸線上方及兩軸線間的地表沉降量有所減小外，側(cè)穿情況下隧道軸線上方及兩軸線間的地表沉降均有所增大.隨著隧道軸線與建筑物的距離不斷增大，建筑物基底曲線逐漸趨于平緩.

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)Tab.1 Parameters of soil

圖1 盾構(gòu)施工正穿、側(cè)穿沉降槽對(duì)比Fig.1 Comparison of settlement trough of shield tunneling undercrossing and sidecrossing the building

1.2 建筑物剛度不同對(duì)地表變形趨勢(shì)的影響

建筑物剛度越大，建筑物下的沉降槽越平緩，但建筑物下的基礎(chǔ)與其周邊基礎(chǔ)的差異沉降將會(huì)增大.如圖2所示，對(duì)比正穿情況下改變建筑物的剛度所形成的沉降槽曲線.隨著建筑物剛度的不斷增大，建筑物下沉降槽曲線逐漸趨于平緩，當(dāng)剛度達(dá)到實(shí)際砌體結(jié)構(gòu)剛度的100倍時(shí)，沉降槽已接近直線.

對(duì)比建筑物剛度與最大沉降值的關(guān)系可以看出，當(dāng)建筑物剛度較小時(shí)，建筑物的存在會(huì)增大盾構(gòu)施工引起的最大沉降，相當(dāng)于在地表直接施加荷載的情況.而隨著建筑物剛度的增大，最大沉降逐漸減小，并小于無(wú)建筑物情況下的地表最大沉降.

圖2 盾構(gòu)穿越剛度不同建筑物的沉降槽對(duì)比Fig.2 Comparison of settlement trough of shield tunneling undercrossing the building with different stiffness

1.3 建筑物自重不同對(duì)地表變形趨勢(shì)的影響

改變建筑物的自重，則要增加建筑物的樓層，從而建筑物的剛度會(huì)增加.因此，建筑物自重的改變是個(gè)多因素共同作用的情況，不能單獨(dú)考慮自重增加.

從圖3可以看出，由于自重增加的同時(shí)建筑物的剛度也增加了，因此沉降槽在建筑物下部趨于平緩，同時(shí)最大沉降量也并沒(méi)有明顯增大.對(duì)應(yīng)于實(shí)際情況，6層砌體建筑所對(duì)應(yīng)的最大沉降量并不一定會(huì)明顯大于3層砌體建筑的沉降量，而會(huì)出現(xiàn)明顯差別的應(yīng)該為建筑物下土層與周邊土層的差異沉降.

圖3 盾構(gòu)穿越自重不同建筑物的沉降槽對(duì)比Fig.3 Comparison of settlement trough of shield tunneling undercrossing the building with different weights

1.4 小結(jié)

盾構(gòu)隧道正穿和側(cè)穿既有地表建筑物情況下，既有建筑與隧道軸線相對(duì)位置不同，沉降槽的形式和沉降量的變化情況有差別.正穿情況下，既有建筑物的存在會(huì)減小地表最大沉降量，但側(cè)穿情況下基本會(huì)增大最大地表沉降量.

正穿情況下建筑物剛度的改變也會(huì)改變沉降槽的形式和最大沉降量.因此，在模擬時(shí)應(yīng)考慮實(shí)際的建筑物剛度，將基礎(chǔ)模擬為完全剛性和完全柔性都是不合適的.

從改變建筑物自重的模擬對(duì)比結(jié)果來(lái)看，對(duì)于高度在6層以內(nèi)的砌體結(jié)構(gòu)來(lái)講，3層砌體建筑與6層砌體建筑引起的沉降最大值差別不大，而建筑物下的沉降槽形式則有明顯的區(qū)別.

2 盾構(gòu)穿越既有保護(hù)建筑的模擬預(yù)測(cè)

2.1 工程概況

徐家匯觀象臺(tái)已有百余年歷史，主體為磚木3層結(jié)構(gòu).由于該建筑建造年代久遠(yuǎn)，使用年限已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)常規(guī)建筑.因此對(duì)該建筑物的保護(hù)要求非常高.

上海軌道交通11號(hào)線從徐家匯觀象臺(tái)北側(cè)下方土體穿過(guò).盾構(gòu)外壁距離地表約26.2m，2條盾構(gòu)軸線相距約9.7m.隧道襯砌環(huán)外直徑6.2m，內(nèi)直徑5.5m，管片環(huán)寬1.2m.盾構(gòu)區(qū)間與徐家匯觀象臺(tái)的平面相對(duì)位置及立面圖見(jiàn)圖4.土體參數(shù)見(jiàn)表1.

施工過(guò)程中為有效控制盾構(gòu)推進(jìn)擾動(dòng)造成的地面沉降，及時(shí)反饋修正施工參數(shù)，建立了監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)隧道軸線上方地表和徐家匯觀象臺(tái)沉降進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，測(cè)點(diǎn)布置如圖4a所示.根據(jù)測(cè)點(diǎn)布設(shè)情況，可基本將觀象臺(tái)及其附近所布設(shè)的測(cè)點(diǎn)歸結(jié)在2個(gè)橫斷面上，第1橫斷面包括測(cè)點(diǎn)315，320，F(xiàn)2，F(xiàn)3，F(xiàn)4，F(xiàn)5，F(xiàn)6，第2 橫斷面包括測(cè)點(diǎn)330，335，F(xiàn)13，F(xiàn)12，F(xiàn)11，F(xiàn)10，F(xiàn)9，F(xiàn)8，F(xiàn)7.其中，F(xiàn) 表示建筑物墻體上的測(cè)點(diǎn)，其余測(cè)點(diǎn)為隧道對(duì)應(yīng)環(huán)號(hào)上方地表測(cè)點(diǎn).這樣劃分對(duì)后續(xù)的計(jì)算分析有幫助.

2.2 數(shù)值模擬預(yù)測(cè)

建立觀象臺(tái)和盾構(gòu)隧道施工全3維數(shù)值模擬模型，模型網(wǎng)格劃分如圖5所示.模型寬209.2 m，長(zhǎng)192 m，隧道軸線至地面20.955m，至底部邊界56.835m.兩隧道軸線間距17.2 m.隧道開(kāi)挖直徑6.34m，盾殼厚度0.07m，管片厚度0.35m.

整理有無(wú)建筑物沉降槽對(duì)比如圖6 所示.建筑物的存在，增大地表最大沉降量，改變了沉降槽的形式.

無(wú)觀象臺(tái)隧道軸線上方地表測(cè)點(diǎn)最大沉降值為21.34 mm，有觀象臺(tái)時(shí)測(cè)點(diǎn)最大沉降值為22.38mm，沉降差1.04 mm；而靠近隧道側(cè)的建筑物地表測(cè)點(diǎn)的沉降值較小，為14.58 mm，與其附近隧道軸線上方測(cè)點(diǎn)沉降差為7.8mm.

3 建筑物沉降的監(jiān)控量測(cè)

軌道交通11號(hào)線在2010年2月和3月份穿越徐家匯觀象臺(tái).對(duì)觀象臺(tái)對(duì)應(yīng)2個(gè)橫斷面測(cè)點(diǎn)的沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，與預(yù)測(cè)值的對(duì)比如圖7和8所示.

圖7 觀象臺(tái)監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降槽（斷面一）Fig.7 Settlement trough of Observatory measured points（Section 1）

圖8 觀象臺(tái)監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降槽（斷面二）Fig.8 Settlement trough of Observatory measured points（Section 2）

從監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)曲線來(lái)看，隨著距離隧道軸線的距離逐漸增大，沉降逐漸減小的規(guī)律較為明顯.由于觀象臺(tái)的存在，使得測(cè)點(diǎn)測(cè)值過(guò)渡較為平順，沉降槽寬度增大，雖然距離隧道軸線已近50 m，但兩沉降槽端部測(cè)點(diǎn)沉降值仍達(dá)到近10mm.與預(yù)測(cè)沉降槽相比，實(shí)測(cè)沉降槽曲線局部出現(xiàn)大的差異沉降，這可能由于建筑物自身歷史悠久，加上長(zhǎng)期發(fā)展的既有變形，在建筑物上產(chǎn)生裂縫（圖9），導(dǎo)致沉降發(fā)展不連續(xù)，而有限元模型并沒(méi)有考慮這一點(diǎn).

圖9 墻體及搭建房屋與主體結(jié)構(gòu)接縫豎向開(kāi)裂Fig.9 Crack of wall and crack between annex with the main structure

觀象臺(tái)位置的測(cè)點(diǎn)沉降最大值小于隧道軸線上方地表測(cè)點(diǎn)沉降值，這與計(jì)算預(yù)測(cè)結(jié)果一致.

4 結(jié)論

通過(guò)建立3維數(shù)值模型對(duì)各種工況下盾構(gòu)穿越既有建筑的地表沉降規(guī)律進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)11號(hào)線下穿越徐家匯觀象臺(tái)進(jìn)行預(yù)測(cè)，與監(jiān)控量測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，主要結(jié)論如下：

（1）既有建筑的存在改變了盾構(gòu)施工引起的地表沉降規(guī)律，建立3維全模型進(jìn)行數(shù)值模擬預(yù)測(cè)是一個(gè)較好的辦法.

（2）既有建筑與隧道軸線的相對(duì)位置、既有建筑的自重、既有建筑的剛度等因素會(huì)改變盾構(gòu)施工引起的地表沉降的規(guī)律；特別是既有建筑物的剛度的影響，已有的對(duì)建筑物剛度的假定，或者不考慮建筑物剛度，或者假定為無(wú)限剛度的方法，都是值得商榷的.

（3）結(jié)合11號(hào)線下穿越徐家匯觀象臺(tái)工程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)盾構(gòu)穿越地表既有建筑情況下的建筑物沉降進(jìn)行預(yù)測(cè)，指導(dǎo)施工進(jìn)行，并與監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析.

由于工程案例有限，本文對(duì)盾構(gòu)穿越既有建筑物施工所作的工程驗(yàn)證僅針對(duì)個(gè)體工程進(jìn)行，系統(tǒng)的工程驗(yàn)證將是進(jìn)一步研究工作的方向.

［1］ Sigl O，Atzl G.Design of bored tunnel Linings for singapore MRT north east line C706［J］.Tunnelling and Underground Space Technology，1999，14：481.

［2］ Dimmock P S，Mair R J.Effect of building stiffness on tunneling－induced ground movement［J］.Tunnelling and Underground Space Technology，2008，23：438.

［3］ Finno R J，Voss F T，Rossow E，et al.Evaluating damage potential in buildings affected by excavations［J］.Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering，2005，131（10）：1199.

［4］ Mroueh H，Shahrour I.A simplified 3D model for tunnel construction using tunnel boring machines［J］.Tunnelling and Underground Space Technology，2008，23：38.

［5］ Mroueh H，Shahrour I.A full 3－D finite element analysis of tunneling－adjacent structures interaction［J］.Computers and Geotechnics，2003，30：245.

［6］ Houlsby G T，Burd H J，Augarde C E.Analysis of tunnelinduced settlement damage to surface structures［C］∥Proceedings of the 12thEuropean Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering.Amsterdam：［s.n.］，1999：147－152.

［7］ Liao S M，Liu J H，Wang R L，et al.Shield tunneling and environment protection in Shanghai soft ground ［J］.Tunnelling and Underground Space Technology，2009，24：454.

［8］ Truty A，Zimmermann T H，Urbanski A，et al.Z＿Soil PC 2009 manual［M］.Lausanne：Elmepress International，2009.