劉德斌

(北京建工四建工程建設(shè)有限公司，北京 100075)

0 引言

盾構(gòu)施工為城市地下隧道施工的主要手段。隨著盾構(gòu)工作面不斷推進(jìn)，土體應(yīng)力狀態(tài)不斷變化，打破地面原有平衡狀態(tài)，導(dǎo)致隧道周圍土體發(fā)生一定變形[1]。如地面塌陷是由于地表沉降面積過大導(dǎo)致，若不進(jìn)行控制則導(dǎo)致鄰近建筑出現(xiàn)開裂、扭曲等問題。

1969年，Peck[2]結(jié)合工程實測資料及地表沉降觀測數(shù)據(jù)，提出地表沉降沿橫向分布的曲線，隨后有關(guān)學(xué)者相繼提出改進(jìn)經(jīng)驗公式，預(yù)測隧道開挖過程中的地表沉降。但地下巖土物理性質(zhì)非常復(fù)雜，僅通過經(jīng)驗公式進(jìn)行預(yù)測的計算結(jié)果不準(zhǔn)確，隨著計算機(jī)技術(shù)及數(shù)值分析方法發(fā)展，相關(guān)工程人員越來越多地基于有限元數(shù)值分析方法進(jìn)行計算。伍廷亮等[3]基于ABAQUS軟件，分析天津地鐵2號線隧道盾構(gòu)施工過程中，鄰近建筑物及樁基礎(chǔ)變形的影響，結(jié)果表明，隧道盾構(gòu)施工導(dǎo)致地表沉降，引起框架結(jié)構(gòu)及樁基變形，框架整體向隧道盾構(gòu)一側(cè)傾斜。魏綱等[4]采用三維Midas GTS模擬雙圓盾構(gòu)隧道垂直下穿筏基砌體結(jié)構(gòu)建筑物，分析建筑物附加沉降及荷載，結(jié)果表明，隨著雙圓盾構(gòu)機(jī)穿越建筑物，建筑物沉降量逐漸增大，完全通過后建筑物沉降趨于穩(wěn)定并略有回彈，隨著建筑物層數(shù)增加，墻體最大剪應(yīng)變呈線性增長。Mroueh等[5]使用有限元軟件建立三維模型，分析隧道與鄰近建筑物的相互作用，并將模擬結(jié)果比較無建筑物時的隧道施工情形，表明無建筑物時地表沉降較小。房明等[6]采用三維有限元方法,分析交叉隧道盾構(gòu)施工對周圍環(huán)境的相互影響，研究表明，忽略鄰近建筑物的存在將低估交叉隧道盾構(gòu)下穿施工影響。

有關(guān)學(xué)者對盾構(gòu)開挖對鄰近建筑及土體產(chǎn)生的影響展開研究[7-12]，但模型相對簡化，且未對富水軟土地區(qū)盾構(gòu)隧道展開研究。本文以某地鐵盾構(gòu)開挖工程為背景，基于MIDAS GTS軟件建立三維盾構(gòu)隧道開挖有限元模型，對盾構(gòu)施工引起的地表沉降、土體塑性區(qū)與鄰近建筑物的影響、盾構(gòu)管片受力情況進(jìn)行數(shù)值模擬分析，并對比實測數(shù)據(jù)，針對性提出主動和被動控制措施。

1 工程概況

在某地下隧道盾構(gòu)施工中，根據(jù)施工位置及工藝不同，該盾構(gòu)段采用盾構(gòu)機(jī)直徑為6 000mm，管片厚度0.3m，隧道埋深約15m。本工程下穿建筑為某3層商場，為獨立基礎(chǔ)，基礎(chǔ)左側(cè)邊緣距隧道中心僅2m。地層主要為素填土、粉質(zhì)黏土、砂質(zhì)黏土，含水量較高，其中素填土、粉質(zhì)黏土厚度分別為5，6m。

2 有限元模型

2.1 材料參數(shù)

模型地層采用三維實體單元建模，為莫爾-庫侖非線性本構(gòu)模型，在MIDAS GTS中，富水軟土材料通過土體飽和容重考慮，參數(shù)如表1所示。管片材料為C50混凝土，采用三維實體單元建模；盾殼、注漿采用板單元模擬，材料本構(gòu)為彈性本構(gòu)。鄰近建筑物簡化為基礎(chǔ)-梁-柱結(jié)構(gòu)，材料為C35混凝土，采用三維實體單元進(jìn)行模擬，材料參數(shù)如表2所示。

表1 土體材料參數(shù)

表2 結(jié)構(gòu)材料參數(shù)

2.2 有限元模型建立

有限元模型如圖1所示，整體模型取x∶y∶z=100m∶100m∶100m，其中模型節(jié)點數(shù)量為94 294個，單元數(shù)量為98 129個，自由度數(shù)量為288 942個。土體內(nèi)部隧道段包括內(nèi)部開挖土體、管片及注漿，為簡化將其分成10段(見圖2)。除盾構(gòu)施工過程外，荷載僅考慮自重荷載，因此邊界條件為左右兩側(cè)約束x向位移，前后兩側(cè)約束y向位移，底部固定。

圖1 有限元模型

圖2 隧道結(jié)構(gòu)示意

2.3 分析工況設(shè)置

盾構(gòu)掘進(jìn)開挖時，考慮掘進(jìn)壓力(HP)、千斤頂推力(J)分別在盾構(gòu)掘進(jìn)面(y向)上產(chǎn)生作用，盾殼外壓(S)、管片外壓(E)作用在盾構(gòu)管片的法向。開挖過程中按照每20m為1個開挖步，采用MIDAS GTS自帶的靜力-施工階段助手進(jìn)行開挖步驟模擬。開挖時首先添加盾殼單元并移除內(nèi)部土體單元，隨后施加管片材料，最后將盾殼材料修改為注漿材料保留在模型中，即可全方位模擬盾構(gòu)開挖全過程，盾構(gòu)機(jī)在施工過程中對周圍土體的作用如圖3所示。

圖3 盾構(gòu)機(jī)對周圍土體的影響

3 計算結(jié)果分析

3.1 地表沉降分析

本節(jié)選取模型y向50m處的橫斷面，對地表沉降(z向)進(jìn)行分析。為避免邊界效應(yīng)，在有限元隧道斷面模型中取100m，因此僅需截取與實測點對應(yīng)位置的觀測點結(jié)果進(jìn)行對比，如圖4所示。由地表沉降曲線發(fā)現(xiàn)，地表最大沉降發(fā)生在建筑物左端與隧道中心位置間，最大沉降值為4.7mm，表明建筑物的存在對地表沉降有顯著影響。沉降趨勢符合Peck公式預(yù)測結(jié)果，分布形式近似正態(tài)分布曲線。離盾構(gòu)開挖區(qū)域越遠(yuǎn)，地表沉降值越小。將數(shù)值模擬結(jié)果與實測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)結(jié)果趨勢基本一致，模擬結(jié)果基本可靠。

圖4 地表沉降曲線

3.2 土體塑性區(qū)分析

盾構(gòu)隧道開挖過程歸結(jié)為土體卸載問題，土體受到擾動，若強(qiáng)度過低則進(jìn)入塑性階段，產(chǎn)生永久塑性變形。本文選用莫爾-庫侖非線性本構(gòu)模型能考慮土體非線性問題，因此本節(jié)提取土體塑性狀態(tài)及塑性應(yīng)變區(qū)進(jìn)行分析，對產(chǎn)生塑性狀態(tài)的區(qū)域選取合理的加固措施，可有效限制地表沉降過大的問題(見圖5)。

圖5 土體加卸載狀態(tài)

由圖5a可知，土體加卸載位置發(fā)生在上部建筑物底部及隧道開挖段頂部，遠(yuǎn)離隧道開挖區(qū)域的一側(cè)并未出現(xiàn)加卸載現(xiàn)象，說明上部建筑物對隧道開挖產(chǎn)生影響。從不同覆土層來看，土體發(fā)生加卸載部分為素填土，而下部粉質(zhì)黏土、砂質(zhì)黏土未出現(xiàn)加卸載現(xiàn)象，由此可見，土體物理性質(zhì)對地表不均勻沉降的影響很大，因此應(yīng)針對不同工況，合理有效地采取響應(yīng)措施(如換填)，以抵御土體發(fā)生較大塑性變形從而產(chǎn)生不均勻沉降的問題。由圖5b可知，上部建筑物在靠近隧道開挖掘進(jìn)方向的加卸載現(xiàn)象更明顯，并在隧道開挖盡頭同樣產(chǎn)生加卸載現(xiàn)象，因此在隧道開挖過程中，應(yīng)監(jiān)測地表及開挖隧洞頂部并采取加固措施，避免發(fā)生危險。

由土體等效塑性應(yīng)變圖可知，最大塑性應(yīng)變約3.36×10-4，發(fā)生在上部建筑物底部中間位置，與加卸載區(qū)域基本一致；且在上部建筑覆蓋區(qū)域土體發(fā)生塑性變形，與加卸載區(qū)域基本一致。但隧道開挖段未出現(xiàn)塑性變形，因為隧道施工過程中施加管片支護(hù)并注漿，使隧道開挖部分強(qiáng)度增大，避免塑性變形。

3.3 建筑物變形分析

由于盾構(gòu)施工導(dǎo)致地表土體變形，使鄰近建筑物所受支持狀態(tài)發(fā)生變化。經(jīng)研究可得，上部建筑物不僅發(fā)生豎向不均勻沉降，同時還發(fā)生拉伸和壓縮變形破壞，如圖6所示。因此有必要分析上部建筑物變形特征，如圖7所示。

圖6 上部建筑物變形特征

圖7 上部建筑物變形云圖(單位：m)

由圖7可知，基礎(chǔ)在靠近隧道開挖側(cè)產(chǎn)生一定沉降，導(dǎo)致柱底部發(fā)生左側(cè)傾斜，而中部基礎(chǔ)產(chǎn)生向右傾覆的趨勢，導(dǎo)致中柱底部向右位移。從數(shù)值上來看，左側(cè)位移約0.25mm，右側(cè)位移約0.93mm，位移差為1.18mm。因此上部結(jié)構(gòu)可能產(chǎn)生拉伸變形，應(yīng)實時監(jiān)測隧道施工過程，防止建筑物拉伸變形發(fā)生破壞。

3.4 隧道管片內(nèi)部變形及受力分析

隧道開挖不僅會引起地表不均勻沉降，如支護(hù)不及時或支護(hù)方法錯誤，還會導(dǎo)致隧道塌陷從而危及生命財產(chǎn)安全，故對隧道開挖過程中的豎向位移及管片應(yīng)力進(jìn)行分析。

由隧道管片z向位移云圖可知，隧道頂部產(chǎn)生向下的位移，約1.19mm，但在隧道底部產(chǎn)生向上的位移，約13.85mm，因為隧道開挖是土體加卸載過程，移除內(nèi)部土體會使隧道周圍缺乏徑向約束，從而向圓心方向產(chǎn)生位移。因此在隧道施工設(shè)計過程中不僅考慮頂部設(shè)計，還要對隧道底部隆起現(xiàn)象進(jìn)行配筋設(shè)計。由隧道管片Mises應(yīng)力云圖可知，隧道Mises應(yīng)力最大部位發(fā)生在隧道兩側(cè)，約4.99MPa，最小部位在隧道頂部，約1.05MPa，針對隧道變形及受力特性，應(yīng)進(jìn)行合理設(shè)計。

3.5 盾構(gòu)施工對建筑物影響的控制措施

為保證盾構(gòu)施工不影響附近建筑物，需根據(jù)具體工況采取相應(yīng)防護(hù)、控制措施[13]。其中，主動控制措施如下：①適當(dāng)調(diào)整盾構(gòu)設(shè)備千斤頂?shù)耐屏Γ虎诟鶕?jù)現(xiàn)場施工條件對施工過程中的土倉壓力進(jìn)行合理化設(shè)置；③在保證土體被完全切削的狀態(tài)下合理調(diào)整盾構(gòu)設(shè)備推進(jìn)速度；④實時監(jiān)測盾構(gòu)施工過程，并及時調(diào)整土壓力，避免超挖和欠挖；⑤盾尾注漿選用最佳的注漿材料，并確定最佳注漿參數(shù)。被動控制措施為采取合理的加固方法，包括地基加固法、樁基換托法、隔斷墻法及建筑物本體加固法等。

4 結(jié)語

以某盾構(gòu)施工為例，基于MIDAS GTS有限元分析軟件對盾構(gòu)施工引起的地表沉降、土體塑性區(qū)與鄰近建筑物的影響及盾構(gòu)管片受力情況進(jìn)行數(shù)值模擬分析，并對比實測數(shù)據(jù)，針對性提出控制措施，具體總結(jié)如下。

1)地表最大沉降發(fā)生在建筑物左端與隧道中心位置之間，最大沉降為4.7mm，離盾構(gòu)開挖區(qū)域越遠(yuǎn)，地表沉降值越小。將數(shù)值模擬結(jié)果與實測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)結(jié)果變動趨勢基本一致，模擬結(jié)果基本可靠。

2)土體加卸載位置發(fā)生在上部建筑物底部及隧道開挖段頂部，遠(yuǎn)離隧道開挖區(qū)域的一側(cè)并未出現(xiàn)加卸載現(xiàn)象，說明上部建筑物的存在會對隧道開挖產(chǎn)生影響。土體等效塑性應(yīng)變最大值發(fā)生在上部建筑物底部中間位置。

3)基礎(chǔ)在靠近隧道開挖側(cè)產(chǎn)生一定沉降，導(dǎo)致柱底部發(fā)生左側(cè)傾斜，而中部基礎(chǔ)產(chǎn)生向右傾覆的趨勢，導(dǎo)致中柱底部向右位移，因此上部結(jié)構(gòu)可能會產(chǎn)生拉伸變形。

4)隧道頂部向下位移，但在隧道底部產(chǎn)生向上位移。因為隧道開挖是土體加卸載過程，移除內(nèi)部土體會使隧道周圍缺乏徑向約束，從而產(chǎn)生向圓心方向的位移。因此隧道施工設(shè)計過程不僅要考慮頂部設(shè)計，還要對隧道底部隆起進(jìn)行合理配筋設(shè)計。