某盾構隧道施工對周邊建筑物影響分析

謝 欣

[上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092]

0 引言

盾構隧道施工會引起周邊地層位移，從而影響周邊建筑物的安全。為此，國內(nèi)外已經(jīng)有許多研究成果。為保證施工過程中周邊建筑物的安全，需要在工程施工前對地表沉降進行預測，從而對建筑物的安全狀態(tài)進行評估。

目前盾構隧道施工沉降主要有三種預測方法，即：經(jīng)驗公式法、理論解析法，以及數(shù)值分析法。經(jīng)驗公式法[1-2]主要以Peck 公式及其修正公式為代表的，假定沉降槽服從正態(tài)分布形式，通過現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)來確定沉降槽曲線的參數(shù)，以此來預測地表沉降量。理論解析方法[3-4]主要是運用彈性應變理論，推導出地面沉降解析解。相較于以上兩種沉降預測方法，數(shù)值仿真技術能夠更加準確地模擬隧道施工的動態(tài)過程，充分考慮結構和地層之間的相互關系[5-6]。近年來計算機技術發(fā)展迅速，使數(shù)值計算方法的運算效率和計算精度都得到顯著提高，逐漸成為隧道工程預測計算最為重要的技術手段。

現(xiàn)采用數(shù)值分析法，模擬三維條件下盾構隧道的施工過程，通過改變等代層彈性模量來模擬隧道施工對地層產(chǎn)生的擾動，分析不同程度地層擾動對地層位移和建筑物產(chǎn)生的影響。在此基礎上，結合該地區(qū)的相關監(jiān)測數(shù)據(jù)，對施工過程中的建筑物進行安全評價分析，為工程提供數(shù)據(jù)支撐和理論指導。

1 工程概況

浙江寧波某地下綜合管廊采用盾構法施工，盾構區(qū)間有一處下穿房屋群的重要施工節(jié)點。盾構隧道埋深10 m，外徑6.7 m，內(nèi)徑6.0 m，采用C55 鋼筋混凝土管片，錯縫拼裝，厚度350 mm，環(huán)寬1.2 m。

根據(jù)現(xiàn)有設計方案，三座建筑物位于擬建隧道上方，分別是：一座單層磚砌門房，位于盾構隧道正上方，長寬為6 m×4 m；一座兩層砌體建筑，與盾構隧道中線平面距離在10 m 左右，長寬為16 m×6 m；以及一座三層建筑物，同樣為砌體結構，與盾構隧道中線平面距離在10 m 左右，長寬為15 m×10 m。

根據(jù)該工程地質(zhì)勘察資料，該盾構隧道所處地層主要以黏土和粉質(zhì)黏土為主，從上到下依次是：①1層雜填土；①2層黏土；②1層淤泥質(zhì)黏土；③2層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土；④2層粉質(zhì)黏土。各地層的層厚及相關地層參數(shù)如表1 所列。

表1 基本地層計算參數(shù)表

2 有限元模型的建立

2.1 有限元分析模型

采用MIDAS GTS 有限元建立盾構隧道施工的三維地層-結構模型，模擬盾構隧道掘進對上部建筑物及周邊地層的影響。模型尺寸為50 m×30 m×30 m（見圖1），能夠減少邊界條件對盾構施工產(chǎn)生的影響。隧道采用實體單元模擬，外徑6.7 m，內(nèi)徑6.0 m，按照環(huán)寬1.2 m 將其分為25 個盾構環(huán)。在隧道襯砌外部，對應于各管片環(huán)的寬度，分別設置0.5 m 厚的圓環(huán)等代層，施工中用以替換所處位置的地層，并通過調(diào)整等代層彈性模量來反映隧道施工擾動產(chǎn)生的地層損失?？紤]到上部建筑結構形式的復雜性，為提高有限元模型的計算效率，將其簡化為厚度0.5 m 的混凝土板，并按照每層10 kPa 的標準在板上施加豎向均布荷載。

圖1 有限元計算模型

2.2 有限元模型材料參數(shù)

2.2.1 地層材料參數(shù)

在有限元計算模型中，地層材料采用彈塑性模型，服從摩爾-庫倫屈服準則。具體的地層參數(shù)及土層厚度根據(jù)項目的地質(zhì)勘察報告選取。地層與隧道之間采用節(jié)點耦合，不考慮兩者之間的相對位移。盾構隧道周邊的等代層采用線性彈性模型，等代層彈性模量作為主要控制參數(shù)分別進行計算。

2.2.2 結構材料參數(shù)

盾構隧道管片材料為C55 鋼筋混凝土，可采用線彈性實體單元進行模擬。由于縱向接縫的存在，盾構管片環(huán)的橫向剛度要小于均質(zhì)圓環(huán)，因此，現(xiàn)對管片彈性模量進行折減[7-8]。地表混凝土板也采用線彈性實體單元，材料參數(shù)按C30 混凝土進行取值。

2.3 盾構施工模擬過程

有限元模擬過程充分考慮盾構施工的基本工況，沿盾構隧道共有25 個管片環(huán)。為了增加計算效率減少施工步驟，將兩個管片環(huán)作為一個工況，共存在13 個施工工況。盾構隧道內(nèi)土體開挖和襯砌施作在一個工況內(nèi)進行，同時在掌子面施加支護應力。等代層的節(jié)點與周邊土體，以及隧道襯砌耦合，其施作工況要落后于開挖土體兩個施工步驟，同時施作等代層時應去除對應區(qū)域的土體，具體的施工步驟如表2 所列。

表2 基本地層計算參數(shù)表

進行四組有限元計算，依次將模型中代層彈性模量設置為4 MPa、3 MPa、2 MPa、1 MPa，通過等代層厚度的變化確定其地層損失率R，以此分析施工擾動對計算結果的影響。

3 計算結果分析

3.1 地表沉降分析

當?shù)却鷮尤?.0 MPa 時，地層損失率R 大約為0.92%，建筑物中線沉降曲線如圖2 所示。斷面有明顯的沉降槽出現(xiàn)，由于地表存在建筑物剛性較大，沉降槽上可以看到明顯的轉(zhuǎn)折點。

圖2 地層位移及地表沉降曲線圖示（R=0.92%）

圖3 表示的是建筑A 中心處地表沉降隨盾構施工掘進的變化過程。可以看出，在盾構機到達前三個工況（機頭相距7.2 m 時），地表開始有明顯的沉降趨勢，隨著施工的進行，沉降逐漸增加，最終呈現(xiàn)出收斂的趨勢。

圖3 地表最大沉降變化曲線圖

3.2 建筑物沉降分析

《建筑地基基礎設計規(guī)范》（GB 50007—2011）表5.3.4 規(guī)定：當砌體承重結構基礎發(fā)生局部傾斜時，其地基變形允許值s/L 為0.002（中、低壓縮性土）以及0.003（高壓縮性土）。《城市軌道交通工程監(jiān)測技術規(guī)范》（GB 50911—2013）第9.3.1：“當無地方工程經(jīng)驗時，對于風險等級較低且無特殊要求的建（構）筑物，沉降控制值宜為10～30 mm，變化速率控制值宜為1～3 mm/d，差異沉降控制值宜為0.001 l～0.002 l”。

圖4 表示的是不同地層損失率R 條件下，建筑群所在斷面的地表沉降曲線。當R≤1.25%建筑A 尚能滿足《城市軌道交通工程監(jiān)測技術規(guī)范》中對于累計沉降量的控制要求（30 mm）。提取出建筑物兩端的沉降值，計算出建筑物的差異沉降s/L，得到所示的變化曲線（見圖5）。可以發(fā)現(xiàn)，建筑B 的差異沉降變化對地層損失率最為敏感，當R=1.35%時，建筑B 的差異沉降s/L 達到《建筑地基基礎設計規(guī)范》給出的限制0.002。《城市軌道交通工程監(jiān)測技術規(guī)范》中對于差異沉降差異沉降控制值宜為0.001 l～0.002 l，對應的地層損失率為0.71%～1.35%。

圖4 不同地層損失率R 下地表沉降曲線圖

圖5 建筑物差異沉降隨地層損失率R 的變化規(guī)律曲線圖

3.3 安全評價分析

在實際工程中，地層損失率R 與地層條件、施工工藝、外部荷載等諸多因素有關[10]。因此，具有一定的不確定性。根據(jù)吳昌勝等[11]對國內(nèi)土壓平衡盾構施工實測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計和分析，土壓平衡盾構引起的地層損失率為0.03%～3.79%，平均值為0.96%。其中，寧波地區(qū)地層損失率在0.03%～2.41%，平均值為0.89%。根據(jù)這一數(shù)據(jù)可以推算出，建筑A、建筑B、建筑C 的最大沉降分別為0.86～57.57 mm、-5.26～30.03 mm、-2.73～26.54 mm，差異沉降分別為0～0.02%、0～0.36%、0～0.17%。若要滿足規(guī)范中對于沉降控制值，以及差異沉降控制值的要求，模型中的地層損失率需要控制在1.35%以內(nèi)。

本文模型中，地層損失率R 和地表最大沉降Smax（mm）之間存在線性關系：

以此可以建立各建筑物最大沉降s、差異沉降s/L與地表最大沉降Smax。通過查閱文獻可以找到寧波地區(qū)地表最大沉降量的相關統(tǒng)計數(shù)據(jù)，以此作為評價該項目安全的參考依據(jù)。

朱邦彥[12]等運用Sentinel-1 影像對寧波地鐵2號線最大沉降量進行了觀測，得到最大沉降量為26.9 mm。王小軍[13]等對寧波1、2 號線澤大區(qū)間和段啟區(qū)間進行了沉降觀測，地表最大沉降量為29.61 mm。由此可見該地區(qū)最大沉降量基本可以控制在30 mm以內(nèi)，可以推算出該模型中所對應的地層損失率R為1.28%，小于本文中的地層損失率控制值1.35%。此時所對應的建筑最大沉降和差異沉降均在規(guī)范要求的范圍內(nèi)，能夠滿足施工安全保護的要求。

4 結語

通過運用三維有限元模型對盾構隧道的施工過程進行模擬，著重研究了隧道掘進過程對周邊建筑物的影響。結合建筑物保護的相關規(guī)范，基于寧波地區(qū)的相關監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計資料，對盾構隧道施工安全性進行了分析評估，得到以下結論：

（1）在建立的三維有限元計算模型中，通過改變等代層彈性模量，能夠反映盾構隧道施工對地層的擾動。通過有限元分析發(fā)現(xiàn)，上部建筑物的差異沉降與地層損失率基本呈線性正相關關系。

（2）結合寧波地區(qū)盾構隧道施工的相關監(jiān)測數(shù)據(jù)資料，運用本文中的三維有限元模型進行推算，建筑物的最大沉降和局部差異沉降均在規(guī)范要求的范圍內(nèi)，能夠滿足施工安全保護的要求。

（3）在盾構隧道施工中，應加強監(jiān)控量測，在掘進至目標區(qū)域前，運用實際監(jiān)測數(shù)據(jù)對建筑物的沉降變形進行進一步的分析推算。同時，應根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)及時調(diào)整施工參數(shù)，防止超挖，合理注漿，嚴格控制隧道掘進的地層損失率。