地铁盾构隧道近距离侧穿建筑物安全性分析
（济南大学土木建筑学院）
（山东省城市地下工程支护及风险监控工程技术研究中心）
（中铁第四勘察设计院集团有限公司）
0引言
在地铁等地下工程建设中，盾构法施工因其对环境影响小、施工速度快等特点，已成为国内外地铁隧道的主要施工方法之一。但大量的工程实践表明，尽管盾构法施工技术已经发展成熟，但盾构施工仍不可避免地会对周围土体产生扰动，引发不同程度的地层位移和变形，从而引起周边建筑物的不均匀沉降。为有效预防和减小隧道施工对建筑物的不利影响，应对盾构隧道穿越时建筑物的变形和内力进行分析，确保日后施工的安全。
盾构隧道施工影响地面沉降的主要原因可归纳为以下6种:①掘削面土体受挤压土崩塌或盾构机推力过大引起开挖面上压力失衡;②作用于盾构机壳体的外力(千斤顶载荷)变化;③盾构机上体间摩擦引起的上体挤压剪切效应;④盾尾间隙以及在盾构隧道管片衬砌背后的注浆所引起;⑤因盾构机操作引起的过量取土;⑥因地下水位变化引起孔隙水压力变化而导致的长期固结沉降。
目前，针对地下隧道施工对临近建筑物影响的研究方法主要有:解析法、实测法、有限单元法等，其中有限单元法的应用较多。本文采用有限元模拟软件建立三维数值计算模型，分析盾构隧道侧穿建筑物的影响，为日后类似工程的设计和施工起到一定的借鉴作用。
1工程背景
济南市轨道交通Ｒ2线为东西向的市域快线，连接腊山片区、西部新城核心区、老城区、高新区及唐冶新城等重点区域，是缓解东西向交通压力、支撑带状城市空间拓展的1条轨道交通骨干线路。
依据地质资料显示，该区间属山前冲积平原地貌单元，主要地层岩性为山前冲洪积粉质黏土、黏土、卵石等。勘察期间揭露地下水为第四系松散层孔隙潜水及下伏基岩裂隙承压水，局部可能存在上层滞水。
该区间管片采用“标准衬砌环+左右转弯衬砌环组合”拼装形式，管片内径5．8m，外径6．4m，厚度300mm，环宽1200mm，楔形量为48mm。每环管片分6块，块与块之间用12根弯螺栓连接，环与环之间用16根纵向弯螺栓连接，错缝拼装。
根据规划，地铁区间隧道在里程右ZK17+115．203处下穿白鹤集团办公楼裙楼，裙楼地上4层，主楼地上18层，采用CFG桩复合地基，桩长14～15m，桩径0．5m，桩间距1．5m，筏板基础，厚度0．5m。隧道位于?粉质黏土、?全风化闪长岩。隧道拱顶距CFG桩地基处理最近处竖向净距约1．7m。这种近距离的侧穿势必会对该建筑物造成不利影响。区间隧道与该建筑物平面关系如图1所示。
2数值模拟计算及分析
2．1计算假定
根据本工程的实际情况和特点，在三维有限元静力分析时有如下考虑。
1)将岩土层简化为水平层状分布的弹塑性材料，其本构模型采用摩尔-库伦弹塑性模型。
2)假设地面和各土层均呈匀质水平层状分布，初始应力场只考虑自重。
3)计算中不考虑衬砌管片分块之间的横向连接及各管片环之间的纵向连接。
4)模拟分析时对盾构施工进行了一系列的简化，如简化了盾构机的顶进力、刀盘对土体的切削和转动、盾构机的推进对壳体周围土体的扰动、盾尾空隙和回填注浆以及盾尾脱环等。
2．2模型建立及参数选取
根据工程经验和理论分析，选择地层范围为:隧道结构外左右两侧范围取5倍左右洞径。因此，所取土体范围为110m×70m×65m(X×Y×Z)。在此区域模拟岩土层，通过激活和钝化圆形盾构隧道开挖区的土体单元、衬砌单元模拟隧道施工过程及其土体位移。
边界条件:模型前、后、左、右面边界采用水平固定约束，不允许水平方向位移，底面边界为竖向固定约束。上表面为地表，设为自由面。
整个三维有限元计算模型共117730个单元，计算模型如图2、图3所示。
盾构隧道穿越白鹤集团办公楼裙楼的计算模型中，隧道围岩由地表至下依次为①-1杂填土、⑦黏土、⑦-1粉质黏土、⑩-1粉质黏土、⑩-2黏土、粉质黏土和全风化闪长岩。其岩土体物理力学参数如表1所示。
2．3模拟结果及分析
模型计算第1步为地应力平衡，即建立土体的初始应力状态，在该分析步中管片单元的材料参数与相应土体一致。
盾构隧道施工顺序为双线同时开挖完成，盾构左线隧道下穿建筑物，隧道轴线与建筑物为非正交穿越，两者呈一定倾斜角度。
1)盾构隧道土体变形及应力场分析盾构隧道开挖完成后的位移场如图4所示，应力场如图5所示。
由模拟结果可以看出:隧道周围土体在盾构管片施工完成后的竖向位移云图呈漏斗形，最大值出现在隧道仰拱附近，地层最大沉降为5．57mm，影响范围至仰拱底部以下12m左右，约为2倍洞径。
由于隧道开挖引起的地层扰动，盾构隧道纵向所在区域正上方一定范围内土层发生了变形，建筑物也随隧道的开挖发生了竖向和水平位移。当双线盾构隧道贯通时，地表最大沉降为0．97mm，出现 在左线隧道上方，地表沉降曲面大致为“V”形。盾构隧道开挖引起左侧土体向洞外偏移2．76mm;右侧土体向洞外偏移1．39mm。地表水平位移影响范围在
左右线盾构隧道周边围岩10m之内，由于左右线盾构隧道扰动叠加效应，左右线盾构隧道中间土体受扰动较为严重，但在安全风险控制范围之内(＜10mm)。隧道开挖过程中，原有土体应力场破坏，随后又形成新的平衡，开挖过程中，最大主应力为0．76MPa。
2)建筑物变形及应力场分析
图6a为盾构隧道掘进引起的白鹤集团办公楼位移云图。由模拟结果不难看出，白鹤集团办公楼最大竖向位移为1．26mm，最大竖向位移值发生在建筑物左侧，主要是由于盾构隧道在其下部开挖，导致土体卸荷的原因。裙楼与主楼的差异沉降为1．6mm，满足规范的要求。
由此可以得出:隧道开挖对既有建筑物的影响，随着建筑物距隧道轴线距离的增加而减小。隧道施工后，距离较近的建筑物位移明显增加。同时，两线盾构施工引起的沉降叠加效应并不明显。
图6b、图7为分别盾构隧道掘进开挖引起的建筑物竖向应力和最大剪应力云图。
从图6b、图7中可以看出:建筑物主要承受压应力，最大压应力增量值为8．1MPa，满足GB50010《混凝土结构设计规范》对C30混凝土的抗压要求;建筑物最大剪应力增量为5.7MPa，满足C30混凝土的抗剪要求。
通过三维数值有限元分析，双线盾构隧道贯通后，白鹤集团办公楼最大变形值为1．26mm，差异沉降1．6mm，在设计规范相关控制标准之内。
3)管片变形及应力场分析
图8a，8b为盾构隧道掘进开挖引起的管片位移云图。
管片最大竖向位移为－5．57mm，最大位移值发生在隧道仰拱位置上，竖向位移变化大的位置主要集中在隧道仰拱和隧道底部上。最大水平位移为－5．25mm，主要发生在隧道拱腰位置。隧道整体变形呈压扁状，这是由于隧道开挖卸荷后的顶部沉降和底部隆起所引起的。
图8c，8d为盾构隧道掘进开挖引起管片弯矩和最大剪应力云图。
由以上结果可以看出:管片所受最大弯矩为4．0kN·m，最大剪力为8．1MPa，均发生在左线侧穿裙房的位置处，且在盾构掘进方向上，随着距建筑物的距离变大而递减。可见穿越建筑物对管片的内力及变形会产生不利的影响。
3结语
通过有限元软件对济南市轨道交通Ｒ2线盾构近距离侧穿白鹤集团裙楼进行模拟计算，可得出以下结论。
1)隧道开挖对既有建筑物的影响，随着建筑物距隧道轴线距离的增加而减小。隧道施工后，距离较近的建筑物位移明显增加。隧道周围土体在盾构管片施工完成后的竖向位移云图呈漏斗形，最大值出现在隧道仰拱附近，地层最大沉降为5．57mm，裙楼与主楼的差异沉降为1．6mm。盾构隧道最大沉降5．57mm，发生在裙楼正下方的隧道位置。隧道整体变形呈压扁状态，这是由于隧道开挖后的顶部沉降和底部隆起所引起的。
2)通过数值模拟计算得到的建筑物位移、差异沉降以及隧道变形都较小，但在实际施工过程中，由于盾构施工参数动态控制的不稳定及管片拼装等施工辅助手段的不及时，仍可能给施工安全带来不稳定因素。因此，盾构下穿白鹤集团办公楼周边土体仍应采取加固保护措施。
3) 对于盾构区间，实际施工期间受盾构掘进参数、地层参数等因素的影响，施工中，通过加强二次注浆优化盾构掘进参数、加强监测等措施可进一步减小地面沉降。
文章来源：（中国知网）
