盾构掘进穿越民用建筑的沉降影响研究
（中铁十九局集团轨道交通工程有限公司）
（河南工业大学土木建筑学院）
摘要：盾构法施工不可避免地会对隧道周围岩体产生扰动，引发不同程度的土体变形和地表沉降，对地表结构造成不利影响。因此，以郑州市轨道交通5号线12标段西站街站—建设路站区间隧道工程为背景，利用ABAQUS有限元软件，建立三维盾构开挖模型，在考虑了盾构单元、管片单元、等代层单元、土体单元的协同作用后，分析了现场沉降监测结果和数据模拟结果，发现模拟出的沉降结果曲线与实测结果曲线走势相似。该研究结果可为盾构左线施工提供一定的理论指导。
关键词：地铁；盾构法；数值模拟；建筑物沉降；等代层；隧道围岩
在城市中修建地铁往往使用盾构机开挖，施工过程中则不可避免地遇到盾构从既有建筑结构下部穿越的工程问题。
国内外专家学者对盾构法施工引起地表沉降的研究方法可归纳为：经验公式法、解析法、实测数据回归法、数值模拟法等。其中：姜忻良等以天津地铁1号线扩建工程为背景，用ABAQUS有限元软件分析了盾构法地铁隧道穿越建筑物时建筑物自身沉降与内力变化状况；Jenck等，用FLAC3D软件对盾构隧道和邻近建筑物进行了三维数值模拟；魏新江等用数值模拟的方法做了隧道与建筑物不同距离时对建筑物影响状况的研究；贺美德等以北京地铁施工为背景，采用有限元法对新建隧道施工所引起的邻近高层建筑物的结构沉降、基础倾斜进行了深入研究；魏纲等研究了双圆隧道垂直穿过砌体建筑物的情形，并用MIDAS/GTS做了相应的数值模拟；张飞龙利用ANSYS软件着重研究了邻近建筑物离隧道轴线不同水平距离工况下，盾构施工对地表变形、基础沉降、建筑物受力以及管片受力的影响规律；刘清花结合莞惠城际轨道东江隧道下穿古塘坳互通立交桥工程，分析了该工程的施工难点和存在的主要风险，并制订了合理可行的施工方案；刘浩采用二维有限元计算，对有无地基处理情况下，隧道修建和覆土回填对隧道沉降的影响规律进行了分析。这些研究为笔者的研究提供了一定的工程基础。
因此，笔者采用有限元数值模拟的方法，结合郑州市轨道交通5号线工程，对某修建较早、结构形式为砖混、基础形式较为简单的民用建筑进行盾构穿越影响分析。
1工程概况
郑州市轨道交通5号线工程土建施工12标西—建区间某段隧道下穿宏远馨苑小区。该下穿段起点距始发端247m（165环），终点距始发端417m（278环），实际长170m，共计113环。笔者主要对宏远馨苑1号楼进行模拟分析，盾构机下部穿越段为右线182～208环、左线207～229环。该楼为修建于20世纪90年代初的砖混结构，整体长85m，宽13m，共7层。隧道与楼房的平面关系及监测点分布见图1。
2数值计算模型
盾构左、右线（线间距13m）均在1号楼下部16m左右处下穿，且需考虑到建立房屋的模型，故采用全尺寸模型计算。数值计算模型见图2。
3有限元模拟计算结果分析
3.1地应力场平衡结果
进行初始地应力场平衡分析后，可得到底层初始平衡位移图，见图3。
如果不考虑地表原有建筑物作用，则从图3可以看出，初始地应力场平衡的结果为：位移是10-8数量级，对实际沉降值（10-5m）几乎无影响；Mises应力分量S22最大值为6.64×10-5，与模型中土体底面理论有效应力相近（6.2×10-5），模型符合初始应力场平衡条件。
因此可在此基础上进行后续计算。
3.2沉降结果分析
模型沉降监测点与实际测量时测点相一致，现将7个监测点分别命名为：a，b，c，d，e，f和g（见图4），它们分别对应于施工现场监测点位的JGC-9-1，JGC-9-2，JGC-9-3，JGC-9-4，JGC-9-5，JGC-9-6和JGC-9-7（见图1）。然后对前、中、后3个阶段进行分析。3个阶段的最大沉降云图见图5，沉降折线图见图6。
由图5可以看出，沉降逐渐增大。其中：累计沉降量最大的测点是距盾构最近的a点，其值为-0.002670m；其次是测点g，它距离盾构开挖处较近；虽然测点b也距离盾构较近，但由于有建筑基础的影响作用，所以受到盾构施工的扰动就较小；距离盾构开挖处较远的测点c、d和e受到的影响较小，沉降量小；测点f还出现过施工过程中的隆起现象，这与房屋模型整体受力、荷载作用在土体表面上、部分单元在不均匀沉降情况下受拉变形有关。
3.3与实测沉降结果对比
现场施工扰动土体因素较多，使地面沉降产生的原因也有很多种。由于软件模拟的局限性，不可能把每个施工工序都模拟出来，所以软件的计算结果与现实沉降的结果仍有一定的差别。1）前阶段模拟结果与实测数据对比见图7和表2。
由图7和表2可以看出，在前阶段测点a（JGC-9-1）距离盾构机刀盘最近，两者的沉降数据相差3.09%，可以此为切入点，调整软件参数，使模拟的结果更加贴合实际的测量数据，作为模型分析的依据；f（JGC-9-6）在实测结果中为正值，说明盾构刀盘前部土体受到的压力较大，使地面隆起，但它们都在规范规定的范围内；两者的图像曲线形状走势相同。
2）中阶段模拟结果与与实测结果对比见图8和表3。
3）由图8和表3可以看出，在中阶段，实测结果测点a（JGC-9-1）和b（JGC-9-2）都是急剧增大，相应的软件模拟结果增加得比较平稳；测点c（JGC-9-3）、f（JGC-9-6）和g（JGC-9-7）的结果相差不大，并且差距正在缩小；整体上各个测点的沉降值都在增大。
4）后阶段模拟结果与实测结果对比见图9和表4。由图9和表4可以看出，在后阶段，与中阶段相比实测结果测点a（JGC-9-1）、b（JGC-9-2）和d（JGC-9-4）变化较为平稳；测点c（JGC-9-3）有较大的沉降量；测点c（JGC-9-3）和g（JGC-9-7）的实测结果和模拟结果相差比较小；测点a（JGC-9-1）沉降量最大。
4结语
该工程在盾构机右线下穿1号楼施工中，建筑物的沉降控制较好，只出现过1次险情；建筑物整体上东北边角下沉比西南边角大；建筑物高度较低，没有出现严重倾斜的状态；有限元软件模拟的数据，与实测数据有一定的差别，但两者的曲线图整体走向相似，说明模型比较成功，可在此基础上进行左线开挖的沉降预测。
文章来源：（中国知网）
