基于盾構隧道側穿時鄰近建筑間的相互作用

志科

(1. 華北科技學院安全工程學院 北京 101601；2.華北科技學院建筑工程學院 北京 101601)

引言

盾構隧道施工是目前國內各大城市地鐵建設中應用最廣泛的一種施工方式，盾構施工具有自動化程度高、節省人力、施工速度快、一次成洞、不受氣候影響影響、開挖時可控制地面沉降、減少對地面建筑物的影響和在水下開挖時不影響水面交通等特點[1]。盾構施工會使周圍土層環境發生變化，可能會引起地面沉降，進而引起鄰近建筑物發生傾斜、開裂甚至坍塌等情況。城市中修建地鐵不可避免要穿越建筑物，因此研究此類盾構隧道穿越問題很有必要。

一、工程背景

本文以天津地鐵1號線東延線側穿師范大學公寓樓工程為工程背景，本區間盾構機為鐵建重工ZTE6410土壓平衡盾構機，盾構隧道直徑徑為6.2m，隧道軸線埋深為21m，盾構機計算長度為14m,盾殼厚度0.05m，襯砌厚度為0.35m，襯砌每環寬度為1m，采用C50混凝土。盾構區間在右側隧道DK31+610～DK31+840側穿天津職業技術師范大學公寓樓，建筑物為3層磚混構：取標準工況，層高3m，橫向(隧道軸線方向)4開間，縱向為2開間，開間間距均為4.3m墻體厚0.3m,建筑外輪廓為17.5m*8.9m。門洞大小為2m*1m，窗洞為1.5m*1m，窗高1m，門窗洞口均位于墻中間位置。預制樓板采用設計強度等級為C20的混凝土，厚為0.1 m，兩棟建筑幾乎一樣，為建模方便簡化為相同建筑物，建筑物間隔為5m。建筑基礎為混凝土條形基礎，C20混凝土，埋深為1.5m，寬0.6m，建筑輪廓為17.8m*9.2m.距離隧道結構外緣最小凈距為2.038m，在0.3-0.7D之間，風險等級為三級。通過有限元軟件MIDAS/GTS，模擬鄰近的兩棟建筑物在盾構隧道側穿時的工況，研究鄰近建筑物之間的相互作用，為以后此類工程提供借鑒意義。

二、模型建立及參數取值

假設土體為單一土層，材料本構選用摩爾庫倫。管片、墻體及基礎為線彈性模型。盾殼和注漿均采用2D板單元，管片、土體、墻體和基礎采用3D實體單元。通過對墻體材料彈性模量進行折減，來考慮磚混結構墻體為非連續介質及其隨時間的損耗的房屋破損[2-3]。模型長80 m，寬40 m，高70 m。模型計算參數見(表1)。

盾構隧道施工的模擬過程:1)不考慮地下水作用，假定土體變形與時間無關; 2)砌體與基礎，基礎與土體采用變形協調計算的方法[4-6]，隧道開挖前地面位移清零，不考慮建造建筑物引起的地面沉降。網格劃分見圖2。

有限元模擬過程：1、模擬生成土體，模型大小為長90 m，寬50 m，高60 m，基本可以覆蓋變形影響范圍，考慮土體自重，位移為零，保留重力場。2、模擬建筑物生成，考慮建筑物自重，通過樓板加集中力實現。3、模型施加位移邊界，掘進壓力采用均布荷載200kn/m、千斤頂推力為4500kn/m、盾殼外壓50kn/m、管片外壓為1000kn/m。4、采用“剛度遷移法”模擬盾構機推進過程，盾構機每次掘進2m，鈍化該開挖地區土體，土應力釋放，激活盾殼單元，在盾殼表面施加盾殼外壓；在盾殼前進第四步時激活第一步處外徑單元，將該單元修改屬性，變為管片，管片處施加反方向千斤頂推力，并在下一步時鈍化該處千斤頂力；開挖至第五步時鈍化第一步的盾殼單元并在此處管片施加管片外壓；開挖至第八步時激活第一步盾殼單元，并將盾殼單元修改單元屬性，變為注漿，依次進行。

表1 材料的物理力學參數

圖2 有限元模型

三、有限元結果分析

(一)位移分析

1.側穿A和B建筑的位移分析

盾構隧道施工時，近似看作隧道平行建筑中軸線側穿建筑物。隧道距離穿越的砌隨著盾構機的掘進，在隧道遠離建筑物之前，盾構機對土體產生擾動作用，建筑物首先產生微小隆起，隨后基礎開始傾斜沉降;當隧道軸線與建筑物平行時，建筑物傾斜沉降逐漸增大，并趨于穩定;開挖到y=60 m時，沉降基本穩定，此時盾構已經遠離建筑物，建筑物沉降最終穩定在 1.5mm 左右。

(二)局部傾斜分析

建筑物傾斜為其基礎沉降差與距離的比值。本次模擬由于盾構隧道軸線與建筑物平行，所以只考慮縱向的基礎沉降。建筑物A在有無B建筑情況下各個位置被盾構隧道側穿的傾斜值如表2，根據規范，砌體結構基礎局部傾斜允許值為0.002。可以得出均符合安全規定。建筑物主體傾斜率為 1.04‰，小于 2‰，滿足《建筑地基基礎設計規范》(GB50007-2011)[7]要求。

表2 建筑物的地基傾斜允許值

四、結論

采用有限元軟件MIDAS/GTS，建立隧道-土-結構的三維模型，細致的分析了在盾構隧道側穿時建筑物之間的相互作用，得出了鄰近建筑物之間的影響規律，結果表明：

(1) 建筑物變形量隨盾構隧道掘進距離變化而不同，基本都是先增大后減小，最后趨于穩定。

(2) 在盾構隧道穿越時，鄰近建筑物之間起到相互減小變形的作用。

【參考文獻】

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[2]劉振宇, 葉燎原, 潘文.等效體積單元( RVE) 在 砌體有限元分析中的應用[J]. 工程力學，2003，20(2) :31-35.

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[10]中國建筑科學研究院主編. 建筑地基基礎設計規范(GB 50007-2011)[S]. 北京. 中國建筑工業出版社, 2012.