盾構隧道施工對周邊建筑物影響數值計算分析

吳強 傅了一

【摘要】本文對深厚軟土地基地鐵盾構隧道施工引起地面沉降及鄰近建筑物的變形規律開展了三維有限元模擬研究，通過對不同加固工況的對比研究，分析不同加固措施對盾構施工引起變形的控制效果。結果表明，在不采取加固措施的條件下盾構隧道施工將引起地面的較大沉降變形，同時會是鄰近建筑物的沉降超過規范允許值。通過洞內加固的措施可以較好地控制地基變形及建筑物的沉降，且具有較好的經濟性。

【關鍵詞】盾構隧道施工

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.27.

1、引言

盾構施工過程中，原來處于穩定狀態的地層中，開挖隧道將導致地層周圍土體原始應力狀態發生改變，使周圍土體出現卸載、加載等復雜的力學行為，土體的極限平衡狀態受到破壞，從而對土體產生擾動，引起地層變形。

已有的研究結果表明，盾構法隧道施工時地層移動的規律有明顯的三維空間特征，這類三維空間變形有其形成過程。以隧道軸線上方地表點的時程變形曲線為例，由圖1可將地層移動的行程過程概括為四個階段：前期變形、盾構通過時的變形、盾構脫離后的變形和后續階段的變形，任意點的總變形量為四個階段發生的變形量之和。因此，有必要建立三維模型來分析盾構隧道開挖對建筑物的影響。

擬建杭紹城際鐵路香衙區間風井至衙前站區間隧道需近距離側穿眾多地面建筑物，盾構鄰近施工將對周邊建筑物產生的影響。若控制措施不當，將使建筑產生過大的不均勻沉降，從而對建筑結構安全產生威脅。根據設計成果，以盾構隧道施工對某住宅樓的影響為例進行計算分析，對盾構施工過程中的加固及沉降變形控制措施進行分析研究，為實際施工提供參考。該住宅樓主要以5層磚混結構，根據現場調查推測基礎主要采用沉管灌注樁，圖2是該幢住宅樓與盾構隧道之間的橫斷面的相互位置關系。本次計算分析采用大型巖土有限元分析軟件FLAC3D對雙線盾構隧道小凈距側建筑物進行仿真分析，同時對盾構隧道內、外加固措施進行了模擬。

2、有限元模型

2.1 模型概況

根據盾構隧道與建筑之間的關系以及施工加固措施建立三維分析模型，共67366個單元，如圖3所示，Y方向為隧道軸線方向，Z軸為深度方向，X軸為寬度方向。模型X方向長120 m，Y方向寬100 m，Z方向深40 m。為了提高計算速度，沿橫向距離隧道軸線方向越遠網格越稀疏，同樣沿豎向距離隧道底部越遠網格越稀疏。土體各側面分別設垂直于該側面的水平約束，底面設豎向約束，上表面自由。隧道土層至上而下分別是雜填土、粘質粉土、淤泥質粘土、淤泥質粉質粘土、粉質粘土、粉質粘土夾粉土和全風化凝灰巖，采用Mohr-Coulomb理想彈塑性模型進行模擬。

2.2 計算工況

為了綜合分析不同加固措施下盾構施工對臨近建筑物的影響，本報告對三種不同工況進行了數值模擬分析，分別是：

（1）盾構正常施工，不采取加固措施;

（2）施工前采取洞內加固措施，通過預注漿在隧道周邊形成一圈3m的加固圈;

（3）施工前采取洞外加固措施，通過在建筑物進行袖閥管預加固。

2.3 計算結果分析

不同工況下盾構隧道掘進過程中地面的沉降變形規律如下圖所示，從圖中可以看到，隨著盾構隧道的不斷掘進，地基豎向和水平向的變形逐漸累積增加。不同工況之間的對比結果表明，隨著加固措施的增加，對盾構施工引起的沉降變形的控制效果也更好。不同工況下周邊建筑的最新沉降量和最大差異沉降如表1所示。從圖中可以看到在不采取加固措施條件下盾構隧道掘進過程中會使建筑物產生超過規范允許的沉降變形。

結論：

本文通過三維有限元模擬不同工況下盾構隧道施工對周邊建筑的影響規律，研究結果表明，工況二和工況三的加固措施均能滿足建筑物變形控制要求，考慮實際施工的可行性和減小地表擾動的需要，使用洞內加固措施來對該建筑物進行保護，并在施工過程中應及時對房屋進行監測、檢測，防止事故的發生，以滿足工程建設經濟性和安全性的要求。

參考文獻：

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[2]姜忻良， 崔奕， 趙保建.盾構隧道施工對鄰近建筑物的影響[J].天津大學學報，2008，41（6）：725-730.