盾構隧道下穿國家4A級景區地表沉降影響分析

何明華

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司 北京 102600)

1 引言

我國城市建設發展步伐加快，以暗挖形式下穿既有構筑物的工程逐年增多。解決好隧道下穿既有構筑物的沉降問題，將對市政道路及軌道交通的發展起到巨大推動作用。目前國內地表沉降控制標準最大沉降值一般確定為30 mm，但實際上，不同環境條件下的沉降標準值并不一樣。目前國內有關隧道下穿引起地表沉降的研究方法主要是通過數值模擬與現場監測相結合的方法。如陳星欣[1]等研究了隧道下穿既有結構物引起地表沉降的控制標準；安永林[2]等從地層圍巖穩定、經驗公式和相關規范的角度探討隧道無鄰近結構物段的地表沉降控制標準，并以武廣客運專線瀏陽河隧道為實例進行驗證；張鵬[3]等根據工程實例制定了相應的路面沉降控制標準；王占生[4]等對穿越施工的組織方法進行了討論和總結；李永靖[5-6]等結合具體工程分別對隧道穿越施工進行了有限元分析及安全評價方法研究。由于隧道下穿施工可能引起建筑物基礎不均勻沉降，對地表構筑物產生破壞，因此，施工前對下穿工程的評估及穿越措施的選擇至關重要[7-8]。以蘇州桐涇路北延工程下穿山塘河景區為研究對象，結合數值分析方法，對盾構隧道下穿的安全性進行評價，保障施工安全。

2 工程概況

桐涇路北延工程是聯系蘇州市南北片區的重要通道，其穿越的重要工程和控制節點有滬寧城際鐵路、京滬鐵路、北環快速路、擬建地鐵6號線清塘路站、山塘河、碩房莊河等。項目起點位于西塘河南岸，之后一直向南布線，終點位于桐涇路與西園路交叉路口，全長約2 067 m，主線設計時速60 km。本文以下穿山塘河段為背景，建立模型對地表沉降進行模擬分析。

3 地質情況

據地質調查及鉆孔揭露，擬建場區揭露的巖土層以第四系地層為主，表層土主要為第四系人工堆積層(Qml4)填土，其余均為第四紀河湖相沉積物，主要由黏性土、粉土、砂土組成。蘇州市歷年最高潛水位高程2.63 m，最低潛水位高程為-0.21 m，近3～5年最高潛水位高程為2.50 m。

4 數值模擬分析

4.1 有限元模型的建立

4.1.1 計算范圍

根據新建隧道及地形圖等相關資料，山塘河與新建隧道呈現一定的空間斜交關系，現利用MIDASGTS軟件建立三維有限元數值模型。在三維建模中，以既有隧道縱向為y軸，從小里程指向大里程為正；z軸垂直于巖層，向上為正；x軸與y軸和z軸滿足右手法則。計算區域主要根據新建隧道及山塘河、既有文物等的布置情況，并滿足一定邊界效應的要求來確定。

新建隧道外徑約為13.25 m，考慮到隧道的影響范圍一般為3～5倍洞徑，在左側取50 m，右側取45 m，橫向共選取136.5 m；縱向選取150 m；下限取新建隧道底板以下50 m，上限為地面。

4.1.2 網格劃分

在 用 MIDAS-GTS進行網格劃分時，巖體、既有隧道采用4節點的四面體實體單元。新建隧道與山塘河及既有文物位置關系模型如圖1所示。

圖1 隧道與山塘河及文物相對位置關系模型

整個模型共有單元45 346個，節點52 899個，其中新建隧道單元2 078個，節點4 057個。網格在既有隧道和周圍地層分布較密，向外則逐漸加大。

4.1.3 支護模擬

新建隧道襯砌采用4節點的實體單元模擬，厚度為0.6 m。整個模型共劃分襯砌單元2 078個。

4.1.4 基本參數選取

綜合設計院巖土工程勘察報告，確定在有限元分析中所采用的物理力學參數如表1所示。

表1 主要物理力學參數

建模過程中，模型最終所選土層參數為各土層的平均值。

4.1.5 邊界條件

計算土體的底面約束豎直方向z的自由度，計算土體的側面約束側向x、y方向的自由度，地表為自由面。

4.1.6 荷載

(1)自重:程序根據建立的單元材料容重，自動計算其體積后計算自重，最后分配給各單元節點。

(2)水壓力荷載:水壓力均布荷載為43.8 kN/m，以此施加于模型進行數值分析。

4.1.7 施工步驟

(1)施加約束與水壓力，位移清零，保持新建隧道未開挖狀態。

(2)開挖左線新建隧道并施作襯砌。(3)開挖右線新建隧道并施作襯砌。(4)分析開挖后其對山塘河及既有文物的影響。

4.2 變形及振動控制標準

本工程綜合其他地區已建類似工程的控制數據及文物建筑特性[9]，確定的變形控制標準見表2。

表2 本項目變形控制標準

本工程根據文物的保護級別，確定的振動控制標準[10]見表3。

表3 本項目振動控制標準

4.3 數值計算結果分析

4.3.1 沉降規律分析

在新建隧道的作用下，地層及隧道襯砌豎向變形云圖分別如圖2～圖3所示。圖中的正位移表示上浮，負位移表示沉降。

由三維沉降云圖可知，盾構法施工引起的地層變形具有明顯的三維特征，垂直隧道軸線方向不同位置地層的豎向位移變化很大。新建隧道的施工，使得隧道上部巖體發生了一定的豎向沉降，左線沉降較右線沉降稍大。左線盾構掘進所引起的地面橫向沉降沿左線線路中心線大致成對稱分布，雙線隧道貫通后，最大沉降點由左線隧道正上方移至兩隧道中間地帶，地面最大沉降值增大，這主要是因為右線盾構掘進的影響。

圖2 新建隧道襯砌豎向變形云圖

圖3 地層豎向變形云圖

4.3.2 既有文物變形分析

在新建隧道的作用下，地表、山塘河岸及既有文物豎向變形云圖如圖4所示。

圖4 地表、山塘河岸及文物豎向變形云圖

由計算結果可知，陶貞孝祠和敕建報恩禪寺各建筑由于距離盾構隧道較遠，基本位于主要沉降槽外，陶貞孝祠最大沉降值約為1.26 mm，出現在西北墻角處，沉降值小于10 mm，滿足變形控制標準；敕建報恩禪寺最大沉降為2.6 mm，出現在東南墻角處，沉降值小于10 mm，滿足變形控制標準。

為進一步分析盾構隧道下穿施工對既有文物建筑的影響，以文物建筑的四角為特征點，提取其沉降值進行分析[11]，如表4所示。需要說明的是，由于不均勻沉降主要發生在垂直于盾構隧道方向(即南北方向)，而平行于盾構隧道方向(即東西方向)不均勻沉降基本可以忽略不計，因此不列入表中進行計算。

表4 地表建筑特征點處沉降值及不均勻沉降計算

由以上分析可知，陶貞孝祠和敕建報恩禪寺內各建筑的基礎最大傾斜度為4.15×10-5，小于0.001，滿足規范要求。

4.3.3 山塘河駁岸及河底變形分析

通過上一節的計算結果，可知山塘河底兩側監測點的沉降分別為4.77 mm、3.43 mm、3.67 mm、13.3 mm，均不超過15 mm，滿足山塘河駁岸變形控制標準。為進一步分析盾構隧道下穿施工對地表沉降的影響，在模型范圍內布置了多組監測點[12]，具體位置如圖5所示。

圖5 地表監測點布置

在山塘河的東西兩岸及河底共布置了25個監測點，其中河底10個點、河東岸8個點、河西岸7個點，提取其沉降值進行分析，如表5所示。

由計算結果可知，雙線隧道貫通后，盾構掘進所引起的地面沉降沿線路中心線大致成對稱分布，距離盾構下穿越近，沉降值也越大。最大沉降點出現在山塘河底，最大沉降值為13.3 mm，位于左線盾構隧道正上方，小于15 mm；山塘河駁岸最大沉降為8.85 mm，其余各點隨著距離盾構直線距離的減小而減小，沉降均小于10 mm的沉降控制值。

表5 地表特征點沉降值

5 施工期振動影響分析

5.1 振源分析

根據工程設計文件資料并結合現場調查，盾構隧道在下穿山塘河及周邊房屋施工期間，所受到的工業振動激勵源主要分為以下兩個方面:

(1)修建隧道時盾構機及其他施工器材挖掘土體造成的振動。

(2)地面荷載引起的振動。

5.2 施工振動影響分析

隧道穿越山塘河施工過程中所采用的施工方法為盾構法。隧道建設施工時，施工器材及挖掘土體造成的振動主要體現在盾構施工誘發的振動，該振動的主要激勵源為刀盤掘進與地層相互作用誘發的振動、后配套車設備誘發的振動、電瓶運輸車因軌道不平順誘發的振動。引起地表振動響應強烈程度依次為:刀盤掘進振動、運輸車誘發振動、后配套車誘發振動。經過查閱相關文獻資料以及地質資料，可以初步得出土壓平衡盾構施工引起的振動速度為0.05～0.35 mm/s，經過上覆土層的過濾與衰減，地表振動速度較小，地表振動頻率主要在20 Hz以下。

5.3 施工振動影響評估

隧道盾構距離山塘河底的距離為7.5 m以上。盾構掘進施工過程中及時跟蹤注漿，同時控制盾構姿態，因此在盾構施工過程中產生振動相對較小，噪聲較低。根據其施工工藝、實際距離以及地下土層特性判斷盾構掘進施工過程產生的振動對山塘河的影響甚微。同時，鑒于盾構施工誘發的振動只是在施工期間出現(非長期)，且振動速度不大，其不會引起結構發生破壞。因此，盾構施工時誘發的振動對山塘河及周邊房屋影響很小。

隧道建設施工時采用盾構工法施工，土方運輸車輛經山塘河附近道路行走，由此引起的振動會對附近的石駁岸造成不利影響。但是，考慮到工程車輛行進引起的振動是施工期間出現(非長期)，如振動速度不大，不會引起結構破壞。另外，當選擇輕型車輛時，工程車輛引起的振動影響可大幅下降；如果同時嚴格限制車輛運行速度，控制車輛密度，則可更明顯降低振動影響。因此，采取合理的控制措施，可以有效控制工程車輛行進引起的振動，把振動影響控制在規范允許范圍內。

6 運營期間振動影響分析

需要說明的是，振動規范中提到的汽車振動對古建筑的影響，指的是地面道路運營車輛對其周邊古建筑的影響，不適用于本項目情況。因此，以下分析參考地鐵列車振動影響進行計算，結果偏于保守。

敕建報恩禪寺最近點距離隧道頂部的直線距離r＝14.85 m，隧道底深度為H＝10.26＋13.25＝23.51 m，r＜H，則:

為研究桐涇路北延工程盾構隧道運營期間，車輛荷載振動對既有文物的影響，主要參考《古建筑防工業振動技術規范》(GB/T 50452-2008)進行。該規范是為防止工業振動對古建筑結構產生有害影響由國家住建部頒布的一部國家級規范。規范中不僅明確規定了古建筑的容許振動速度，同時也提供了一套完整的振動分析方法。

依照振動規范附錄B.0.1，距火車、汽車、地鐵、打樁等工業振源中心r處地面的豎向或水平向振動速度，可按下式計算:

根據表5.1.1，r0處地面的振動速度V0＝0.383 mm/s；根據表 5.2.1，地面振動頻率f0＝13.27 Hz；根據表B.0.4，土的能量吸收系數α0＝2.15×10-4s/m；根據表B.0.3-3，與振源半徑有關的幾何衰減系數ξ0＝0.75。

綜合以上計算可得:

采用同樣的計算方法，可得陶貞孝祠最大振動速度Vr＝0.25 mm/s。

敕建報恩禪寺、陶貞孝祠屬于蘇州市控制保護建筑，根據《古建筑防工業振動技術規范》(GB/T 50452-2008)，其容許振動速度最小值為0.45 mm/s。因此，本工程運營期間，車輛振動對既有文物的影響能滿足規范要求。