盾構下穿高層結構相互影響及方案優化研究

郭亮

摘 要：針對成都地鐵盾構隧道下穿高層建筑的實際工程案例，通過三維數值模擬結果及現場實測數據對比分析表明，高層建筑物及盾構隧道應力與變形均在規范允許范圍內。模擬盾構隧道與高層建筑 6 種不同豎向凈距下穿的工況，結果表明：隨著隧道與筏板基礎距離減小，高層建筑沉降及傾斜呈現先增大后減小的趨勢，且均遠小于規范允許值。同時提取數值模擬得到的管片內力及變形數據，與荷載-結構法計算的管片內力及變形數據進行對比分析，表明隨著隧道與筏板基礎距離減小，盾構隧道彎矩、計算裂縫寬度及隧道變形呈先增大后略微減小的趨勢，且均滿足規范要求，管片結構安全。

關鍵詞：地鐵;盾構隧道;數值計算;高層建筑;管片內力及變形

中圖分類號：U231+.3

1 研究背景

隨著中心城區地鐵線網加密，區間隧道下穿高層建筑物的情況不可避免。盾構下穿高層建筑風險主要在于 2 方面：①盾構掘進開挖土體造成建筑物地基松散，引起高層建筑沉降及整體傾斜過大，影響建筑物正常使用，甚至危及樓房安全;②高層建筑物施加在地基上的超載較大，將顯著增加地基中的附加應力，超載引起的附加應力傳遞至盾構管片上將增加管片的內力，若超載過大，可能導致管片開裂，影響隧道長期運營安全。已有文獻多從隧道側穿高層建筑或下穿多層建筑施工過程中對建筑物基礎及上部結構的影響角度開展相關研究[1-5]，對于盾構隧道下穿對結構高度100 m左右的高層建筑的影響及高層建筑超載對盾構隧道影響的相關探索較少。文章針對成都地鐵盾構隧道穿越高層建筑物筏板基礎的情況，采用數值模擬及現場實測對比分析的方法，研究盾構下穿時高層建筑的變形、盾構管片的內力及變形情況。模擬盾構隧道在不同埋深位置下穿高層建筑的多種計算工況，探索高層建筑變形、地鐵盾構隧道結構的承載力及變形等方面的規律，以期對類似地層中盾構隧道穿越高層的可行性、穿越位置及埋深提供參考和借鑒。

2 工程概況及地質概況

2.1 工程概況

成都地鐵大源—民樂區間左線隧道下穿、右線隧道側穿某高層建筑，該高層建筑為地上20層地下2層鋼筋混凝土框架結構，高度96.6 m，辦公用途，筏板基礎，筏板厚度2.5 m，基礎底面埋深約8.7 m。盾構隧道外徑6 m，內徑5.4 m，隧道埋深約17.9 m，左線隧道與建筑物筏板基礎底垂直距離約9.2 m，盾構隧道與高層建筑平面關系如圖1所示。

2.2 地質概況

該場地范圍地勢較平坦，地貌單元為岷江水系二級階地。場地范圍內地層自上而下依次為第四系全新統人工填土（Q4ml）、第四系上更新統粉質黏土及砂卵石（Q3al+pl）、白堊系上統風化泥巖（K2g）。盾構隧道位于中風化泥巖地層中，建筑物筏板基礎坐落于砂卵石層中。盾構隧道與建筑物及地層剖面關系如圖2所示。盾構隧道下穿建筑物處地下水位埋深約10 m，屬于孔隙潛水。

3 盾構下穿高層建筑結構受力及變形規律分析

3.1 模型建立

采用 MIDAS GTS程序對該工程進行數值模擬，本模型采用位移邊界條件，其中底部為固定邊界，限制模型水平和豎直方向的位移;模型周邊限制水平方向的位移;模型上部取至地表，為自由邊界。模擬區域沿隧道橫向取109.7 m，沿隧道縱向取150 m，深度取至地面以下44.4 m。高層建筑基礎為筏板基礎，采用實體單元進行模擬，建模過程中對該基礎賦予鋼筋混凝土結構的物理力學參數。根據盾構施工對隧道周圍土層影響大小的不同，對模型中各地層網格劃分為疏密程度不同的結構單元。三維計算模型如圖 3所示。

土體假定為彈塑性材料，選擇修正摩爾-庫倫模型作為土體本構模型。由于土體破壞大多以剪切破壞為主，修正摩爾-庫倫屈服準則模型能夠準確反映土體的破壞形式，而且簡單實用，在工程實踐中已得到廣泛應用。管片、高層建筑基礎及上部結構等構件均假定為彈性材料。

根據地質勘查報告及相關規范，數值模擬計算所需的材料物理力學參數如表1所示。三維數值分析中，涉及一些關鍵技術如下。

（1）地層、筏板基礎及隧道采用實體單元模擬，盾構管片、地下室側墻及建筑物框架采用結構單元模擬，其中盾構管片與地下室側墻及上部結構板墻采用二維殼單元模擬，建筑物框架結構柱采用一維梁單元模擬。

（2）盾構法隧道施工中，在隧道開挖階段與支護階段分別定義應力釋放系數，盾構隧道開挖前高層建筑物全部施做完成，并以此作為隧道開挖分析的初始階段，根據相同地層的工程經驗，應力釋放系數取 0.3。

（3）土體開挖采用殺死單元格的方式進行模擬，土體開挖后進行應力釋放，同時在掘削面施加頂進壓力，根據現場情況，計算中采取盾構機推力為地層側壓力，取0.28 MPa。

（4）模型不考慮地下水的影響。

3.2 高層筏板基礎變形計算與實測結果對比分析

現場在隧道穿越范圍內的建筑物地下室內布置了6 個沉降監測點（S1～S6），測點布置示意如圖4所示。

根據計算結果，表2列出了建筑物沉降監測點位移及整體傾斜值，并與現場實測結果進行對比。

根據GB 50007-2011《建筑地基基礎設計規范》[6]，考慮建筑物建設及使用過程中已發生的變形及傾斜，建議高層建筑物整體傾斜控制值取1.5‰。圖5、圖6分別為建筑物沉降及整體傾斜歷時曲線，下穿過程中最大沉降速率約為0.25 mm/天，可以看出盾構下穿高層建筑引起的基礎沉降、沉降速率及整體傾斜均較小，滿足規范要求。結合現場實測數據，可以看出數值模擬結果與現場實測數據基本吻合，數值模擬可以反映實際施工情況。

3.3 盾構管片受力及變形規律分析

盾構完成穿越后，隧道管片大主應力最大值及小主應力最小值沿隧道縱向變化曲線如圖7所示，拱頂沉降及拱底隆起最大值沿隧道縱向變化曲線如圖8所示。

參考文獻

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收稿日期 2019-12-26

責任編輯 胡姬