地鐵盾構隧道下穿及側穿既有高層建筑物影響研究

張玉華

（中國鐵路設計集團有限公司，天津 300142）

城市地鐵穿越建筑物的情況很多，為了防止災害事件的發生，目前普遍采用盾構法來進行隧道施工，盡管如此，盾構施工對建筑物也會帶來一定影響[1]。本文根據某地鐵盾構下穿及側穿既有高層建筑物的實際工程情況，運用有限元模擬軟件建立三維數值模型[2]，分析盾構下穿和側穿兩種工況對地表沉降的影響。通過該計算分析，給出影響地表沉降的關鍵步序和部位。

1 工程概況

某地鐵盾構下穿及側穿3棟既有高層建筑物，其中2棟11層、1棟15層。其中一棟11層建筑位于擬建盾構隧道正上方，主體為鋼筋混凝土框架結構，基礎為鉆孔灌注樁，樁徑0.65 m，長約27 m。地鐵盾構設計外徑6.2 m，管片厚度350 mm，隧道左右線設計間距12 m。見圖1和圖2。

圖1 隧道與建筑物平面位置

圖2 隧道與建筑物相互位置關系剖面

2 數值計算

2.1 計算模型

采用有限元軟件MIDAS GTS建立模型，以地鐵隧道的軸線方向為X軸，其垂直方向為Y軸，豎直方向為Z軸。為消除模型邊界效應，基坑以外四面再取4倍的開挖深度[3]，X軸方向取320 m，Y軸方向取248 m，Z軸方向取65 m，計算采用8節點六面體單元[4]，共劃分單元44 226個。見圖3和圖4。

圖3 幾何模型

圖4 整體模型

采用修正摩爾-庫倫本構模型[5]。地表為自由邊界，土體四周為法向約束，底面約束其豎向位移[6]。結合工程地質勘查資料，土體及結構力學參數見表1和表2。

表1 結構體設計參數

表2 土體及結構力學參數

2.2 分析步設置

為準確模擬盾構對既有建筑物的影響，采用動態模擬施工過程的計算方法[7]，共設置45個計算步驟，模擬盾構推進的全過程。見表3。

表3 分析步設置

3 計算結果分析

計算結果見圖5-圖7。

圖5 隧道施工完成后土體沉降結果

圖6 隧道施工完成后建筑物沉降結果

圖7 土體及建筑物隨隧道開挖過程最大沉降值

由圖5-圖7可知：土體整體以沉降為主，沉降在左線推進至建筑物正下方時達到最大值，為9.7 mm；既有建筑物變形也以沉降為主且變形規律隨著盾構推進階段及距離盾構隧道的橫向距離而變化[8]。

3號樓和6號樓距離左線較近，故在左線開挖過程中變形較為明顯，在左線推進結束后最大沉降值分別為4.55、3.49 mm；而在右線開挖過程中變形保持穩定，在盾構推進完成后最終沉降值分別為4.59、3.34 mm。3號樓距右線隧道橫向凈距約為3倍洞徑，可以從側面說明，當盾構隧道距離建筑橫向凈距＞3倍洞徑時，幾乎對其無影響。7號樓位于左右線正上方，在左右線推進至7號樓正下方時，變形均出現較大變化，左線推進至7號樓正下方時最大沉降值為3.43 mm，左線推進結束后最大沉降值為6.76 mm，右線推進至7號樓最下方時最大沉降值為7.73 mm，右線推進結束后最終沉降值為8.44 mm。建筑物在盾構穿過其正下方時變形速率最大，在盾構通過后，由于土體固結作用，繼續產生一定沉降。

4 結論與建議

1）盾構法下穿或側穿既有建筑物的施工影響總體可控，但應重點關注建筑物正下方隧道施工時，7號樓變形情況，加強監測并在盾構穿過建筑物之后，繼續監測建筑物變形情況，直至穩定。

2）隧道施工過程中，建筑物整體變形以沉降為主且在開挖至建筑物正下方時變形速率最大。

3）建筑物橫向距離隧道越近，其變形受隧道施工影響越大，建議在條件允許情況下，將盾構隧道與既有建筑物橫向凈距設計為＞3倍洞徑。