盾構下穿淺基礎建筑的沉降規(guī)律分析

梁超強，葛忻聲，趙 娟，甄 正，張 軍

(1.太原理工大學 土木工程學院，太原 030024；2.太原學院，太原 030032；3.山西交通科學研究院，太原 030006)

地鐵以其受地面交通影響小、運行速度快、占用地上空間少等優(yōu)點，成為理想的交通方式。地鐵選址一般都選擇在一個城市的繁華地段或者人口密集的居民區(qū)，地鐵建設常用的施工手段是盾構機開挖隧道，盾構機在穿越周圍建筑物時必然會導致鄰近土體變形，變形傳遞到地基，影響建筑物地基的穩(wěn)定性，很容易造成建筑的開裂、傾斜、倒塌。因此為了保護建筑物，需要研究隧道開挖對鄰近建筑物的影響[1]。

目前，國內外學者對于隧道開挖對周圍土體以及鄰近建筑的影響已經有了很深入的研究。魏綱等[2]提出了正面附加推力、盾殼與土體摩擦、土體損失三者相結合的縱向沉降曲線的計算方法；張海波等[3]提出了地鐵隧道盾構法施工過程中地層變位的三維有限元模擬方法；朱逢斌[4]通過數(shù)值模擬研究了盾構隧道鄰近建筑物施工引起的地面變形；CAMS[5]通過實例分析研究了盾構誘發(fā)沉降對鄰近建筑物的損傷；GIORGIA et al[6]通過實驗研究了砌體結構外墻受盾構沉降的影響；韓煊等[7]通過理論與實際工程結合研究了地鐵施工引起的建筑物扭曲變形；劉秋常等[8]研究了隔離樁、注漿、加橫撐三種加固措施對臨近高架橋樁基的影響；錢莊等[9]通過實例分析研究了砂土覆蓋型巖溶地層盾構隧道施工地面注漿加固的效果；楊歡歡等[10]采用神經網絡分析不同施工參數(shù)對地表沉降的影響。但在盾構下穿建筑物的研究中，建筑物被認為是一個簡單的均布荷載，忽略了建筑物本身的剛度，針對建筑物具體沉降規(guī)律的研究較少。

本文以太原地鐵2號線汾河漫灘為例，通過現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值模擬系統(tǒng)地分析了建筑物在盾構側穿過程中的沉降規(guī)律，以及建筑物剛度變化對建筑物沉降規(guī)律的影響。

1 工程實例分析驗證

1.1 工程概況

實測盾構區(qū)間位于太原地鐵二號線汾河漫灘，為雙線雙洞設計，區(qū)間隧道采用盾構法施工。該區(qū)間隧道左、右線近似為直線，其間距為14.2 m，在某家屬樓范圍內隧道拱頂埋深13 m.區(qū)間左線總長1 098.933 m，區(qū)間右線長度為1 171.880 m.圓形隧道內徑5.5 m，外徑為6.2 m，管片厚度0.35 m，寬度為1.2 m，每一環(huán)由6塊管片用螺栓錯縫拼接而成。同步注漿層厚度為0.2 m.

建筑物與盾構隧道的相對平面位置見圖1，建筑物東側距盾構隧道左線僅有0.57 m，建筑物地基距離隧道頂9.5 m，建筑物為地下一層、地上五層的磚混結構。房屋總高度為16 m，平面尺寸為40.50 m×9.6 m，墻體采用燒結普通磚和混合砂漿砌筑，外墻厚度為360 mm，內墻厚度為240 mm.基礎為墻下條形基礎，基礎埋深為3.5 m.工程地質情況見表1，建筑物監(jiān)測點布置，如圖1(a)所示，在建筑物東側(距離盾構隧道較近的一側)每隔4.5 m布置一個監(jiān)測點，在建筑物西側(距離盾構隧道較遠一側)只在前、中、后部布置三個點，在建筑物前部(盾構先到達建筑物一端)每隔3.2 m布置一個點，建筑物后部隔4.8 m布置一個點。監(jiān)測數(shù)據(jù)見表2.

圖1 區(qū)間隧道平面位置示意圖

1.2 數(shù)值分析模型

1.2.1模型范圍及邊界條件

本文采用有限差分軟件FLAC3D進行計算，幾何模型如圖2所示。隧道內徑5.5 m，外徑6.2 m，埋深約為13 m.由小孔擴張理論可知隧道開挖對周圍地層影響范圍約為3～5倍的隧道直徑[11]，擬建土體模型為80 m×80 m×35 m(長×寬×高)，建筑模型為9.6 m×40 m×13 m(長×寬×高)。對建筑進行了適當簡化，條形基礎及內部結構如圖2，模型上表面為自由邊界，其余邊界為法向約束。

圖2 數(shù)值分析模型

1.2.2模型參數(shù)

根據(jù)該建筑物下部的勘察報告，模型范圍內包含7種不同的土質，土層、建筑物的計算參數(shù)如表1所示。Mohr-Coulomb模型是對巖土力學行為的一種 “ 一階 ” 近似 , 其輸入參數(shù)較少且相對容易獲得，簡單、實用、計算較快，故土體采用Mohr-Coulomb模型，建筑物結構采用線彈性模型[12]。管片采用Shell結構單元，厚度為350 mm，重度為25.4 kN/m3，考慮到管片的螺栓連接，故對其剛度進行折減，所以C50混凝土管片剛度采用2.9 GPa[13].

表1 計算材料參數(shù)

1.2.3隧道動態(tài)開挖模擬

根據(jù)盾構實際開挖過程進行軟件模擬：1) 在考慮鄰近淺基礎建筑物的前提下，對模型進行初始地應力平衡以消除由土體自重和建筑物重力造成的變形；2) 開挖一環(huán)(環(huán)寬1.2 m)后，施加掌子面推力0.35 MPa；3) 采用Shell單元添加0.35 m厚的管片并施加環(huán)向壓力以模仿注漿壓力，調整二次襯砌的結構參數(shù)；4) 進行計算；5) 計算結束后開挖第二環(huán)，如此循環(huán)以模擬盾構開挖的實際情況。

1.3 結果驗證

表2中數(shù)值模擬與實測建筑物沉降值的最大偏差百分比為12.59%，最小偏差百分比為0.73%，且模擬值全部大于實測數(shù)值，模擬結果偏保守。因此該數(shù)值模型的參數(shù)選取較合理，能夠用于汾河漫灘地層盾構下穿建筑物施工的研究。

2 盾構引起建筑物沉降分析

2.1 盾構隧道引起建筑物沉降的理論分析

在盾構鄰近建筑物施工時，隧道、土體、建筑物三者同時作用，如圖3所示，形成新的平衡狀態(tài)。在施工過程中，每一環(huán)的開挖都會使隧道周圍土體的力學狀態(tài)改變，土的性狀發(fā)生改變從而帶動地層發(fā)生沉降或者隆起，如圖4地層豎向變形使地基-土接觸面上發(fā)生相對位移[14]；又由于建筑物的剛度大于周圍土體，抵抗變形能力強，而建筑物地基與地面變形協(xié)調一致，因此建筑物的存在限制了建筑物土體變形的發(fā)展；土體作為傳遞應力和位移的介質，受到隧道和地基影響，同時反作用于兩者，不斷形成三者新的平衡狀態(tài)。

圖3 隧道-土體-建筑相互作用關系

圖4 盾構隧道施工土體位移示意圖

2.2 盾構下穿建筑物沉降曲線分析

2.2.1橫向沉降曲線分析

在保持其他條件不變的前提下，建立無建筑物盾構模型，得到無建筑時的沉降曲線，由圖 5知，建筑物的存在對于最終的沉降曲線的影響較小。

圖5 盾構引起橫向沉降曲線

2.2.2縱向沉降曲線

縱向沉降曲線反映的是沉降的過程，但是對于盾構穿越建筑這一工況只研究縱向沉降曲線是不夠的，本文通過對比建筑前部(1號點)、建筑中部(5號點)、建筑物后部(10號點)三處在有無建筑物兩個工況下的沉降，來研究建筑的存在對沉降曲線的影響。在施工階段盾構施工引起的地表(建筑物)沉降一般可以分為3個階段：①盾構到達前沉降(刀盤從始發(fā)井推進至距離建筑3-4環(huán))；②盾構到達時沉降(刀盤切口前3-4環(huán)至切口后3-4環(huán))；③盾構通過時沉降(刀盤切口后1-2環(huán)至盾構機完全脫出)。

由圖6(a)可知，當建筑存在時，建筑物前部的點，沉降階段①占了總沉降的1.85%，階段②占了24.07%，階段③占了74.07%；而不存在建筑物時階段①占了10%，階段②占了36.67%，階段③占了53.33%。可以看出建筑物的存在會降低建筑前部點的①階段和②階段的位移，但會增加③階段的位移。

圖6(b)中，對于建筑物中部的點，沉降階段①占總沉降的20.37%，階段②占了27.78%，階段③占了51.85%；而不存在建筑物時，階段①占了14.8%，階段②占了40.74%，階段③占了44.4%。可以看出對于建筑中部的點，建筑物的存在會增加①階段沉降占比而降低②、③階段的沉降占比，尤其是②階段。

圖6(c)中，對于建筑物后部的點，沉降階段①占總沉降的29.41%，階段②占35.29%，階段③占31.37%；而不存在建筑物時，沉降階段①占16.07%，階段②占42.66%，階段③占41.67%。可以得出對于建筑物后部的點建筑物的存在會增加①階段的沉降，而降低②階段的沉降。

圖6 建筑物存在影響效應

從建筑物的整體出發(fā)，可將盾構下穿建筑物時建筑物的沉降過程分為三個時間段：前期沉降，從盾構開始到盾構切口到達建筑物中部，建筑物前部略有沉降但整體沉降很小；中期沉降，刀盤從中部到后部的過程中，建筑物開始整體大幅度地沉降；后期沉降，從建筑后部到盾構完成后建筑物還會繼續(xù)沉降，這個沉降幅度小于中期沉降但大于前期。

2.3 建筑物剛度對沉降規(guī)律的影響

影響建筑物剛度的主要因素有建筑物結構、基礎類型(基礎剛度)、長高比、建筑物的工作性狀等，本節(jié)主要分析基礎剛度和長高比在盾構施工中對建筑物沉降規(guī)律的影響[15]。

2.3.1基礎剛度影響分析

保持其它參數(shù)不變，通過增加基礎厚度D(0.4 m，0.5 m，0.6 m)，改變基礎剛度，分析不同地基剛度下建筑物的沉降規(guī)律。由圖7可知，隨著基礎厚度的提高，建筑物前、中、后部的沉降趨勢基本沒有變化，階段①沉降占比基本沒有變化，階段②提高，階段③降低，且基礎剛度越大，變化越明顯。表明建筑物基礎剛度越大，建筑物沉降的整體性越強。

圖7 建筑物基礎厚度影響效應

隨著基礎厚度的提升，建筑物各部分的沉降均有所減小，但程度有明顯不同，前部隨著基礎厚度的加厚，沉降減小效果相當，而中后部隨著厚度的提升，沉降減小效果得到提升。基礎厚度由0.4 m增加至0.6 m時，建筑物前后沉降差從6.32 mm降至4.65 mm.

2.3.2長高比影響分析

在其他參數(shù)保持不變的前提下，通過改變建筑物樓層數(shù)量N(3，6，9層)，可得其長高比L/H分別為4.8，2.5，1.6，研究不同長高比情況下，建筑物的沉降規(guī)律。

由圖8知，隨著L/H的減小，建筑物不同位置不同階段有不同的表現(xiàn)，階段①、②建筑物前、中部無明顯變化，而在階段③前部點變化效果相當，中部點變化效果越來越不明顯，后部點基本沒有變化，說明L/H越小建筑物的整體性越差。

隨著L/H的減小，建筑物前部沉降增大效果相當，中部點效果越來越差，后部點基本無變化，說明L/H越小建筑物的前、后部沉降差越大。

綜合影響建筑物剛度參數(shù)的變化可以發(fā)現(xiàn)，建筑物剛度的變化，對于建筑物對周圍地層約束作用的影響不明顯，剛度越大建筑物在沉降過程中表現(xiàn)出的整體性越強。

圖8 建筑物長高比影響效應

3 結論

本文以太原地鐵2號線某區(qū)間為例，通過現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值模擬分析了在汾河漫灘地層，建筑物在盾構隧道施工過程中的沉降規(guī)律以及建筑物剛度和長高比對沉降規(guī)律的影響，結論如下：

1) 在盾構施工過程中，地表建筑物的存在與否對于最終形成的橫向沉降槽影響很小。

2) 在盾構穿越建筑物這一工況下，建筑物的存在會約束周圍地層，與無建筑物時的沉降規(guī)律相比，建筑物及周圍地層的沉降有著明顯的滯后性和整體性。

3) 建筑物剛度的改變，對于建筑物對周邊地層的約束作用幾乎沒有影響。

4) 基礎剛度越強，建筑物前、后部的沉降差越小，建筑物沉降的整體性越強。

5) 在盾構隧道下穿淺基礎建筑物時，在盾構刀片到達建筑物中部附近時建筑物發(fā)生沉降較大，要注意監(jiān)測建筑物性狀變化并及時做出應對。