雙線地鐵隧道盾構(gòu)施工對地層與建筑結(jié)構(gòu)影響研究

夏志強，董少博，董克勝，凌可勝，沈 威，方火浪

（1. 中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江杭州 311122；2. 杭州瑞拓工程咨詢有限公司，浙江杭州 311199；3. 杭州未來科技城建設(shè)有限公司，浙江杭州 310012；4. 浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院，浙江杭州 310058）

1 研究背景

隨著我國現(xiàn)代化建設(shè)水平的不斷提高，城市地鐵設(shè)施作為地下空間開發(fā)利用的重點，發(fā)展迅速。盾構(gòu)隧道具有自動化程度高、勞動強度低、施工速度快、不受氣候和地形限制、對環(huán)境影響小等優(yōu)點，在地鐵建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用。受城市復(fù)雜環(huán)境和自身施工方法的限制，盾構(gòu)施工不可避免地會引起周圍地層的變形，影響鄰近建筑物的正常使用和安全。

鑒于此，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究[1-16]。楊曉杰等[1]采用有限差分法，研究了淺埋暗挖地鐵隧道施工對建筑樁基承載力的影響及其變化規(guī)律。張頂立等[3]結(jié)合廈門機場路隧道下穿地表復(fù)雜建筑群的工程實踐，分析了隧道施工引起的建筑物變形規(guī)律及其破壞模式，建立了建筑物開裂和沉降之間的關(guān)系。賀美德[4]采用有限元計算和現(xiàn)場監(jiān)測相結(jié)合的方法，對隧道盾構(gòu)施工引起的鄰近高層建筑物的結(jié)構(gòu)沉降、基礎(chǔ)傾斜進(jìn)行了研究。趙宏華[6]針對蘇州市軌道交通1號線盾構(gòu)隧道工程，采用三維有限元數(shù)值計算模型，研究了盾構(gòu)施工對側(cè)邊群樁變形的動態(tài)影響。魏綱和魏新江[9]建立了考慮隧道-土-建筑物相互作用的三維有限元模型，進(jìn)行了雙線盾構(gòu)垂直穿越獨立基礎(chǔ)的框架結(jié)構(gòu)建筑物的施工模擬。李新宇等[11]依托天津地鐵6號線天托站—中心醫(yī)院站區(qū)間盾構(gòu)隧道工程，采用有限差分法分析了主要施工參數(shù)對地層及結(jié)構(gòu)變形的影響規(guī)律，并通過實測數(shù)據(jù)驗證了模擬結(jié)果的合理性。戴軒等[13]利用小應(yīng)變硬化本構(gòu)模型進(jìn)行了三維有限元數(shù)值模擬，分析了盾構(gòu)隧道下穿在建基坑引發(fā)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移、水平支撐變形和基坑內(nèi)既有結(jié)構(gòu)變形。謝雄耀等[14]為彌補傳統(tǒng)方法沉降處置滯后的不足，提出了微沉降施工控制技術(shù)，開發(fā)了壁后注漿雷達(dá)實時檢測系統(tǒng)與自動化監(jiān)測預(yù)警平臺，在地表沉降發(fā)生之前及時注漿填充地層損失的空隙，防止地表沉降，保證建筑物安全。秦東平等[15]基于盾構(gòu)施工對地層的影響規(guī)律和現(xiàn)場實測資料，分析了因隧道下穿混凝土框架結(jié)構(gòu)的變形、受力及其抵抗差異變形的能力。

本文利用有限元軟件MIDAS?GTS/NX，通過對杭州地鐵3號線隧道在盾構(gòu)下穿某新建中學(xué)時的三維有限元模擬，分析盾構(gòu)施工對地層變形及基礎(chǔ)與建筑物工作性狀的影響，并對施工過程中基礎(chǔ)與建筑物的穩(wěn)定性進(jìn)行評價。

2 三維有限元模擬

2.1 模型建立及參數(shù)取值

土體采用三維實體單元，樓板、地下室外墻、底板、剪力墻和隧道管片采用板單元，鋼筋混凝土柱、梁和樁基礎(chǔ)采用梁單元，錨桿采用桿單元。為簡化計算，樁單元和錨桿單元的模擬分別采用嵌入式梁單元和嵌入式桿單元，不考慮建筑物上部結(jié)構(gòu)與下部基礎(chǔ)之間、建筑物下部基礎(chǔ)（樁基、錨桿、?板）與土層之間、隧道管片與土層之間可能存在的變形不協(xié)調(diào)。隧道-土-錨桿-樁-建筑物有限元精細(xì)化模型如圖1所示，共有769?508 個節(jié)點和 1?294?052 個單元。

土體采用摩爾-庫侖彈塑性模型，結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)和管片采用線彈性模型，材料參數(shù)主要包括容重、彈性模量、泊松比、黏聚力和摩擦角。根據(jù)巖土工程勘察報告和地鐵與建筑物的設(shè)計資料，材料參數(shù)取值如表1所示。

2.2 盾構(gòu)隧道施工過程模擬

在隧道盾構(gòu)施工中，為減少開挖引起的地層變形，通常對盾構(gòu)尾部空隙進(jìn)行同步注漿。同時，為防止掌子面失穩(wěn)，對其施加頂推力。由于本盾構(gòu)區(qū)間的地質(zhì)條件較好，施工中可以采用較小的注漿壓力和掌子面頂推力。作為最不利條件，本文將注漿壓力和掌子面頂推力設(shè)置為0，最大限度地預(yù)測盾構(gòu)施工引起的地層沉降變形。建筑物和盾構(gòu)施工的數(shù)值模擬包括初始地應(yīng)力計算、建筑物施工和隧道開挖3個過程。在隧道開挖模擬中，由于沒有考慮注漿壓力和掌子面頂推力的影響，每一掘進(jìn)步可簡化為盾構(gòu)掘挖和管片鋪設(shè)2道工序。已有研究表明[1]，不同的計算進(jìn)尺對地面最大沉降量的影響并不十分顯著。為節(jié)省計算時間，在保證計算精度的情況下，根據(jù)經(jīng)驗將每步計算的掘進(jìn)進(jìn)尺設(shè)為6?m。采用分步和雙線同時掘進(jìn)，單次掘進(jìn)5環(huán)管片，每環(huán)管片長1.2?m，共計68個掘進(jìn)步。除初始掘進(jìn)步和最后掘進(jìn)步外，中間各掘進(jìn)步包括本步中的土體開挖和前一掘進(jìn)步區(qū)間的管片鋪設(shè)。

圖1 隧道-土-錨桿-樁-建筑物有限元精細(xì)化模型

表1 材料參數(shù)取值

3 計算結(jié)果與分析

3.1 盾構(gòu)施工對地層變形的影響

雙線同向盾構(gòu)施工引起的地層變形（即位移）分布如圖2所示。由圖可以看出，最大總位移約為3.32 mm，水平X向和Y向的最大位移分別約為1.20?mm和1.32 mm，最大沉降（沉降取Z向位移的負(fù)值，以下同）為3.31?mm（隧道頂）。地表層（填土、粉質(zhì)黏土、全風(fēng)化層和強風(fēng)化層）最大總位移為2.07?mm，水平X向和Y向的最大位移分別為0.52?mm和0.65?mm，最大沉降為2.07?mm（強風(fēng)化層）。從地層的變形特征可以看出，盾構(gòu)施工引起的地層變形主要集中在隧道上方的周圍土體，變形以沉降為主。

3.2 盾構(gòu)施工對基礎(chǔ)工作性狀的影響

雙線同向盾構(gòu)施工引起的樁基變形（即位移）分布如圖?3所示。由圖可以看出，最大總位移為1.57 mm，水平X向和Y向的最大位移分別為0.27?mm和0.45 mm，最大沉降為1.57?mm。隨著盾構(gòu)的推進(jìn)，隧道附近樁基礎(chǔ)受到的影響較大，主要表現(xiàn)為樁體中部出現(xiàn)靠近盾構(gòu)隧道區(qū)域一側(cè)的變形。

表2給出了圖書館樁基最大、最小內(nèi)力單元在盾構(gòu)施工前后的內(nèi)力比較，結(jié)果表明：盾構(gòu)施工對隧道附近樁基內(nèi)力的影響較大，最大、最小內(nèi)力的最大變化分別為45.9%和19.5%。圖4為Z向彎矩變化38.6%單元的斷面內(nèi)力與盾構(gòu)掘進(jìn)步數(shù)的關(guān)系。由圖可見，盾構(gòu)掘進(jìn)初期對斷面內(nèi)力影響不大，斷面內(nèi)力的變化主要發(fā)生在盾構(gòu)穿越樁基區(qū)的過程中。

表3給出了教學(xué)樓樁基最大、最小內(nèi)力單元在盾構(gòu)施工前后的內(nèi)力比較，結(jié)果表明：盾構(gòu)施工對教學(xué)樓樁基內(nèi)力的影響較小，最大、最小內(nèi)力的最大變化分別為9.1%和2.8%。

雙線同向盾構(gòu)施工引起的錨桿變形（即位移）分布如圖?5所示。由圖可以看出，最大總位移為1.51 mm，水平X向和Y向的最大位移分別為0.27?mm和0.43 mm，最大沉降為1.51?mm。隨著盾構(gòu)的推進(jìn)，隧道附近錨桿受到的影響較大，主要表現(xiàn)為錨桿中部出現(xiàn)靠近盾構(gòu)隧道區(qū)域一側(cè)的變形。并且，通過對比最大、最小軸力單元在盾構(gòu)施工前后的軸力，得出盾構(gòu)施工對隧道附近錨桿軸力的影響較大，最大、最小軸力的變化分別為187.5%和1.0%。

圖2 地層位移分布（單位：m）

圖3 樁基位移分布（單位：m）

表2 盾構(gòu)施工前后圖書館樁基內(nèi)力的變化

圖4 樁基斷面內(nèi)力與盾構(gòu)掘進(jìn)步數(shù)的關(guān)系

3.3 盾構(gòu)施工對建筑物工作性狀的影響

雙線同向盾構(gòu)施工引起的建筑物變形（即位移）分布如圖6所示。由圖可看出，最大總位移為 1.49 mm，水平X向和Y向的最大位移分別為 0.41?mm 和 0.76 mm，最大沉降為 1.46 mm（小車庫底板處），表明盾構(gòu)施工引起的建筑物變形較小，變形以沉降為主。當(dāng)盾構(gòu)施工結(jié)束后，建筑物出現(xiàn)向盾構(gòu)一側(cè)傾斜，表現(xiàn)為靠近盾構(gòu)區(qū)域一側(cè)的建筑物出現(xiàn)下沉，遠(yuǎn)離的一側(cè)出現(xiàn)上浮。

綜合樓底板水平X向和Y向的最大位移分別為0.05?mm和0.01?mm，最大沉降為1.20?mm，傾斜率為2.71×10-5。圖書館底板水平X向和Y向的最大位移分別為0.14?mm和0.34?mm，最大沉降為0.91?mm，傾斜率為1.76×10-5。教學(xué)樓底板水平X向和Y向的最大位移分別為0.10?mm和0.31?mm，最大沉降為0.12?mm，傾斜率為3.53×10-6。以上結(jié)果表明，建筑物的沉降和傾斜率遠(yuǎn)小于相關(guān)規(guī)范的限值[17]。建筑物（綜合樓）底板最大沉降節(jié)點的位移與盾構(gòu)掘進(jìn)步數(shù)的關(guān)系如圖7所示。由圖可以看出，盾構(gòu)掘進(jìn)初期對建筑物的沉降影響不大，建筑物沉降主要發(fā)生在盾構(gòu)穿越建筑物下方地層的過程中。

表3 盾構(gòu)施工前后教學(xué)樓樁基內(nèi)力的變化

建筑物梁柱構(gòu)件最大、最小內(nèi)力單元在盾構(gòu)施工前后的內(nèi)力變化如表4所示，結(jié)果表明：盾構(gòu)施工對梁柱構(gòu)件內(nèi)力的影響較小，除Y向最小剪力的變化為4.3%外，其他最大、最小內(nèi)力分量的變化不大于0.4%。

4 結(jié)論

以杭州地鐵3號線隧道穿越某新建中學(xué)的盾構(gòu)施工為研究對象，利用有限元軟件MIDAS?GTS/NX建立了考慮隧道-土-錨桿-樁-建筑物相互作用的三維有限元模型。通過三維數(shù)值模擬，分析了雙線地鐵隧道同向盾構(gòu)施工引起的地層變形特性及基礎(chǔ)與建筑物的工作性狀變化規(guī)律，得出以下結(jié)論。

（1）地層變形主要集中在隧道上方土層，變形以沉降為主，地表層最大沉降為2.07?mm。

（2）樁基水平X向和Y向的最大位移分別為0.27 mm 和 0.45?mm，最大沉降為 1.57?mm。盾構(gòu)施工前后，隧道附近圖書館樁基的內(nèi)力變化較大，教學(xué)樓樁基的內(nèi)力變化較小。

圖5 錨桿位移分布（單位：m）

圖6 建筑物位移分布（單位：m）

圖7 建筑物（綜合樓）底板最大沉降節(jié)點的位移與盾構(gòu)掘進(jìn)步數(shù)的關(guān)系

（3）錨桿水平X向和Y向的最大位移分別為0.27 mm 和 0.43?mm，最大沉降為 1.51?mm。盾構(gòu)施工前后，隧道附近錨桿的軸力變化較大。

（4）建筑物水平X向和Y向的最大位移分別為?0.41 mm 和 0.76?mm，最大沉降和傾斜率分別為1.46 mm和2.71×10-5。盾構(gòu)施工前后，建筑物梁柱構(gòu)件的內(nèi)力變化較小。

因此，隧道盾構(gòu)施工總體上對地層變形及基礎(chǔ)與建筑物工作性狀的影響不大，建筑物的變形及整體穩(wěn)定性均在安全范圍內(nèi)。

表4 盾構(gòu)施工前后建筑物梁柱構(gòu)件內(nèi)力的變化