超淺埋盾構隧道近距穿越既有建筑物影響數值分析

劉曉巖

（中鐵十六局集團有限公司 北京 100018）

1 引言

近年來地下空間得到較大程度開發，從而出現了諸多地鐵施工近距穿越既有建筑物的施工安全問題。賀美德等［1］以北京地區大斷面地下人行通道工程近距離上穿最小凈距僅1.97 m的地鐵10號線盾構隧道為背景，分別對東線和西線隧道結構豎向位移、隧道結構水平收斂位移及道床結構豎向位移3種變形進行監測與分析；劉先亮和王臨波［2］依托某地鐵隧道側穿樁基工程，對注漿和未注漿兩種不同的加固方案條件下樁基變形規律進行分析；王祺等［3］以上海某軟土地區超淺埋盾構隧道為例，建立均質土模型，評價不同場地土、不同埋深情況下超淺埋盾構隧道地震反應的相關規律；傅鶴林等［4］基于 Покровский 當層法，將淺埋盾構隧道問題等效為求解均質地層位移及應力分布問題；張冬梅等［5］以上海某大直徑盾構隧道為工程背景，提出淺埋近間距大直徑盾構隧道施工的相互影響規律及特殊環境條件下的控制措施；劉紀峰等［6］為了更準確地預測淺埋盾構隧道引起的地表沉降，利用彈塑性力學的Lame公式和 Kiersch公式及摩爾－庫侖屈服準則，定義了彈塑性解的位移邊界條件；宋儀等［7］采用數值分析方法，研究了不同埋深下盾構隧道所承受圍巖壓力的變化規律；米博和項彥勇［8］設計制作了水下地層淺埋盾構隧道的開挖滲流模型，并建立附近地層沉降的量測采集系統，測量開挖面水土壓力和孔隙水壓力以及附近地層沉降；趙乙丁等［9］依托某盾構隧道工程，建立盾構隧道施工模型，分析小凈距淺埋盾構施工的相互影響；劉明高等［10］依托超大直徑盾構隧道穿越既有橋梁工程，研究了掘進參數（如掘進工作面推力和注漿壓力）的改變對橋梁樁基變形與受力的影響；高玉春和王昱以北京地鐵7號線02標段黑－萬盾構區間隧道下穿京哈高速路、側穿南大溝橋為工程背景，對盾構隧道穿越風險源的變形控制措施進行了詳細論述。

綜上，對于淺埋隧道、近距離穿越既有建筑物這兩類問題已經得到了一定關注，但針對軟土地層的超淺埋盾構側穿既有建筑物相關研究較少。本文以杭州機場軌道快線苕溪站－杭州西站盾構區間為工程背景，基于PLAXIS 3D，分析了土體以及建筑物變形規律，總結影響變形的決定性因素和關鍵風險點。

2 工程背景

苕溪站－杭州西站區間為單圓盾構區間，覆土埋深為3.5～11.3 m，掘進主要穿越粉土層和黏性土層。全程區間多次下穿民居，主要為苕溪村民居及吳山前村民居。民居多為村民20世紀90年代自行建造，2000年左右改造，基礎形式均為淺基礎，埋深為地面下1.5～2 m。本區間從苕溪站始發，掘進至杭州西站接收，盾構掘進過程中需充分考慮對周邊環境的影響。區間平面如圖1所示。

圖1 苕溪站－杭州西站區間平面

3 超淺埋盾構隧道穿越既有建筑物三維數值模擬

3.1 計算參數

（1）模型土層參數

主要地層包括填土、粉土、黏性土、圓礫、灰巖。土的力學特性是開展穩定性分析和數值模擬研究的依據。土體主要參數見表1，其中：h為土層厚度；γ為土體天然重度；c為黏聚力；φ為內摩擦角；Es為壓縮模量。

表1 土層參數

（2）模型構件以及襯砌參數

數值模擬時，以板單元模擬盾構機，以土體模擬混凝土管片襯砌，二者相關參數見表2和表3。

表2 模擬盾構機的板材料參數

表3 混凝土管片襯砌參數

3.2 幾何模型及邊界條件

土體模型采用摩爾－庫倫彈塑性模型，忽略土體的剛度與應力、應力路徑相關特性以及土體剛度的各向異性。盾構機擬用線性各向同性材料模擬，隧道混凝土襯砌擬用線彈性、非多孔土體模擬。由于盾構穿越較大粉土層和黏性土層（低滲透性），因而模型邊界采用不排水邊界，擬定盾構機長9 m，外徑6.5 m、內徑6 m，盾構機頂部到地表的距離為5.5 m，因模擬隧道長度較長，擬定已掘進45 m，其后四次掘進時，每次盾構掘進1.5 m，其中盾構隧道位于模型X方向中部位置，板單元（長、寬各40 m，水平方向距盾構隧道10 m且距隧道端頭45 m）施加豎直向下100 kN／m2的均布荷載作為對既有建筑物的模擬，模型邊界取X方向1 200 m、Y方向300 m、Z方向65 m。該范圍已足夠大到允許各種可能的破壞機制發生，并能避免模型邊界的影響。有限元網格劃分后的模型如圖2所示。

圖2 有限元網格劃分模型

3.3 數值模擬結果

（1）盾構推進對既有建筑物的影響

盾構施工對右側與其水平相距10 m的既有建筑物地基穩定性存在一定影響。盾構掘進既有建筑物的受力以及豎向位移如圖3～圖4所示。

圖3 既有建筑物豎向位移最大值

圖4 既有建筑物承受的彎矩最大值

由圖3～圖4可知：盾構掘進過程中，既有建筑物所承受的彎矩值以及向上隆起值都近乎直線增長。這主要是由于盾構側穿時，襯砌與土體之間存在空隙，同步注漿壓力導致土體受到向上的力以及隧道在周圍土體擠壓作用下引起既有建筑物向上隆起。同時，隨著既有建筑物隆起現象的加劇也導致既有建筑物基底發生不均勻變形，造成建筑物所承受的彎矩逐漸增大。

（2）隧道上下兩側土體沉降分析

圖5為隧道上下側土體豎向位移圖（上、下兩側土體與隧道的豎向凈距分別記為L、L′）。

圖5 隧道上下側土體豎向位移

由圖5可知：隧道上、下土層距離盾構隧道的豎直凈距越大，土層豎向沉降量越小。隧道上覆土層位移明顯大于下方，這是由于隧道上覆土層主要為粉土層，黏聚力小，易受擾動；隧道下方土層主要為圓礫層及灰巖，其壓縮性能較低，故下方土體變形較小。

（3）隧道左右兩側土體橫向位移

盾構掘進后，由于土壓力作用，隧道左右兩側土體會向隧道方向偏移，若土體偏移過大，則會威脅隧道的安全。隧道左右兩側豎向平面與隧道的水平距離分別記為 L″、L?，現分別取 L″、L?＝0.1 m、0.2 m、0.3 m、0.4 m的豎向平面，分析其各自向隧道方向的橫向位移最大值（左、右兩側土體位移），如圖6所示。

圖6 隧道兩側土體橫向位移最大值

由圖6可知：隨著與隧道水平距離的增大，隧道左右兩側向隧道橫向偏移的數值呈近乎直線降低。同時隧道左側的橫向位移明顯大于隧道右側，這主要是由于隧道左側存在既有建筑物，對隧道左、右兩側形成了偏壓，導致左右兩側橫向位移出現明顯差異。

（4）注漿壓力對隧道上方土體影響

管片拼裝完成后，管片與洞體之間會出現空隙，應及時注漿充填，避免因地層應力釋放而產生較大的地面沉降以及鄰近既有建筑沉降和變形破壞等，但注漿壓力引起隧道上方土體隆起也不可忽視。選取Y＝46.5 m的豎向截面（盾構端頭位于既有建筑物中部且二者之間水平距離最小），分別研究四次注漿過程對該截面地表隆起的影響，隆起數值如圖7所示。

圖7 注漿后地表隆起值

由圖7可知：注漿過程中，地表持續向上隆起。盾構施工前期注漿引起地表隆起現象較為明顯，而后期注漿引起的地表隆起值趨于穩定。這主要是由于注漿壓力對隧道上方土體產生向上的推力，又因隧道上方土層易擾動，故盾構穿越初期造成的地表隆起值較大；隨著盾構遠離該截面，注漿壓力對其影響逐漸減弱，從而該截面的地表隆起值趨于穩定［11］。

（5）盾構埋深的影響

盾構近距離穿越既有建筑物時，不同盾構埋深對既有建筑物影響亦不同。盾構埋深與既有建筑物豎向位移之間的關系如圖8所示，正值表示隆起，負值表示沉降。

由圖8可知：盾構埋深在3～9 m時，盾構埋深越淺，既有建筑物隆起現象越明顯；隨著盾構埋深增加，建筑物隆起值逐漸減少；當盾構埋深超過9 m時，建筑物出現沉降現象。這主要是由于盾構隧道上覆土層越淺，同步注漿壓力對地表影響越明顯，當盾構埋深達到一定深度時（9 m），注漿壓力對地表影響較小，此時地表變形主要由盾構施工引起，從而地表產生沉降。

圖8 盾構埋深對既有建筑物變形的影響

4 結束語

本文基于數值模擬研究了軟土地層超淺埋盾構隧道近距穿越既有建筑物關鍵技術，探究了軟土地層超淺埋盾構隧道近距穿越既有建筑物對其變形影響，并得出以下結論：

（1）軟土地層中，隧道上、下兩側土體與隧道豎向距離越小，土體沉降越大，且隧道周邊的土層參數越好，其沉降越小。

（2）隧道的注漿過程會加劇土體向上隆起，注漿位置正上方地表隆起值較大，盾構遠離后，由注漿壓力引起的土體隆起值趨于穩定。

（3）由于既有建筑物位于隧道左側，故使隧道兩側形成偏壓，盾構側穿既有建筑物過程中，隧道左側土體向隧道方向水平位移明顯大于右側。

（4）當盾構隧道上覆土層厚度小于9 m時，上覆土層越淺，因同步注漿引起既有建筑物隆起現象越明顯；當上覆土層厚度大于9 m，既有建筑物出現沉降。