砂卵石地層盾構施工參數對鄰近建筑變形的影響研究

摘要：為了降低砂卵石地層盾構施工對鄰近建筑物的影響程度，文章基于Midas GTS NX有限元軟件構建模型，對不同頂推力、注漿壓力和漿液強度下盾構鄰近建筑物變形規律進行分析。結果表明：建筑物的沉降變形和水平位移隨著頂推力增大而逐漸增大，隨著注漿壓力和漿液強度增大而逐漸減小；頂推力越小，注漿壓力和漿液強度越大，建筑傾斜率越小；當盾構千斤頂推力為110 kPa、注漿壓力為190 kPa時，建筑的沉降變形相對較小，并宜選擇強度高的注漿材料。

關鍵詞：砂卵石地層；頂推力；注漿壓力；漿液強度；建筑變形；有限元模型；傾斜率

中圖分類號：U455.3+9

0 引言

地鐵對于緩解城市交通擁堵具有重要意義，近些年來我國加大了地鐵建設的規模和投入，一大批地鐵建設項目正在規劃建設中。盾構施工因其擾動小、效率高、受外界環境影響小等優點，已成為地鐵建設的主要施工方法［1-2］。

在盾構施工過程中，不可避免地會對地層和鄰近建筑物產生影響，特別是在地層條件復雜的地區，對鄰近建筑物變形的影響更大［3-4］。砂卵石作為一種力學極其不穩定的地層，當盾構機在砂卵石地層中進行開挖掘進時，地層的反應是非常靈敏的，原有的相對穩定或者平衡的狀態極容易被盾構施工所打破［5］，形成地層的損失和圍巖擾動，進而導致地面沉降甚至塌陷，同時造成地面既有建筑物的傾斜變形，嚴重的會危及建筑安全。因此，有必要在砂卵石地層盾構施工時，采取一定的控制措施，如控制掘進速度、采取注漿手段等，其中控制盾構施工參數是最主要的技術手段［6-8］。

本文在前人研究經驗和理論基礎上，采用有限元分析法，探討不同盾構施工參數下，砂卵石地層盾構施工對既有鄰近建筑物變形的影響規律，以期能為類似地質條件下的地鐵盾構施工提供借鑒。

1 工程概況

廣州地鐵21號線某區間段全長954.2 m，采用土壓式平衡盾構法施工，管片的外/內徑為6.4 m/5.8 m，管片的厚度為0.3 m，盾構每次推進距離為3.2 m（2個管片長度）。沿線主要既有建筑物包括JF商業大廈、JHA大酒店、XL學校、YC文化宮、YC立交橋、CL小區、CLY小區等。工程區主要為沖積平原地貌，整體為第四系松散地層，自上而下分為雜填土、黏土、粉質黏土和泥質粉砂巖夾卵石層，盾構隧道位于泥質粉砂巖夾卵石層中，褐紅色，層狀結構，遇水易軟化，失水易開裂，局部風化裂隙發育。

本文以盾構穿越JF大廈為例。該建筑共有7層，為框架結構，基礎采用6 m深的樁筏板，縱向和橫向樁間距分別為5 m和3 m，地鐵盾構隧道與最外側樁之間的間距為10 m，兩個隧道的中心間距為14 m，隧道的埋深為14.8 m，在大廈旁邊2 m處，有一條埋深為3 m的供水管。地鐵盾構隧道與JF大廈位置關系見圖1。

2 模型構建

2.1 本構模型

利用Midas GTS NX有限元模型構建盾構隧道及建筑物模型，模型建立采用摩爾-庫倫準則，模型的長度為80 m，寬度為79 m，厚度為19 m。雜填土、黏土、粉質黏土、泥質粉砂巖夾卵石層、建筑物、注漿層采用3D實體單元；建筑物筏板、盾構外殼、管片、給水管采用2D單元；建筑物立柱樁采用1D單元。模型采用以六面體單元為主、四面體單元為輔的混合網格生成網格，將模型劃分為24 439個網格單元和13 680個節點單元，見圖2。在模擬過程中，考慮建筑物自重所產生的自重應力，由于埋深較淺，只考慮隧道上半部分自重所產生的應力場。

2.2 參數選取

各地層土體主要參數根據設計院地勘報告進行合理選取，見表1。建筑物和隧道主要結構的材料和屬性情況見表2。在模擬過程中，為了簡化計算，將樓板、上部結構和柱視為無重力混凝土，且不考慮墻的影響。

2.3 工況設計

本文主要探討盾構頂推力、注漿壓力、注漿液強度（漿液彈性模量）等3種施工參數對JF大廈變形的影響。盾構頂推力分別設計100 kPa、110 kPa、120 kPa和130 kPa 4種工況，注漿壓力分別設計110 kPa、150 kPa、190 kPa和230 kPa 4種工況，注漿液強度（彈性模量）分別設計5 GPa、10 GPa、15 GPa、20 GPa 4種工況。

3 結果分析

3.1 頂推力的影響

不同頂推力作用下JF大廈的沉降值和水平位移變化規律見圖3。從圖3中可知：隨著盾構掘進長度的增加，不同頂推力下建筑物最不利位置處的沉降值和水平位移逐漸增大，且不同頂推力下的變形量差異在逐漸增大，相同掘進長度下，千斤頂推力越大，建筑物的沉降變形和水平位移越大；在100 kPa、110 kPa、120 kPa、130 kPa頂推力下，當盾構掘進長度為80 m時，最不利位置處的沉降變形分別為4.9 mm、4.95 mm、5.1 mm和5.85 mm，水平位移分別為3.2 mm、3.4 mm、3.6 mm和4.05 mm；當頂推力≤120 kPa時建筑最不利位置處的變形量基本相等，當頂推力gt;120 kPa后建筑最不利位置處的變形量開始明顯增大。因此，在實際盾構施工過程中，應將千斤頂推力（掘進壓力）設置在合理大小。

3.2 注漿壓力的影響

不同注漿壓力下JF大廈的沉降值和水平位移變化規律見下頁圖4。從圖4中可知：隨著盾構掘進長度的增加，不同注漿壓力下建筑物的沉降變形和水平位移逐漸增大，且不同注漿壓力下的建筑物變形差異在掘進長度為40～60 m時最大，在掘進初期和掘進過后差異較小，相同掘進長度下，注漿壓力越大，建筑物的沉降變形和水平位移越小；在110 kPa、150 kPa、190 kPa、230 kPa注漿壓力作用下，當盾構掘進長度為80 m時，最不利位置處的沉降變形分別為5.2 mm、5.1 mm、5.1 mm和5.1 mm，水平位移分別為3.6 mm、3.5 mm、3.6 mm和3.6 mm。由此可見，注漿壓力對建筑變形的影響較小。

3.3 漿液強度的影響

不同漿液強度下JF大廈的沉降值和水平位移變化規律見圖5。從圖5中可知：隨著盾構掘進長度的增加，不同將液強度下建筑物變形在逐漸增大，且差異值也隨盾構掘進長度逐漸增加；相同盾構掘進長度下，漿液強度越大，沉降變形和水平位移越小；在5 GPa、10 GPa、15 GPa、20 GPa漿液強度下，當盾構掘進長度為80 m時，最不利位置處的沉降變形分別為5.2 mm、5.2 mm、3.2 mm和2.1 mm，水平位移分別為3.6 mm、2.6 mm、1.65 mm和1.7 mm，說明漿液強度對于建筑物變形的影響幅度在不斷減小；當漿液彈性模量gt;15 GPa后，漿液強度對于建筑物橫向變形有明顯的影響，對于盾構側穿之后的變形則沒有明顯影響。

3.4 建筑傾斜率與盾構施工參數的關系

根據數值模擬結果，對建筑物最不利位置處的差異沉降和傾斜率進行計算，結果見圖6。從圖6中可知：隨著頂推力的增大，JF大廈的差異沉降和傾斜率逐漸增大，當頂推力為100 kPa、110 kPa、120 kPa、130 kPa時，建筑傾斜率分別為0.031%、0.032%、0.036%和0.042%；當頂推力由100 kPa增加至110 kPa時，建筑傾斜率僅僅增加了0.001%；當頂推力從110 kPa增加至120 kPa后，建筑物傾斜率增加了0.004%；當頂推力從120 kPa增加至130 kPa后，建筑傾斜率增加了0.006%。因此，應將盾構千斤頂推力控制在110 kPa最為合理。隨著注漿壓力和漿液彈性模量的增大，建筑物的沉降差異和傾斜率逐漸減小，當注漿壓力gt;190 kPa之后，建筑物傾斜率基本保持不變，均為0.042%。因此注漿壓力應控制在190 kPa，漿液強度的增加會不斷降低建筑物的傾斜率，在盾構施工時應盡量選用強度更高的注漿材料。

4 結語

本文利用數值模擬方式，對砂卵石地層下不同盾構施工參數影響下的鄰近建筑變形規律進行了研究，得出如下結論：

（1）隨著頂推力的增大，建筑物的沉降變形和水平位移逐漸增大；隨著注漿壓力和漿液強度的增大，建筑的沉降變形和水平位移逐漸減小；注漿壓力相對頂推力和漿液強度，對建筑變形的影響較小。

（2）建筑差異沉降和傾斜率隨著頂推力增大而增大，隨著注漿壓力和漿液強度增大而逐漸減小。

（3）為盡量減小建筑的變形，宜將盾構千斤頂推力控制在110 kPa，注漿壓力控制在190 kPa，宜選擇強度高的注漿材料。

參考文獻

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［4］何小華.地鐵盾構下穿建筑物群地層沉降控制技術［J］.交通世界，2021（33）：79-80.

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［7］劉丹娜，周 勛，王 偉，等.砂卵石地層盾構區間地表沉降變化規律及參數控制研究［J］.公路，202 67（8）：410-416.

［8］虞 楊，李洋溢，秦鮮卓.砂卵石地層盾構隧道施工對周邊環境的影響分析［J］.西部交通科技，2021（5）：93-96，182.

收稿日期：2023-10-16

作者簡介：覃健世（1988—），工程師，研究方向：道路與橋梁工程。