盾構(gòu)隧道旁穿既有建筑物的地表沉降數(shù)值分析

陳福星，劉紀(jì)峰

(三明學(xué)院建筑工程學(xué)院,福建三明365004)

盾構(gòu)隧道旁穿既有建筑物的地表沉降數(shù)值分析

陳福星，劉紀(jì)峰

(三明學(xué)院建筑工程學(xué)院,福建三明365004)

為分析某區(qū)間盾構(gòu)隧道施工對(duì)臨近既有6層住宅樓地表沉降的影響，采用FLAC3D進(jìn)行了三維數(shù)值模擬。計(jì)算結(jié)果表明：盾構(gòu)隧道近距離旁穿既有6層住宅樓時(shí)，隧道軸線上方地表計(jì)算最大沉降值為5.9 mm，住宅樓基礎(chǔ)的計(jì)算最大沉降值為3.2mm，基礎(chǔ)最大計(jì)算差異沉降為2mm。在盾構(gòu)機(jī)正常工作，并確保滿足土壓平衡、管片拼裝正常與及時(shí)壁后注漿等措施的情形下，盾構(gòu)施工該區(qū)間隧道能滿足沉降控制標(biāo)準(zhǔn)的要求。

盾構(gòu)隧道；旁穿既有建筑物；地表沉降；數(shù)值分析

為緩解日益凸顯的交通擁擠問(wèn)題，近年來(lái)國(guó)內(nèi)各大城市爭(zhēng)相開(kāi)展地鐵隧道建設(shè)工作，由于具有可全天候施工、地層適應(yīng)能力強(qiáng)、對(duì)環(huán)境影響相對(duì)較小等突出優(yōu)點(diǎn)，盾構(gòu)法隧道施工越來(lái)越受到各地鐵隧道建設(shè)單位的青睞。但由于所處的環(huán)境復(fù)雜，尤其是碰到盾構(gòu)旁穿建筑物等情況時(shí)，盾構(gòu)施工導(dǎo)致的地層變形尤其是地表沉降大小會(huì)直接影響到旁穿的建筑物的安全，因此常常需要對(duì)被旁穿建筑物的地表沉降進(jìn)行預(yù)測(cè)以便采取針對(duì)性的預(yù)防措施。劉波等[1-2]利用數(shù)值模擬分析了管片負(fù)環(huán)拆除對(duì)環(huán)境的影響和北京地鐵暗挖隧道的穩(wěn)定性；李濤等[3]用數(shù)值模擬和工程實(shí)測(cè)方法對(duì)雙線盾構(gòu)順序下穿鐵路箱涵的地層沉降進(jìn)行了研究；劉紀(jì)峰等[4-5]采用數(shù)值模擬分析了暗挖隧道旁穿對(duì)建筑物的影響；Zhang Chengping等[6]采用FLAC3D進(jìn)行了地鐵盾構(gòu)隧道引起的地層變形和沉降數(shù)值模擬分析。上述研究取得了較好的效果，可為類似工程參考借鑒。某盾構(gòu)隧道需穿近距離旁穿已經(jīng)傾斜的既有建筑物，需要嚴(yán)格控制盾構(gòu)隧道穿越時(shí)該區(qū)間的地表沉降，采用FLAC3D對(duì)該區(qū)間隧道施工對(duì)地表沉降的影響進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

1　工程概況

某區(qū)間隧道直徑為6 m，埋深10.8 m，根據(jù)巖土工程勘察報(bào)告，該區(qū)間自上而下各土層分布和主要性質(zhì)詳見(jiàn)表1。該隧道區(qū)間在K12+ 15.0～K12+80段北側(cè)為某公司職工6#住宅樓，住宅樓沿地鐵線路走向方向布置，該住宅樓結(jié)構(gòu)形式為6層磚混結(jié)構(gòu)，6#樓住宅樓距隧道結(jié)構(gòu)水平距離8 m（詳見(jiàn)圖1）；由于先期在該樓南側(cè)近距離施工其它地下工程，已引起該建筑物向南產(chǎn)生了一定傾斜（結(jié)構(gòu)頂部?jī)A斜約3 cm）。盾構(gòu)區(qū)間施工此段時(shí)需要控制差異變形，確保該建筑物的安全。

圖1職工住宅樓基礎(chǔ)與隧道位置關(guān)系示意圖

2　FLAC3D模型概述

數(shù)值分析模型橫截面示意圖如圖2所示。本模型建模基于如下考慮:隧道管片外徑為D=6000 mm，管片結(jié)構(gòu)頂部覆土厚度按照7.8 m選取。模型寬度包括樓房基礎(chǔ)寬度在內(nèi)，計(jì)算模型的寬度取為12D（模型寬度足以滿足沉降影響范圍要求），下邊界以隧道之下3D為界，計(jì)算時(shí)采用彈塑性模型，土體破壞準(zhǔn)則為摩爾-庫(kù)侖準(zhǔn)則。左右邊界條件視為鏈桿支座，下邊邊界條件視為鉸支座[7-8]。

圖2 FLAC3D數(shù)值分析模型橫剖面示意圖

模擬方法：巖土體在自重和荷載作用下固結(jié)沉降，達(dá)到平衡，而后進(jìn)行開(kāi)挖，并計(jì)算一定的時(shí)步來(lái)分析盾構(gòu)隧道開(kāi)挖對(duì)建筑物的影響。因缺乏該樓原始設(shè)計(jì)資料，樓房作用于其基礎(chǔ)（埋深按2m估算）的應(yīng)力參考《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009-2012）估算，按100 kPa計(jì)算，按照區(qū)間隧道總平面圖標(biāo)注的尺寸范圍（建筑物基礎(chǔ)外圍按長(zhǎng)40 m，寬15 m估算），簡(jiǎn)化為矩形均布荷載。計(jì)算時(shí)此均布荷載由基礎(chǔ)傳遞作用于地基上。對(duì)于地鐵隧道的鋼筋混凝土管片，采用實(shí)體彈性殼體單元模擬，襯砌材料參數(shù)選取如下：管片厚度0.3m，彈性模量30GPa，管片寬度1.2 m，泊松比0.2，注漿等效層彈性模量取4.5 MPa，泊松比0.3，土體應(yīng)力釋放度設(shè)置為0.5[9-10]。

由于隧道附近建筑基礎(chǔ)沉降是關(guān)心的重點(diǎn)，因此鄰近隧道處網(wǎng)格劃分較密，該模型尺寸長(zhǎng)為108 m，寬78 m，高為31.4 m，計(jì)算模型如圖3所示。

圖3盾構(gòu)隧道對(duì)附近住宅樓影響的FLAC3D數(shù)值模型網(wǎng)格

3　模擬結(jié)果分析

盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)隧道時(shí)，可能引起建筑物的不均勻沉降。如果不均勻沉降差值較大，將造成建筑物的傾覆，帶來(lái)極大的危害[10]。

由圖4隧道開(kāi)挖對(duì)附近住宅樓影響的模型豎向沉降等值線三維視圖可知，模型邊界處最大沉降發(fā)生在隧道襯砌（管片）頂部，最大沉降值12.22 mm，隧道軸線上方位置的計(jì)算地面沉降值在4～6mm范圍。

隧道開(kāi)挖引起住宅樓位置處地層豎向沉降橫剖面等值線圖與住宅樓位置處地層位移矢量如圖5～6所示。圖5～6表明：隧道襯砌（管片）頂部土體最大沉降為12.98 mm；隧道軸線上方地表最大沉降值為5.9 mm。住宅樓基礎(chǔ)的最大計(jì)算沉降值為3.2 mm。圖5表明在住宅樓基礎(chǔ)位置，隧道開(kāi)挖會(huì)引起不均勻沉降，雖然差異沉降不大，但仍需引起重視。

隧道開(kāi)挖引起住宅樓基礎(chǔ)處橫剖面地表沉降曲線見(jiàn)圖7，可見(jiàn)基礎(chǔ)位置處地基土存在一定差異沉降；基礎(chǔ)最大差異沉降計(jì)算值為2 mm。

圖4隧道開(kāi)挖對(duì)附近住宅樓影響的模型豎向沉降等值線三維視圖

圖5隧道開(kāi)挖引起住宅樓位置處地層豎向沉降橫剖面等值線圖

圖6隧道開(kāi)挖引起住宅樓位置處地層位移矢量圖

圖7隧道開(kāi)挖引起住宅樓基礎(chǔ)處橫剖面地表沉降曲線注：圖中縱坐標(biāo)為沉降值，橫坐標(biāo)表示水平距離

4　結(jié)論

為分析某區(qū)間隧道盾構(gòu)法施工對(duì)地表沉降影響，采用國(guó)際上廣泛應(yīng)用于隧道工程計(jì)算的優(yōu)秀數(shù)值分析軟件FLAC3D進(jìn)行了三維數(shù)值分析。計(jì)算表明：

（1）隧道在既有6層住宅樓附近穿過(guò)時(shí)，隧道軸線上方地表計(jì)算沉降最大值為5.9 mm；住宅樓基礎(chǔ)的計(jì)算沉降最大值為3.2 mm，基礎(chǔ)最大計(jì)算差異沉降為2 mm；

（2）因缺乏計(jì)算所需的6層住宅樓相關(guān)的設(shè)計(jì)資料，只能對(duì)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)參數(shù)及荷載作合理簡(jiǎn)化。數(shù)值計(jì)算表明：在盾構(gòu)機(jī)正常工作，并確保滿足土壓平衡、管片拼裝正常與及時(shí)壁后注漿等措施的情形下，盾構(gòu)施工該區(qū)間隧道能滿足沉降控制標(biāo)準(zhǔn)的要求。

［1］劉波，黃俐，金光玲．地鐵盾構(gòu)施工負(fù)環(huán)管片安全拆除條件及實(shí)例研究［J］．中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2012（3）：38－75．

［2］劉波，曹波，劉芳，等．北京地鐵暗挖隧道變形監(jiān)測(cè)與穩(wěn)定性數(shù)值分析［J］．地下空間與工程學(xué)報(bào)，2011，7（3）：518－525，540．

［3］李濤，劉波，朱連華，等．雙線盾構(gòu)順序下穿鐵路箱涵的實(shí)例研究［J］．太原理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，44（3）：373－377．

［4］劉紀(jì)峰，張會(huì)芝．盾構(gòu)隧道旁穿建筑物地層沉降的數(shù)值模擬分析［J］．建筑科學(xué)，2011，27（9）：31－36．

［5］劉紀(jì)峰，陳福星，張會(huì)芝．雙線暗挖隧道沿線建筑物墻體開(kāi)裂分析［J］．河南科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2015（3）：59－64．

［6］ZHANG CHENGPING，LILIM IN，SONG HAORAN，et al．Numerical analysisofmetro tunneling－induced stratum deformation and settlement by using FLAC3D［C］//International Conference on Intelligent Computation Technology and Automation，2010：817－820．

［7］Itasca Consulting Group，Inc．FLAC3D（Fast lagrangian analysis of continua in 3Dimensions）User Manuals Version 2．1，Minneapolis，2002．

［8］康寅，孫付峰，程都，等．注漿加固技術(shù)在隧道下穿建筑物過(guò)程中的應(yīng)用［J］．青島理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，34（2）：21－26．

［9］LIU BO，HAN Y．A FLAC3D－based subway tunneling－induced ground settlement prediction system developed in China［C］//Proceedings of the 4th FLAC International Symposium，2006．

［10］劉紀(jì)峰，崔秀琴，劉波．考慮水－土耦合的盾構(gòu)隧道地表沉降試驗(yàn)研究［J］．中國(guó)鐵道科學(xué)，2009，30（6）：38－45．

（責(zé)任編輯：朱聯(lián)九）

Numerical Analysis of Ground Surface Settlem ent Induced by Shield Tunnel under Crossing on Existing Building

CHEN Fu-xing,LIU Ji-feng
(College of Civil Engineering and Architecture,Sanming University,Sanming 365004,China)

In order to analyze the influence of the shield tunnel excavation on the ground surface settlement of the existing 6-stories residential building,the three dimensional numerical simulation is carried out by FLAC3D.The calculation results show that:When shield tunnel under crossing on the 6-stories residential building,themaximum calculating ground surface settlementabove the tunnelaxis is 5.9mm.themaximum calculating settlementof the residentialbuilding foundation is 3.2mm,and themaximum calculating differential settlement is 2mm.The interval shield tunnel construction canmeet the settlementcontrol standard requirementswhen the shieldmachine and the soil pressure balance,segmenterection and ground timely groutingmeasures are allunder normalworking conditions.

shield tunnels;under crossing on existing building;ground surface settlement;numericalanalysis

U 456.3

A

1673-4343（2015）06-0093-04

10．14098／j．cn35－1288／z．2015．06．019

2015－08－08

國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（201311311007）；福建省科技計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目（2012Y0062）

陳福星，男，福建莆田人，大學(xué)生。主要研究方向：土木工程。通訊作者：劉紀(jì)峰，男，河南沈丘人，副教授。主要研究方向：城市地下工程。