盾構(gòu)法隧道施工對(duì)周邊建筑物影響規(guī)律研究

田衛(wèi)明，吳秉其，黃倏祺

(1. 重慶電訊職業(yè)學(xué)院，重慶 402247；2. 無錫地鐵集團(tuán)有限公司，江蘇 無錫 214000)

盾構(gòu)法隧道施工對(duì)周邊建筑物影響規(guī)律研究

田衛(wèi)明1，吳秉其2，黃倏祺1

(1. 重慶電訊職業(yè)學(xué)院，重慶 402247；2. 無錫地鐵集團(tuán)有限公司，江蘇 無錫 214000)

盾構(gòu)法具有機(jī)械化程度高、安全、進(jìn)度快等特點(diǎn)，已成為城市地鐵隧道施工方法的首選.但周邊建筑的存在，使得在施工過程中對(duì)周邊建筑物的影響要嚴(yán)格控制.本文針對(duì)盾構(gòu)法隧道開挖過程中對(duì)施工區(qū)域周邊建筑物沉降的影響，利用三維數(shù)值模擬手段，對(duì)某在建工程實(shí)例進(jìn)行了分析.仿真分析結(jié)果表明：盾構(gòu)法對(duì)周邊建筑物的影響與距離和建筑物自重有關(guān).文中分析盾構(gòu)法隧道施工對(duì)周邊建筑物的影響規(guī)律，對(duì)地鐵施工建設(shè)有一定的指導(dǎo)作用.

盾構(gòu)法；數(shù)值模擬；周邊建筑物；沉降

盾構(gòu)法因其具有地面沉降影響小、機(jī)械化程度高、施工安全、工人勞動(dòng)強(qiáng)度低、進(jìn)度快等優(yōu)點(diǎn)，近年來發(fā)展較快，將成為我國今后城市地鐵隧道的主要施工方法.然而地鐵隧道在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，周圍土體由于開挖卸載與土拱作用引用土體總應(yīng)力變化，土體受擠壓作用后地下水位變化引起孔隙水壓力變化；而應(yīng)力的變化導(dǎo)致的土體壓縮、彈塑性變形，土體蠕變等都將使土體應(yīng)變變化.國內(nèi)外不少學(xué)者都認(rèn)為盾構(gòu)法施工對(duì)周圍環(huán)境產(chǎn)生了一定程度的影響，引起周圍建筑物地表沉降，并對(duì)其進(jìn)行研究.黃潤秋等認(rèn)為盾構(gòu)法施工引起地面沉降的主要原因是施工區(qū)域周圍土體的擾動(dòng)和施工過程中地下水疏排導(dǎo)致地表沉降[1]；趙保建利用ANSYS軟件對(duì)天冿地鐵一號(hào)線擴(kuò)建工程進(jìn)行了數(shù)值模擬，對(duì)在建工程安全穩(wěn)定性作出了評(píng)估[2]；韋良文等通過微觀破壞分析模型、塑性極限分析模型對(duì)盾構(gòu)隧道開挖面穩(wěn)定的理論研究進(jìn)行了概括[3]；張社榮等利用三維有限元法模擬了軟地地區(qū)條件下的施工[4]；姚愛軍等利用FLAC3D軟件研究了北京地鐵10號(hào)線引起鄰近建筑物變形特征，結(jié)果表明數(shù)值模擬結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)接近[5].本文通過一個(gè)工程實(shí)例，對(duì)目前我國在粉土、粘質(zhì)粉土地質(zhì)條件下盾構(gòu)法隧道施工中對(duì)周邊建筑物影響的問題進(jìn)行了探討.

1 工程概況

某地鐵車站區(qū)間埋深約15～16 m，擬采用盾構(gòu)法施工.工程范圍以粉土、粘質(zhì)粉土為主，夾有粉砂層，基巖埋深超過37 m，車站基坑深度約18.4 m.車站頂板埋深3.2 m，底板位于粘土層，底板頂面標(biāo)高約-10.810 m.

車站旁邊有一棟 5A級(jí)高檔甲級(jí)寫字樓，由1～4層的商業(yè)裙房、5～38層的寫字樓與3層地下室組成.建筑總面積：99 609.88 m2，總層數(shù)33層、總高175.35 m，含屋頂女兒墻及裝飾構(gòu)架總高度為196.0 m.該項(xiàng)目地下室基坑標(biāo)準(zhǔn)深度約15.5 m，地下室與區(qū)間結(jié)構(gòu)最近距離約為12 m，兩者實(shí)施時(shí)區(qū)間施工引起的地層松弛將導(dǎo)致摩擦樁承載能力損失、地表沉降等.雖然該項(xiàng)目與地鐵車站不存在相互交叉關(guān)系，工程實(shí)施在空間上沒有沖突.但距離較近，相互施工間存在影響，因此有必要對(duì)兩者間的相互影響進(jìn)行分析.既有車站主體結(jié)構(gòu)與地塊位置關(guān)系如圖1所示，其中地塊基坑開挖邊線距離主體結(jié)構(gòu)外邊線24.4 m.

圖1 車站主體結(jié)構(gòu)與地塊位置關(guān)系圖

2 盾構(gòu)在軟土中施工地表沉降規(guī)律

2.1 盾構(gòu)施工對(duì)周邊環(huán)境的影響范圍規(guī)律

盾構(gòu)法隧道施工的影響范圍，可根據(jù)地層損失、隧道埋深、隧道尺寸、盾構(gòu)類型并結(jié)合地面建筑物基底壓力擴(kuò)散對(duì)隧道的影響確定[6-7].一般認(rèn)為基底壓力按 45°向下擴(kuò)散，影響范圍邊線定在隧道擾動(dòng)區(qū)外，隧道擾動(dòng)區(qū)為 2R(R為隧道半徑)，如圖2所示，在1區(qū)內(nèi)的建筑物基礎(chǔ)需要進(jìn)行必要處理，如基礎(chǔ)型式采用樁基礎(chǔ)并深入隧道結(jié)構(gòu)下或其它基礎(chǔ)加固措施，2區(qū)內(nèi)的建筑物基礎(chǔ)通常不需要進(jìn)行加固，雖然對(duì)建筑物有一定的損害，但不影響結(jié)構(gòu)正常使用；3區(qū)內(nèi)建筑物不會(huì)受到施工影響.

圖2 盾構(gòu)施工對(duì)周邊建筑物影響范圍示意圖

2.2 盾構(gòu)施工對(duì)周邊環(huán)境的沉降影響規(guī)律

區(qū)間隧道在粘土中采用盾構(gòu)法掘進(jìn)時(shí)，施工時(shí)的擾動(dòng)引起的地層和土壤損失會(huì)引起地表變形.特別是在盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)前方和頂部產(chǎn)生微突起.盾構(gòu)機(jī)尾脫離后，地表開始下沉，并形成一定寬度的沉降槽區(qū)，下沉率隨時(shí)間逐漸衰減，且受地層、施工條件和地表荷載的影響，并表現(xiàn)出相當(dāng)大的差異[1,7].

對(duì)于盾構(gòu)隧道施工引起地面沉降預(yù)測(cè)，1969年派克(Peck)提出了地層損失的概念和估算方法.在此后的工程實(shí)踐中，通過許多學(xué)者的修正完善，Peck沉降估算法越來越成熟.目前此法已成為正常施工條件下，盾構(gòu)掘進(jìn)引起的地面沉降的最常用的計(jì)算方法.該方法認(rèn)為在不考慮土體排水固結(jié)與蠕變的條件下，沉槽的體積應(yīng)該等于地層損失的體積.假定地層損失在隧道長度上均勻分布，則盾構(gòu)推進(jìn)后地面橫向沉降基本為近似正態(tài)曲線，具體地面沉降關(guān)系為[7-9]：

式中：Sx為沉降量/m；Vl為盾構(gòu)隧道單位長度地層損失量/(m3·m-1)；i為沉降槽寬度系數(shù)/m.

按數(shù)值方法計(jì)算盾構(gòu)施工對(duì)地層影響如下：

盾構(gòu)隧道最大覆土厚度約8.6 m，區(qū)間結(jié)構(gòu)外徑取3.1 m.地層損失率取0.5%(按盾構(gòu)隧道正常施工)，覆土厚度取 15 m，區(qū)間結(jié)構(gòu)外徑取 3.1 m. 沉 降 槽 寬 度 系 數(shù)i＝R/(Z/2R)0.8=3.1/(11.7/2/3.1)0.8=1.86 (m)；地層損失量Vl=3.14×R2×0.5%＝0.16 (m)，代入式(1)得Smax＝18.3 mm.即：雙線隧道掘進(jìn)施工時(shí)引起的地面最大沉降為18.3 mm；

3 盾構(gòu)法施工對(duì)周邊建筑物影響三維模擬分析

3.1 基本假設(shè)

(1)地塊基坑開挖降水車站主體水位波動(dòng)不大，或降水不影響坑外降水，分析中不計(jì)入地塊基坑降水影響.

(2)地層水平分布，各土層厚度取自地勘報(bào)告，選用影響范圍內(nèi)最不利鉆孔.土體本構(gòu)模型采用HS-small本構(gòu)模型，其本構(gòu)優(yōu)點(diǎn)：考慮土體卸荷、在加載路徑與小應(yīng)變情況下土體剛度較大的特點(diǎn)，在軟土地區(qū)以正常固結(jié)粘性土為主的地層具有較好適用性.

(3)地鐵車站主體結(jié)構(gòu)與附屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化，在二維計(jì)算中，不計(jì)算車站內(nèi)部的縱橫梁、樓梯開洞等局部影響.主體結(jié)構(gòu)中的地墻、頂板、中板、底板、側(cè)墻厚度分別為0.8 m、0.9 m、0.4 m、1.0 m、0.7 m，材料參數(shù)為C35混凝土；中柱按柱距將剛度等效以符合平面應(yīng)變計(jì)算原理，圍護(hù)地墻與主體箱形結(jié)構(gòu)連接采用只受壓的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)錨桿來模擬，其材料參數(shù)也取C35混凝土.

(4)車站上方車輛以超載形式考慮，荷載為20 kPa；地塊基坑開挖施工車輛荷載等超載也取為20 kPa.

(5)對(duì)地塊構(gòu)筑物中不進(jìn)行上部結(jié)構(gòu)建模，地下室頂板、底板暫定為0.6 m，頂板厚度考慮到上部結(jié)構(gòu)物的整體剛度，尤其是梁板體系在平面內(nèi)剛度.地下室柱子按400厚板考慮，一為上部結(jié)構(gòu)整體剛度大，二為地下室結(jié)構(gòu)體系受力不屬于本評(píng)估中次要考慮內(nèi)容，只需將上部結(jié)構(gòu)荷載傳入地基土層中.

(6)地基土初始應(yīng)力采用K0法生成，K0系數(shù)來自地鐵車站地勘報(bào)告.3層商業(yè)樓荷載標(biāo)準(zhǔn)值等效為45 kPa均布荷載，11層住宅樓荷載標(biāo)準(zhǔn)值等效為165 kPa均布荷載.

(7)地基土體的HS-small力學(xué)參數(shù)如表1所示.

表1 土層參數(shù)表

3.2 有限元三維分析

采用有限元法分析盾構(gòu)施工期間對(duì)周邊建筑物結(jié)構(gòu)的影響.本文采用Plaxis3D對(duì)盾構(gòu)法施工的擬建地鐵區(qū)間與周邊建筑進(jìn)行有限元分析.Plaxis3D多用于復(fù)雜巖土工程項(xiàng)目分析中，特別適應(yīng)于盾構(gòu)隧道施工與周邊建筑物相互作用、大型基坑與周邊環(huán)境相互影響等工程.建立如圖3所示盾構(gòu)區(qū)間施工影響模型.

模擬盾構(gòu)施工時(shí)引起的地表沉降結(jié)果如圖 4所示.其中最大總位移為14.32×10-3m.

盾構(gòu)施工引起的地層總位移云圖如圖 5所示.其中盾構(gòu)區(qū)間中心位移最大，在14×10-3～15×10-3m 之間.

盾構(gòu)施工引起的結(jié)構(gòu)總位移圖如圖6所示.

以上有限元分析表明，盾構(gòu)區(qū)間引起的地表沉降約14.3 mm，與數(shù)值計(jì)算18.3 mm基本吻合.

圖4 盾構(gòu)施工引起的地表沉降分析圖

圖5 盾構(gòu)施工引起的地層總位移云圖

圖6 盾構(gòu)施工引起的結(jié)構(gòu)總位移圖

數(shù)值計(jì)算由于實(shí)際土質(zhì)條件排水固結(jié)，計(jì)算結(jié)果相對(duì)于實(shí)際來看偏大；而有限元分析在地面荷載估算較粗，且不考慮基坑降水的情況下，計(jì)算結(jié)果偏小，但從整個(gè)計(jì)算施工期間引起本項(xiàng)目結(jié)構(gòu)位移小于1 mm.

4 結(jié)論

目前，在城市地鐵施工中，盾構(gòu)法是廣泛采用的一種施工方法.因此，地鐵盾構(gòu)施工所引起的地表沉降及其對(duì)鄰近建筑物的影響成為廣泛研究的課題.通過本次研究，可得以下結(jié)論：

(1)地鐵隧道在使用盾構(gòu)法開挖時(shí)會(huì)導(dǎo)致地表沉降.在淺埋情況下，隧道埋深范圍內(nèi)的建筑物基礎(chǔ)需要進(jìn)行必要處理；2倍隧道埋深范圍外的建筑物一般不會(huì)受到施工影響.

(2)使用三維仿真技術(shù)可以分析盾構(gòu)施工對(duì)地層的影響，影響結(jié)果與數(shù)值計(jì)算法基本一致.

(3)地塊基坑開挖降水車站主體水位波動(dòng)不大，或降水不影響坑外降水，分析中沒有考慮地塊基坑降水影響，這個(gè)假設(shè)對(duì)結(jié)果有一定的影響，若能考慮這個(gè)因素，分析結(jié)果將更精確.

[1]黃潤秋, 戚國慶. 地鐵隧道盾構(gòu)法施工對(duì)環(huán)境的影響研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào). 2003(S1): 350-354.

[2]趙保建. 盾構(gòu)法地鐵施工的數(shù)值模擬及對(duì)鄰近建筑物影響的研究[D]. 天津: 天津大學(xué), 2007.

[3]韋良文, 張慶賀, 孫統(tǒng)立, 等.盾構(gòu)隧道開挖面穩(wěn)定研究進(jìn)展[J]. 重慶交通大學(xué): 自然科學(xué)版, 2007, 26(6): 67-71.

[4]張社榮, 田新星, 王剛, 等. 軟土地區(qū)盾構(gòu)法隧道施工三維數(shù)值模擬[J]. 地下空間與工程學(xué)報(bào), 2012, 8(4): 807-814.

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[6]彭暢. 盾構(gòu)隧道施工對(duì)地層及建筑物影響的數(shù)值分析[D]. 武漢: 華中科技大學(xué), 2007.

[7]季大雪. 武漢長江隧道盾構(gòu)下穿武九鐵路沉降影響分析[J].鐵道工程學(xué)報(bào), 2009(10): 59-63.

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[9]殷宗澤. 土工原理[M]. 北京: 中國水利電力出版社, 2007.

(責(zé)任編校：陳健瓊)

The Influence Applied to Surrounding Environment lnduced by the Construction of Tunnel

TIAN Weiming1, WU Bingqi2, HUANG Shuqi1
(1. Chongqing Tele-communication Polytechnic College, Chongqing 402247, China; 2. Wuxi Metro Group LTD, Wuxi, Jiangsu 214000,China )

The shield method is of the characteristics of high mechanization degree, safety, fast progress and so on, which is the first choice for the construction method of metro tunnel. However, the existence of surrounding buildings, is making the impact on the surrounding buildings in the construction process that should be strictly controlled. In view of the influence of the construction area surrounding buildings settlement of the shield tunnel excavation process, three-dimensional numerical simulation by means of a project under construction, analysis of simulation results show that the shield effect on the surrounding buildings and the distance and the weight of the building. In this paper, the influence of shield tunneling on surrounding buildings is analyzed by 3D simulation of a certain construction project, which has a certain guiding role in the construction of subway construction.

shield method; numerical simulation; surrounding buildings; settlement

U459.3

A

10.3969/j.issn.1672-7304.2017.05.0005

1672–7304(2017)05–0023–04

2017-09-10

重慶市教委科技項(xiàng)目(KJ1753489)；重慶市教委高等職業(yè)技術(shù)院校新技術(shù)推廣項(xiàng)目(GZTG201619)

田衛(wèi)明(1986-)，男，湖南岳陽人，工程師，碩士，主要從事地基基礎(chǔ)、巖土與隧道工程研究.E-mail: tianweiming2010@163.com