地鐵盾構(gòu)隧道下穿及側(cè)穿既有高層建筑物影響研究

張玉華

（中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300142）

城市地鐵穿越建筑物的情況很多，為了防止災(zāi)害事件的發(fā)生，目前普遍采用盾構(gòu)法來進(jìn)行隧道施工，盡管如此，盾構(gòu)施工對(duì)建筑物也會(huì)帶來一定影響[1]。本文根據(jù)某地鐵盾構(gòu)下穿及側(cè)穿既有高層建筑物的實(shí)際工程情況，運(yùn)用有限元模擬軟件建立三維數(shù)值模型[2]，分析盾構(gòu)下穿和側(cè)穿兩種工況對(duì)地表沉降的影響。通過該計(jì)算分析，給出影響地表沉降的關(guān)鍵步序和部位。

1 工程概況

某地鐵盾構(gòu)下穿及側(cè)穿3棟既有高層建筑物，其中2棟11層、1棟15層。其中一棟11層建筑位于擬建盾構(gòu)隧道正上方，主體為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)為鉆孔灌注樁，樁徑0.65 m，長約27 m。地鐵盾構(gòu)設(shè)計(jì)外徑6.2 m，管片厚度350 mm，隧道左右線設(shè)計(jì)間距12 m。見圖1和圖2。

圖1 隧道與建筑物平面位置

圖2 隧道與建筑物相互位置關(guān)系剖面

2 數(shù)值計(jì)算

2.1 計(jì)算模型

采用有限元軟件MIDAS GTS建立模型，以地鐵隧道的軸線方向?yàn)閄軸，其垂直方向?yàn)閅軸，豎直方向?yàn)閆軸。為消除模型邊界效應(yīng)，基坑以外四面再取4倍的開挖深度[3]，X軸方向取320 m，Y軸方向取248 m，Z軸方向取65 m，計(jì)算采用8節(jié)點(diǎn)六面體單元[4]，共劃分單元44 226個(gè)。見圖3和圖4。

圖3 幾何模型

圖4 整體模型

采用修正摩爾-庫倫本構(gòu)模型[5]。地表為自由邊界，土體四周為法向約束，底面約束其豎向位移[6]。結(jié)合工程地質(zhì)勘查資料，土體及結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)見表1和表2。

表1 結(jié)構(gòu)體設(shè)計(jì)參數(shù)

表2 土體及結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)

2.2 分析步設(shè)置

為準(zhǔn)確模擬盾構(gòu)對(duì)既有建筑物的影響，采用動(dòng)態(tài)模擬施工過程的計(jì)算方法[7]，共設(shè)置45個(gè)計(jì)算步驟，模擬盾構(gòu)推進(jìn)的全過程。見表3。

表3 分析步設(shè)置

3 計(jì)算結(jié)果分析

計(jì)算結(jié)果見圖5-圖7。

圖5 隧道施工完成后土體沉降結(jié)果

圖6 隧道施工完成后建筑物沉降結(jié)果

圖7 土體及建筑物隨隧道開挖過程最大沉降值

由圖5-圖7可知：土體整體以沉降為主，沉降在左線推進(jìn)至建筑物正下方時(shí)達(dá)到最大值，為9.7 mm；既有建筑物變形也以沉降為主且變形規(guī)律隨著盾構(gòu)推進(jìn)階段及距離盾構(gòu)隧道的橫向距離而變化[8]。

3號(hào)樓和6號(hào)樓距離左線較近，故在左線開挖過程中變形較為明顯，在左線推進(jìn)結(jié)束后最大沉降值分別為4.55、3.49 mm；而在右線開挖過程中變形保持穩(wěn)定，在盾構(gòu)推進(jìn)完成后最終沉降值分別為4.59、3.34 mm。3號(hào)樓距右線隧道橫向凈距約為3倍洞徑，可以從側(cè)面說明，當(dāng)盾構(gòu)隧道距離建筑橫向凈距＞3倍洞徑時(shí)，幾乎對(duì)其無影響。7號(hào)樓位于左右線正上方，在左右線推進(jìn)至7號(hào)樓正下方時(shí)，變形均出現(xiàn)較大變化，左線推進(jìn)至7號(hào)樓正下方時(shí)最大沉降值為3.43 mm，左線推進(jìn)結(jié)束后最大沉降值為6.76 mm，右線推進(jìn)至7號(hào)樓最下方時(shí)最大沉降值為7.73 mm，右線推進(jìn)結(jié)束后最終沉降值為8.44 mm。建筑物在盾構(gòu)穿過其正下方時(shí)變形速率最大，在盾構(gòu)通過后，由于土體固結(jié)作用，繼續(xù)產(chǎn)生一定沉降。

4 結(jié)論與建議

1）盾構(gòu)法下穿或側(cè)穿既有建筑物的施工影響總體可控，但應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注建筑物正下方隧道施工時(shí)，7號(hào)樓變形情況，加強(qiáng)監(jiān)測(cè)并在盾構(gòu)穿過建筑物之后，繼續(xù)監(jiān)測(cè)建筑物變形情況，直至穩(wěn)定。

2）隧道施工過程中，建筑物整體變形以沉降為主且在開挖至建筑物正下方時(shí)變形速率最大。

3）建筑物橫向距離隧道越近，其變形受隧道施工影響越大，建議在條件允許情況下，將盾構(gòu)隧道與既有建筑物橫向凈距設(shè)計(jì)為＞3倍洞徑。