盾構(gòu)隧道施工對周邊建筑物影響數(shù)值計(jì)算分析

吳強(qiáng) 傅了一

【摘要】本文對深厚軟土地基地鐵盾構(gòu)隧道施工引起地面沉降及鄰近建筑物的變形規(guī)律開展了三維有限元模擬研究，通過對不同加固工況的對比研究，分析不同加固措施對盾構(gòu)施工引起變形的控制效果。結(jié)果表明，在不采取加固措施的條件下盾構(gòu)隧道施工將引起地面的較大沉降變形，同時會是鄰近建筑物的沉降超過規(guī)范允許值。通過洞內(nèi)加固的措施可以較好地控制地基變形及建筑物的沉降，且具有較好的經(jīng)濟(jì)性。

【關(guān)鍵詞】盾構(gòu)隧道施工

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.27.

1、引言

盾構(gòu)施工過程中，原來處于穩(wěn)定狀態(tài)的地層中，開挖隧道將導(dǎo)致地層周圍土體原始應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，使周圍土體出現(xiàn)卸載、加載等復(fù)雜的力學(xué)行為，土體的極限平衡狀態(tài)受到破壞，從而對土體產(chǎn)生擾動，引起地層變形。

已有的研究結(jié)果表明，盾構(gòu)法隧道施工時地層移動的規(guī)律有明顯的三維空間特征，這類三維空間變形有其形成過程。以隧道軸線上方地表點(diǎn)的時程變形曲線為例，由圖1可將地層移動的行程過程概括為四個階段：前期變形、盾構(gòu)通過時的變形、盾構(gòu)脫離后的變形和后續(xù)階段的變形，任意點(diǎn)的總變形量為四個階段發(fā)生的變形量之和。因此，有必要建立三維模型來分析盾構(gòu)隧道開挖對建筑物的影響。

擬建杭紹城際鐵路香衙區(qū)間風(fēng)井至衙前站區(qū)間隧道需近距離側(cè)穿眾多地面建筑物，盾構(gòu)鄰近施工將對周邊建筑物產(chǎn)生的影響。若控制措施不當(dāng)，將使建筑產(chǎn)生過大的不均勻沉降，從而對建筑結(jié)構(gòu)安全產(chǎn)生威脅。根據(jù)設(shè)計(jì)成果，以盾構(gòu)隧道施工對某住宅樓的影響為例進(jìn)行計(jì)算分析，對盾構(gòu)施工過程中的加固及沉降變形控制措施進(jìn)行分析研究，為實(shí)際施工提供參考。該住宅樓主要以5層磚混結(jié)構(gòu)，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查推測基礎(chǔ)主要采用沉管灌注樁，圖2是該幢住宅樓與盾構(gòu)隧道之間的橫斷面的相互位置關(guān)系。本次計(jì)算分析采用大型巖土有限元分析軟件FLAC3D對雙線盾構(gòu)隧道小凈距側(cè)建筑物進(jìn)行仿真分析，同時對盾構(gòu)隧道內(nèi)、外加固措施進(jìn)行了模擬。

2、有限元模型

2.1 模型概況

根據(jù)盾構(gòu)隧道與建筑之間的關(guān)系以及施工加固措施建立三維分析模型，共67366個單元，如圖3所示，Y方向?yàn)樗淼垒S線方向，Z軸為深度方向，X軸為寬度方向。模型X方向長120 m，Y方向?qū)?00 m，Z方向深40 m。為了提高計(jì)算速度，沿橫向距離隧道軸線方向越遠(yuǎn)網(wǎng)格越稀疏，同樣沿豎向距離隧道底部越遠(yuǎn)網(wǎng)格越稀疏。土體各側(cè)面分別設(shè)垂直于該側(cè)面的水平約束，底面設(shè)豎向約束，上表面自由。隧道土層至上而下分別是雜填土、粘質(zhì)粉土、淤泥質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土夾粉土和全風(fēng)化凝灰?guī)r，采用Mohr-Coulomb理想彈塑性模型進(jìn)行模擬。

2.2 計(jì)算工況

為了綜合分析不同加固措施下盾構(gòu)施工對臨近建筑物的影響，本報(bào)告對三種不同工況進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，分別是：

（1）盾構(gòu)正常施工，不采取加固措施;

（2）施工前采取洞內(nèi)加固措施，通過預(yù)注漿在隧道周邊形成一圈3m的加固圈;

（3）施工前采取洞外加固措施，通過在建筑物進(jìn)行袖閥管預(yù)加固。

2.3 計(jì)算結(jié)果分析

不同工況下盾構(gòu)隧道掘進(jìn)過程中地面的沉降變形規(guī)律如下圖所示，從圖中可以看到，隨著盾構(gòu)隧道的不斷掘進(jìn)，地基豎向和水平向的變形逐漸累積增加。不同工況之間的對比結(jié)果表明，隨著加固措施的增加，對盾構(gòu)施工引起的沉降變形的控制效果也更好。不同工況下周邊建筑的最新沉降量和最大差異沉降如表1所示。從圖中可以看到在不采取加固措施條件下盾構(gòu)隧道掘進(jìn)過程中會使建筑物產(chǎn)生超過規(guī)范允許的沉降變形。

結(jié)論：

本文通過三維有限元模擬不同工況下盾構(gòu)隧道施工對周邊建筑的影響規(guī)律，研究結(jié)果表明，工況二和工況三的加固措施均能滿足建筑物變形控制要求，考慮實(shí)際施工的可行性和減小地表擾動的需要，使用洞內(nèi)加固措施來對該建筑物進(jìn)行保護(hù)，并在施工過程中應(yīng)及時對房屋進(jìn)行監(jiān)測、檢測，防止事故的發(fā)生，以滿足工程建設(shè)經(jīng)濟(jì)性和安全性的要求。

參考文獻(xiàn)：

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