TBM 下穿施工對鄰近建筑物影響分析

趙明春，張永娟，李樹光，孔德森，李鎖在

（1.中鐵三局集團第四工程有限公司，北京市 102300；2.山東科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，山東 青島 266590）

0 引言

目前，國內(nèi)外大量學(xué)者對隧道下穿建筑物的影響進行了深入研究，研究方法有理論分析[1]、數(shù)值模擬[2]、試驗研究[3]、現(xiàn)場實測[4]分析等。

戴軒等[5]以實際工程為背景，通過現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)分析和三維有限元數(shù)值模型，研究了盾構(gòu)平行穿越引發(fā)的建筑物空間變形規(guī)律，并分析了不同建筑物平面長寬比的影響；魏綱等[6]通過分析現(xiàn)場實測沉降數(shù)據(jù)，研究了雙線盾構(gòu)隧道施工對不同位置、不同結(jié)構(gòu)建筑物沉降規(guī)律的影響；路平等[7]采用三維數(shù)值模擬分析和現(xiàn)場監(jiān)測驗證的方法，研究了平行雙線隧道的穿越形式對砌體建筑物沉降與傾斜規(guī)律的影響；孫鶴明等[8]利用數(shù)值模擬與現(xiàn)場監(jiān)測的方法，對復(fù)合地層雙線TBM 隧道施工影響下單棟建筑物的變形及力學(xué)特性進行了研究。

研究隧道下穿對上部建筑物產(chǎn)生的影響已有較豐富的成果，但目前研究大多只針對上部單棟建筑物的變形影響規(guī)律，其結(jié)構(gòu)形式較為簡單，而在實際穿越工程中往往會遇到穿越不規(guī)則建筑物和建筑物緊鄰的情況，相鄰建筑物之間通常會互相影響，使建筑物的變形規(guī)律不同于單棟建筑物。另外，目前在隧道下穿對上部建筑物的影響研究成果中，有關(guān)盾構(gòu)機在砂土、粉土、軟巖地層中施工對上部建筑物的影響研究相對較多，而對于雙線TBM 隧道在復(fù)合地層中施工對建筑物的影響研究還不多見。

本文以青島地鐵2 號線工程為背景，利用有限元軟件分別建立了雙線隧道下穿2 棟相鄰且不規(guī)則的磚混結(jié)構(gòu)建筑和斜下穿1 棟框架結(jié)構(gòu)建筑的三維數(shù)值模型，分析了2 類建筑物的存在對地表沉降的影響規(guī)律和TBM 下穿施工引起的建筑物沉降變形規(guī)律，以期為類似工程施工提供依據(jù)。

1 工程概況

區(qū)間線路出青島輪渡有限公司南側(cè)輪渡站后，下穿七八一一廠6 棟1～3 層廠房，建筑物無地下室，但廠內(nèi)有大量精密儀器，對變形控制要求較高。地層條件由上到下依次為素填土、強風(fēng)化花崗巖上亞帶、強風(fēng)化花崗巖下亞帶、中等風(fēng)化粗粒花崗巖、微風(fēng)化粗?；◢弾r，TBM 在微風(fēng)化花崗巖中掘進。

隧道與建筑物的平面位置關(guān)系圖、剖面關(guān)系圖見圖1、圖2。

圖1 隧道與建筑物平面位置關(guān)系圖

圖2 隧道與建筑物剖面關(guān)系圖（單位：m）

2 數(shù)值模擬方案確定

根據(jù)本段工程特點，建筑物下穿模擬選取磚混建筑①、②和3 層框架結(jié)構(gòu)建筑物這3 棟建筑來進行，分別建立2 個模型。模型1 為建筑物①、②的下穿模擬，如圖3 所示；模型2 為3 層框架結(jié)構(gòu)建筑的下穿模擬，如圖4 所示。此處地層變化不大，為簡化計算，選取相同地層參數(shù)。

圖3 模型1 磚混結(jié)構(gòu)整體圖

圖4 模型2 框架結(jié)構(gòu)整體圖

模型中假設(shè)地層為均質(zhì)，因地層中節(jié)理裂隙較少，巖層滲透性較差，忽略巖石中的滲流，主要分析下穿擾動對建筑物的影響。

取模型1 和模型2 的土體尺寸為：沿隧道開挖方向130 m、沿隧道橫向280 m、豎直方向50 m，故土體尺寸為280 m×130 m×50 m，地層材料采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型。

建筑物①、②分別為1 層和3 層磚混結(jié)構(gòu)建筑，基礎(chǔ)形式為條形基礎(chǔ)；七八一一廠3 層框架結(jié)構(gòu)建筑的基礎(chǔ)形式為柱下獨立基礎(chǔ)，建筑物采用彈性模型?？蚣芙Y(jié)構(gòu)建筑物因其梁柱為主要受力構(gòu)件，因此框架結(jié)構(gòu)采用線單元，并賦予相應(yīng)的截面尺寸。磚混結(jié)構(gòu)建筑物采用實體單元。

在施工過程中，對于盾尾空隙、土體向盾尾空隙的自然填充及注漿后漿體的分布情況等這些影響圍巖穩(wěn)定性的因素往往是難以量化的，因此將它們概化為均質(zhì)、等厚、彈性的等代層，其中等代層的厚度取盾殼厚度、超開挖間隙、操作空間這三者加和后的折減值，以等代層來模擬TBM 壁后注漿。

數(shù)值模擬方案中各部件物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 各部件物理力學(xué)參數(shù)

襯砌和反映施工質(zhì)量的等代層采用彈性模型，襯砌外徑6 m，等代層外徑6.3 m。

TBM 取主機長度13 m，將TBM 自重等效為盾殼的密度，對TBM 部件賦予相應(yīng)的密度參數(shù)，材料等效為剛體；TBM 每次掘進長度為3 m，開挖直徑6.3 m；TBM 開挖順序與實際開挖順序保持一致。

模型荷載考慮各部件的自重?？紤]TBM 自重，框架結(jié)構(gòu)建筑物的墻體荷載及其活荷載均等效為相應(yīng)的均布荷載；考慮各層墻體和樓板自重，墻體密度為2 000 kN/m3，施加在相應(yīng)的主次梁上，活荷載大小為2.5 kN/m2。

3 數(shù)值計算結(jié)果分析

模型1 監(jiān)測路徑如圖5（a）所示。地表監(jiān)測路徑沿隧道橫向取C1、C2。建筑物監(jiān)測路徑為E1、E2、E3；H1、H2、H3；F1、F2、F3；K1、K2、K3。

模型2 監(jiān)測路徑如圖5（b）所示。地表監(jiān)測路徑沿隧道橫向取D1、D2。建筑物監(jiān)測路徑為L1、L2、L3；W1、W2、W3。

圖5 監(jiān)測路徑

3.1 地表沉降分析

為了研究建筑物的存在對地表沉降的影響，分別提取地表監(jiān)測路徑C1、C2、D1、D2 數(shù)值模擬數(shù)據(jù)，繪制地表沉降曲線如圖6 所示。

由圖6 可見，C1 的沉降曲線與D1 保持一致，并且符合地表沉降規(guī)律，地表最大沉降發(fā)生在兩隧道中心線處，地表沉降最大值為1.26 mm。

圖6 沿隧道橫向地表沉降曲線

在TBM 下穿建筑物階段，由C2 和D2 曲線可見，在C2 曲線中，在距隧道中心線-29 m處，地表沉降值開始出現(xiàn)大于未下穿階段的趨勢，地表沉降的最大值未發(fā)生在兩隧道中心線處，向兩磚混結(jié)構(gòu)建筑物中較大的建筑物所在處偏移，下穿階段地表沉降最大值主要受較高大的建筑物影響。在D2 曲線中，在距離隧道中心線-70 m 到20 m 范圍內(nèi)，地表沉降曲線出現(xiàn)激蕩性的變化，且在距隧道中心線-46 m、-22 m、-11 m、-8 m、-4 m、2.5 m 處出現(xiàn)峰值。初步分析認為，由于框架結(jié)構(gòu)采用獨立基礎(chǔ)，在獨立基礎(chǔ)附近，因基礎(chǔ)與土體的相互作用會出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象；對于條形基礎(chǔ)而言，其抗彎剛度較大，對于調(diào)節(jié)地基不均勻沉降的能力較強，因此，在模型1 的地表沉降曲線中沒有出現(xiàn)如模型2 地表沉降曲線的激蕩變化。模型2 的地表沉降最大值發(fā)生在距隧道中線最近的框架結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)附近，為1.66 mm。

3.2 建筑物沉降分析

3.2.1 相鄰磚混結(jié)構(gòu)建筑物沉降分析

TBM 下穿2 棟相鄰磚混結(jié)構(gòu)的變形云圖見圖7，建筑物沉降變形曲線見圖8、圖9。

圖7 建筑物豎向變形俯視云圖（單位：m）

圖8 沿隧道橫向建筑物沉降曲線

圖9 沿隧道縱向建筑物沉降曲線

由圖7 可見，最大沉降值發(fā)生在建筑物相鄰位置處。由圖8 可見，對于凹凸不規(guī)則的建筑物①，在E1、E2、E3 觀測路徑的沉降曲線中，距離隧道越近的位置沉降量越大，最大沉降并未發(fā)生在兩隧道中心線位置，而是發(fā)生在與建筑物②相鄰的區(qū)域，這與圖6 中地表沉降最大值位置相對應(yīng)。雖然E1、E2 和E3觀測路徑的沉降曲線變化趨勢保持一致，但在發(fā)生最大沉降處，E2 觀測路徑的沉降值大于E1，而在F1、F2、F3 觀測路徑中沒有此種現(xiàn)象發(fā)生。初步分析由于建筑物①為凹凸不規(guī)則建筑，建筑物最大沉降位置受到凸出部分與相鄰建筑物的雙重影響，最大沉降位置向兩疊加的矢量方向偏移，大小為1.28 mm。對于建筑物②，由觀測路徑F1、F2、F3 的沉降曲線也可見，沉降值F1＞F2＞F3，最大變形發(fā)生在與建筑物①相鄰位置處。

由圖9 可見，對于不規(guī)則建筑物①，在H1、H2、H3 觀測路徑中，隨建筑物測點與建筑物下邊緣距離的增加，建筑物沉降值增大，即建筑物沉降值受凸出部分一側(cè)影響，3 條路徑的沉降值均有向凸出部分一側(cè)增大的趨勢。同時可以發(fā)現(xiàn)H1、H2、H3 曲線的斜率均為負值，傾斜程度H1＞H2＞H3，這表明H1 位置處（即兩建筑物相鄰位置處）的建筑物沉降值更容易受到建筑物凸出部分的影響，出現(xiàn)沉降不均勻現(xiàn)象；沉降值H1＞H2＞H3，也表明建筑物最大沉降值出現(xiàn)在兩建筑物相鄰位置。對于規(guī)則建筑物②，在K1、K2、K3 觀測路徑中，K1、K2、K3 斜率均為正值，大小大致相同，建筑物②的沉降值隨著圖9 橫坐標的增大而減小，即距相鄰建筑物越遠，其沉降值越小。

3.2.2 框架結(jié)構(gòu)建筑物沉降分析

TBM 下穿框架結(jié)構(gòu)的建筑物沉降曲線見圖10。

圖10 建筑物沉降變形曲線

由圖10 可見，在靠近隧道一側(cè)，框架柱的沉降值要明顯大于遠離隧道一側(cè)，在W1、W2、W3 觀測路徑中，建筑物最右側(cè)框架柱均出現(xiàn)了縱坐標大于零的情況，因此在遠離隧道一側(cè)的框架柱有隆起現(xiàn)象出現(xiàn)；斜率W1＞W(wǎng)2＞W(wǎng)3，在W1 路徑中建筑物豎向沉降值變化最激烈，在W3 路徑中建筑物豎向沉降值變化最平緩，這說明越靠近隧道一側(cè)，建筑物沉降越大，相應(yīng)的其另一側(cè)隆起也越大，引起建筑物不均勻沉降的程度也越劇烈；在L3 觀測路徑中，所有框架柱都存在隆起現(xiàn)象，且變化范圍不大，由此分析，距隧道超過一定距離后，建筑物的隆起量會趨于一個定值。TBM 開挖引起建筑物最大沉降值為1.61 mm，最大隆起值為0.13 mm。

在實際工程施工中，對于較細長與跨度較大的建筑，要關(guān)注其不均勻沉降帶來的危害。

4 結(jié)語

（1）TBM 下穿2 棟相鄰磚混結(jié)構(gòu)建筑物時，地表沉降的最大值未發(fā)生在兩隧道中心線處，而向兩磚混結(jié)構(gòu)建筑物中較高大的建筑物所在處偏移，下穿階段地表沉降最大值主要受較高大的建筑物影響。TBM 下穿單棟框架結(jié)構(gòu)建筑物時，在下穿階段，建筑物基礎(chǔ)所在位置會出現(xiàn)地表沉降峰值，且距隧道越近，峰值越大。

（2）模型1 建筑物所采用的條形基礎(chǔ)較模型2 建筑物所采用的獨立基礎(chǔ)，其抗彎剛度較大，對于調(diào)節(jié)地基不均勻沉降的能力較強，因此，在受到隧道開挖擾動時，條形基礎(chǔ)的抗變形能力要優(yōu)于獨立基礎(chǔ)。

（3）對于凹凸不規(guī)則的建筑物，建筑物最大沉降值會向凸出部位所在處和相鄰建筑物所在處這兩個方向的疊加方向偏移。對于形狀規(guī)則建筑物，其最大沉降值位置會出現(xiàn)在與另一建筑物相鄰處。

（4）對于細長框架結(jié)構(gòu)建筑物，在遠離隧道一側(cè)建筑物出現(xiàn)隆起現(xiàn)象，靠近隧道一側(cè)建筑物出現(xiàn)沉降，建筑物隆起值隨著與隧道距離的增大而增大，沉降值隨著與隧道距離的增大而減小，距隧道超過一定距離后，建筑物的隆起量會趨于一個定值。