隧道盾構施工對地面建筑影響分析

徐奧妮, 姜春琳

(解放軍理工大學國防工程學院, 江蘇南京 210007)

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隧道盾構施工對地面建筑影響分析

徐奧妮, 姜春琳

(解放軍理工大學國防工程學院, 江蘇南京 210007)

文章結合某隧道施工工程，研究分析盾構施工對地面五層規則框架式老舊磚混建筑結構的受力與變形情況，利用ANSYS創建三維地面建筑結構、地層和隧道一體化模型，研究在單線盾構推進過程中地面磚混建筑結構的差異沉降以及墻、板的應力與沉降的變化規律。

隧道；盾構施工；差異沉降；數值模擬；磚混結構

1　隧道盾構施工對周圍建筑物影響的研究現狀

目前關于隧道盾構施工對周圍建筑物影響的研究并不多，大部分學者是通過有限元來模擬分析。孔秋珍(2007)[1]、葛世平(2008)[2]和姜忻良(2008)[3]運用有限元軟件 ANSYS三維有限元模擬，研究計算了盾構法地鐵隧道穿越建筑物時對地面上部建筑物自身沉降和內力的影響。當隧道穿越處于地面沉降槽凹凸區上部建筑時，上部建筑底部受壓、頂部受拉，對其引起的長期沉降進行了預測。魏綱(2009)[5]和何永禮(2010)[6]針對隧道下穿地面建筑時的圍巖穩定問題，分析了不同的建筑尺寸、建筑位置、建筑荷載在不同的埋深和圍巖條件下地面建筑對隧道的影響規律。當建筑與隧道的相對位置不同時，隧道對建筑的影響大小也不同。徐明(2014)[7]對盾構隧道施工過程中數個地表沉降監測斷面和多棟房屋的沉降情況進行系統的現場監測，揭示出房屋剛度對房屋自身變形有很大影響，不考慮房屋剛度得到的沉降預測結果可能與實際情況相差較大；同時，采用能夠考慮土體小應變剛度特性的數值模擬，進一步揭示隧道開挖過程中房屋剛度對地表下方深層土體變形的影響，并討論這種復雜的隧道開挖一土體一房屋相互作用的機制。張楊(2015)[8]通過分析南昌市軌道交通2號線一期工程某標段區問隧道影響的工程實例，對既有老式建筑的地基和主體結構的變形進行預測，以避免盾構施工時發生安全事故，同時也為類似工程施工提供理論依據和實踐經驗，以確保周邊環境的安全和盾構隧道順利施工。

2　盾構隧道施工中地面房屋結構安全性的分析

2.1盾構隧道-基礎-地面房屋結構一體化建模

本文采用數值分析結合現場實測的方法進行分析，以現場實測數據為基礎和前提，得到巖石的基本力學參數，建立符合實際情況的ANSYS三維有限元模型，分析在盾構施工等各種效應的影響下上部建筑的位移和應力分布規律，并由此判定上部建筑、周圍土體和盾構隧道的穩定性，以此作為評價地鐵下穿建筑物穩定性評價的依據。通過數值分析，綜合評價地鐵下穿建筑物的穩定性，得到有益的規律，為工程快速安全施工提供有力支持。

為研究盾構隧道施工中地面房屋結構安全性，分析圍巖和建筑物的應力、變形規律，建立三維數值模型進行計算。在建模過程中對計算區域作了以下假定：依據相關文獻,隧道開挖會對周圍3～5 倍范圍(即相對開挖斷面寬度而言)產生影響，為減小邊界效應的影響，根據隧道開挖影響范圍的大小，沿隧道的走向(縱向Z軸)取50 m，與隧道正交的水平方向(橫向X軸)取90 m，豎直方向(Y軸)取70 m，隧道埋深20 m。圍巖、圍巖加固層、建筑物采用Solid45單元，襯砌支護結構采用Shell63單元。除去建筑物外的所有線條分成10份，大多數圍巖采用六面體8結點單元模擬，建筑物以及與建筑物相接觸的那一部分圍巖采用四面體4節點單元模擬，隧道支護結構采用殼單元模擬。計算模型的邊界條件是以上部為自由邊界，其余各側面和底面為法向約束邊界。具體模型見圖1～圖3。

圖1　隧道開挖三維模型

圖2　三維網絡劃分

圖3　隧道主體

根據隧道工程地質勘察報告，并參照JTG D70-2004《公路隧道設計規范》，得到土體與支護結構、房屋結構的物理力學參數，如表1所示。

2.2盾構掘進中房屋墻、板應力及沉降變化規律

隧道按2.5 m、5 m、10 m等3種施工步進行開挖，加上加載初始地應力，共分為6個施工步。房屋距離開挖洞口沿著Z軸方向10 m,距離隧道主體豎直方向20 m。

表1　圍巖和支護結構物理力學參數

為了分析墻板應力應變變化規律，取5層房屋模型的3個具有代表性的節點進行分析。其中墻點取2層中點和4層中點2個點，這2點的節點號是83 755和84 499,分別定義為①號和②號(圖4)。而板則是取頂層樓板中點進行分析，節點號為85 570(圖5)。取的點可能不能很好地反應整體的應力應變規律，但是在局部仍然具有參考價值。

圖4　墻正面節點

圖5　板俯視面節點

2.2.1墻板沉降變化分析

當施工步為2.5 m時墻體的應變變化明顯比板的要小，但是兩者的變化趨勢是一致的，都是逐漸減小，且會出現波動。墻的沉降變化大概在14.5～14.9 mm之間，而板的則是15.4 mm，并且趨于平穩。當施工步為5 m時，板和墻的沉降基本一致，都是在15.2 mm左右，而且呈線性減小。當施工步為10 m時，板和墻的沉降隨著隧道的推進與時間呈線性增加，墻的沉降在15.4 mm左右，而板的沉降則明顯比墻的小，大約在15 mm左右。綜上3種情況，可以看出施工步越小，房屋的各種性能越穩定，應盡量選擇合適的施工步去施工。

2.2.2墻板應力變化分析

由模擬數據可知，各個施工步的應力變化曲線與沉降變化曲線基本一致，故不多加討論。

2.3盾構掘進中房屋差異沉降分析

差異沉降一般是指同一結構體中相鄰的兩個基礎沉降量的差值，是反映土木工程結構地基的變形特征的重要指標。如果差異沉降過大，就會使相應的上部結構產生額外應力，當超過一定限度，將會產生裂縫、傾斜，甚至破壞。

砌體結構主要受差異沉降的影響，當地表的差異沉降很大時，會在砌體內部產生很大的拉應力，而砌體結構的抗拉能力較低，會導致結構開裂甚至破壞[9]。隧道在掘進過程中，地表上各點的豎向位移的變化趨勢基本上是一致的。由于分3種施工步，本次分析僅取施工步為5 m進行分析。當盾構下穿上部建筑時，開挖的第3～5開挖步，整個地表迅速下沉，最大下沉量為 15.4 mm，即隧道下穿上部建筑時地表處于快速下沉階段；而當隧道開挖結束時，地表處于平穩狀態，既不下沉也不隆起的狀態，地表變化不大；在整個的開挖過程中，地表的最小沉降為12.2 mm，而最大沉降值為-15.4 mm，最大沉降值滿足工程的允許沉降值10～20 mm的控制標準，因此不需要對上部建筑基礎進行加固處理。

取斷面(z=0、z=15 m)上的地表各個關鍵點分析盾構掘進中房屋差異沉降的變化。由于房屋相對于土體比較穩定，所以沉降變化都不大。當施工步為2.5 m時，z=0，由地表沉降圖可以看出，沉降隨時間變化呈線性變化，具體變化不大，基本在15.3 mm左右。當z=10 m時，可以明顯的看出，沉降趨勢與z=0時相同，只不過沉降減小了1.3 mm，此時房屋的差異沉降為1.3 mm。可能是由于在施工步的情況下，隧道已經穿過房屋，隧道反彈導致沉降減少。

目前在實際工程中，一般規定盾構法施工引起的允許地面沉降值為30 mm。數值計算表明，盾構隧道開挖過程中，隧道周圍土體經歷先擠壓后應力釋放的過程，而最終沉降趨于平穩基本維持在15 mm，符合要求。

2.4地表圍巖應力變化規律分析

隨著隧道施工的進行可知圍巖應力發生重新分布，待穩定后逐漸趨于穩定。通過對隧道不同施工步開挖的分析研究，可以得到，圍巖的豎向應力最終與開挖時間形成線性變化。而房屋周圍的地表產生的應力明顯比距離房屋遠處要大很多，說明隧道在穿越地表建筑物時，會明顯的產生差異變化。所以當隧道穿越建筑物時，要特別注意地應力的變化。加強房屋下地層的加固，以免產生房屋應力的過度變化，導致裂隙的產生。

而不同的施工步也會產生不同的地應力的變化，隨著施工步的增加地應力變化也相應的增大，這就要求在隧道推進時，不要一次推進過大，過大的開挖會產生大的應力差異變化。適中的推進速度，不僅可以減小應力的變化，而且還可以很好地穩固地層。

3　結論

本文通過對地下隧道建設以及地上5層老舊建筑的三維模擬，得到了一系列結果，分析總結了盾構施工過程中周圍土體的變形規律，分析了地鐵隧道開挖對下穿建筑物的影響，得到如下結論。

簡化的上部建筑-地層-隧道三維一體化建模，對其進行的數值分析和實際情況較為吻合，可以作為實際工程設計和施工的依據；對隧道開挖過程中影響上部建筑物穩定性的因素以及判斷尺度進行分析，得出地表沉降是判定主要依據，而房屋裂縫、傾側等是地表沉降在房屋破壞上的體現；在現有的技術條件下，盾構隧道開挖對上部建筑的會產生影響，但是可以保證上部建筑的安全使用；處于安全的考慮，需要對上部建筑采取一定的穩定性控制措施，可以采用樁基托換、建筑物本體加固等措施，保證建筑結構的穩定。

本文存在的不足之處有：建筑模型較為簡化，沒有考慮砌體結構的各項異性與脆性破壞，和實際情況不相符，需要進一步完善；實際工程中，土體瞬時沉降的同時還伴隨著排水固結沉降，還有待于進一步改善；需要考慮盾構管片接頭的轉動效應和盾尾部位注漿材料在施工中由液態向固態轉化的凝固過程，較好地反映盾構隧道各施工階段的力學性態和變形形態，使結果更接近實際施工情形還需要作進一步的研究。就分析而言，對本研究的模擬主要是通過各個監測點的差異沉降和內力即應力應變的變化來確定其穩定性的，對建筑物的剛度以及抵抗變形的作用并沒有進行充分考慮，會導致實驗模擬數據存在一定的不合理性。

[1]孔秋珍，謝鋒.城市淺埋隧道施工對地面房屋影響的數值計算[J]．重慶交通大學學報：自然科學版，2007(26)：30-34.

[2]葛世平，廖少明.地鐵隧道建設與運營對地面房屋的沉降影響與對策[J]．巖石力學與工程學報，2008，27(3)：550-556.

[3]姜忻良，賈勇．地鐵隧道施工對鄰近建筑物影響的研究[J]．巖土力學，2008(11)：3047-3052.

[4]于寧，朱合華.盾構施工仿真及其相鄰 影響的數值分析[J]．巖土力學，2004，25(2)：293-296.

[5]魏綱，裘新谷.鄰近建筑物的暗挖隧道施工數值模擬[J]．巖土力學，2009，30(2)：547-552.

[6]何永禮．地面建筑對下穿隧道圍巖穩定的影響研究[D]．徐州：中國礦業大學，2010.

[7]徐明，鄒文浩，章龍管.房屋剛度對隧道開挖引起的土體變形的影響[J].巖土力學與工程學報，2014，33(4)；839-847.

[8]張楊，林本海，牛九格.地鐵盾構隧道施工對既有老式建筑的影響分析[J].廣東土木與建筑，2015(4)；56-60.

[9]王濤，徐日慶.隧道施工對鄰近砌體結構影響的數值分析[J].地下空間與工程學報，2008，5(6)；47-50.

徐奧妮(1992～)，女，在讀碩士研究生，研究方向為防災減災工程與防護工程。

姜春琳(1992～)，女，在讀碩士研究生，研究方向為防災減災工程及防護工程。

U455.43

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[定稿日期]2016-03-09