盾構下穿對不同基礎形式建筑物的影響分析

衛 曉 英

(太原市市政工程設計研究院，山西 太原 030002)

近年來城市軌道交通建設飛速發展，地鐵建設的完備程度已經成為衡量一個城市經濟發展程度的重要指標[1]。盾構法施工地鐵隧道，具備無需占用地表土體資源、對地表變形影響小及施工速度快等優點，成為了城市軌道交通建設的一大核心工法。然而，盡管盾構法有著諸多優點，但是由于城市建筑密度大、地下環境復雜，使得盾構施工仍然面臨巨大挑戰[2-5]。其中，如何合理分析及控制盾構施工對地表建構筑物的影響，正是盾構施工過程中需要克服的一大難題。本文以天津某地鐵隧道施工為背景，借助FLAC3D數值仿真軟件模擬盾構隧道施工過程，探究了盾構下穿對不同基礎形式建筑物的影響。

1 工程概況

隧道施工采用土壓平衡盾構法施工，隧道中心線埋深20 m，內直徑為5.4 m，管片厚度0.35 m，管片環寬1.5 m。隧道規劃路線上兩次穿行密集建筑群，由于建筑物眾多，本文僅選取最具代表性的兩座建筑物進行建模。分別為6層高的建筑物A，基礎形式為條形基礎，距離盾構隧道軸線最近處為6.1 m；以及20層高的建筑物B，基礎形式為樁基礎，距離盾構隧道軸線最近處同樣為6.1 m。具體的盾構隧道及建筑物相對位置示意圖如圖1所示。

2 數值模型

2.1 幾何模型

基于以上工程概況，建立如圖2所示的FLAC3D數值計算模型。模型尺寸為90 m×90 m×40 m，其中隧道左側為建筑物A，隧道右側建筑物B。針對于建筑物及其基礎形式做以下幾點說明：

1)建筑物并未完全按照實體建筑建模，而是采用一個厚度為1 m的矩形剛性板代替，對于層高不同的建筑物而言，通過不同的荷載進行區分，按照每層荷載20 kN/m2計算，則建筑物A所需施加荷載為120 kN/m2，建筑物B所需施加荷載為400 kN/m2；2)建筑物A的基礎為條形基礎，采用彈性本構的實體單元模擬，其具體示意圖見圖3；3)建筑物B的基礎為樁基礎，其中承臺采用彈性本構的實體單元模擬，基礎樁采用樁單元模擬，其示意圖見圖4。

2.2 數值參數

本工程土質情況自地表向下分別為3 m厚的雜填土，5 m厚的粉質黏土，6 m厚的黏土夾粉土，以及13 m厚的粉質黏土夾粉土，和其下的粉細砂層，詳細的土體參數總結于表1中。

2.3 模擬過程

本文所分析的問題為考慮盾構穿行對不同基礎形式建筑物的影響，由于數值計算無法模擬盾構施工的連續推進過程，較為常規的模擬方法為跳躍式模擬法，即一環管片為一個施工步，每步掘進過程中分別施加頂推力、注漿壓力及管片添加，整個過程具體描述如下：

1)建立自然土體模型，平衡地應力。2)添加建筑物A、建筑物B及其對應的基礎，并計算至平衡，清零位移場和速度場。3)開始盾構掘進過程，掘進過程中掌子面推力按照實際情況取0.3 MPa，注漿壓力取0.25 MPa。推進過程中管片用Shell單元模擬，注漿體用實體單元模擬，其具體參數見表1。

表1 巖土體材料參數表

3 結果分析

如圖5所示為盾構掘進至不同位置處沿盾構軸線方向的地表沉降曲線，其中建筑物的位置區間為25 m～65 m之間。對比三條曲線可以看出，在盾構機未到達建筑物下時，沉降曲線與常規盾構隧道施工對地表沉降影響的規律較為類似[6,7]，即由掌子面前方到掌子面后方區域，沉降逐漸增大；然而對比盾構機掘進通過建筑物后的沉降曲線可以發現在建筑物區段沉降明顯大于相鄰區域。這說明建筑物上部荷載的存在會進一步增大盾構掘進對地表變形的影響，實際施工過程中，為了減小盾構掘進對類似地段的影響，可以在掌子面未到達建筑物下方時適當提高頂推力，以及在通過建筑物下方時，適量提高盾尾注漿壓力及注漿量，以減小地表沉降。

如圖6所示盾構施工完成后不同斷面的水平沉降曲線，重點對比建筑物前8 m斷面位置處的沉降曲線與建筑物中心斷面處沉降曲線。可以發現二者在距離隧道軸線左右3 m位置處沉降差異較大，即類似于圖5中現象，建筑物存在的區域隧道軸線上方的地表沉降會明顯大于其他區域。此外，在建筑物覆蓋區域，其沉降與不存在建筑物區域類似。上述現象表明，盾構隧道下穿既有建筑物對其沉降的影響主要表現在軸線上方一定范圍內，而對于建筑物本身覆蓋的區域，由于建筑物本身剛度較大或是基礎的存在，其與沒有建筑物區域的差異沉降并非很大。

如圖7所示為盾構施工結束后建筑物的沉降云圖，可以直觀看出，靠近隧道軸線一側的沉降要明顯大于遠離軸線側的沉降。此外，建筑物A的荷載約為建筑物B的3倍多，但是建筑物A的不均勻沉降卻僅比建筑物B的多1 mm左右，這表明盾構隧道在下穿建筑物過程中，荷載大的建筑物并不一定更加危險，由于高層建筑物其基礎形式更為穩定，其對于盾構擾動的抵抗能力也大于普通基礎。因此，在分析盾構下穿施工對既有建筑物影響的時候，要結合具體的基礎形式及荷載狀態，綜合分析對其的影響。

如圖8所示為不同施工步下建筑物的傾斜值曲線，其中盾構下穿建筑物的施工步為17步～43步之間。可以看出當掘進至建筑物前約10 m位置處時，建筑物開始出現不均勻沉降；當掌子面掘進至建筑物下方時，不均勻沉降增長速率開始明顯增大；當盾構機穿越過建筑物后，并掘進一段距離后，不均勻沉降值則逐漸趨于穩定。上述施工現象表明，盾構施工過程中控制建筑物不均勻沉降措施要從掘進面距離建筑物約10 m范圍處開始實行，直至盾構機完全通過建筑物后一定范圍內才可結束。

如圖9所示為盾構掘進過程中建筑物A基礎樁的不同方向的位移響應。數據處理分析發現，距盾構軸線最近的基礎樁頂面位移最大，在此僅以該樁為對象進行分析。據圖9可以看出，樁體垂直于盾構軸線方向的水平位移響應及豎直方向位移與建筑物不均勻沉降隨掘進過程的發展變化規律類似，在此不做贅述。而與隧道軸線方向的位移存在兩個變化過程，即通過建筑物前與通過建筑物后，其位移剛好相反。對比三者量級可以發現，盾構穿行建筑物對基礎樁豎向位移影響最大，垂直盾構軸線的水平向位移次之，與隧道平行方向的水平位移影響最小。

4 結論

本文基于FLAC3D數值模擬，探究了盾構隧道下穿施工對不同基礎形式建筑物的影響，主要得到以下結論：

1)盾構下穿建筑物施工過程中，臨近建筑物區域的地表縱向沉降明顯大于其他區域。2)不同建筑物的不均勻沉降量，不僅僅取決于其上部荷載，還應綜合考慮其基礎形式及承載力進行分析。3)盾構施工對建筑物的影響從掘進面距離建筑物10 m左右范圍內開始，至掘進面離開建筑物10 m左右范圍內結束，相應的沉降控制舉措也應在這一區間范圍內施行。