大直徑盾構穿越棚戶區時導致結構綜合變形及其穩定性研究

段常在（上海中宇工程建設技術有限公司，上海 200080 )

圍繞盾構下穿導致既有建筑結構的變形及穩定性問題，國內外學者也進行了一些有益的研究。Mili Ziano 等[1]對磚石建筑結構建立二維仿真模型進行計算機仿真分析，在隧道施工過程中，黏性土中磚石結構的力學特性會隨開挖過程而發生相應變化，并因此繪制出磚石結構建筑物在隧道開挖過程中相應產生的地表沉降曲線。張海波[2]對西安地鐵盾構隧道施工進行了 FLAC 3D三維數值模擬研究，優化了一系列重要施工參數，對實際現場施工有較大指導作用。劉招偉等[3]以廣州地鐵 2號線為工程依托，對現場實際施工掘進過程和地表沉降規律進行了數值模擬，并將模擬結果與現場實測數據進行對比分析，得出隧道盾構與地表沉降的相互作用關系。

本文以武漢市軌道交通 8號線一期隧道盾構下穿棚戶區項目為工程背景，采用基于有限差分理論的 FLAC 3D進行數值模擬，研究大直徑盾構下穿老舊棚戶區時導致結構綜合變形及其穩定性變化規律。

1 大直徑盾構開挖對地層擾動機理

大直徑盾構下穿老舊棚戶區開挖會對地層造成較大的擾動，究其主要原因是盾構在下穿施工過程中造成周圍巖土層的初始應力狀態發生改變、地層發生損失、土顆粒的固結和次固結等[4]，其中超大直徑盾構下穿施工引發的周圍巖土層擾動和發生破壞的重塑土再次產生固結是地層沉降的基本表現。超大直徑盾構隧道在掘進時周圍土體一系列力學特性會發生變化，主要表現為應力和應變狀態的改變，孔隙水壓力和土體總應變改變導致了應力狀態的總體變化，究其原因是土體受到土拱作用和開挖卸荷等的影響，隧道盾構在開挖過程中周圍土體被擠壓引起地下水位產生變化從而導致孔隙水壓力產生變化。

盾構機千斤頂的橫向推力致使盾構機不斷向前掘進，盾構機的刀盤要克服掘進過程中的阻力需要千斤頂提供足夠的推力，才可以繼續向前推進，同時作用于盾構機上的推力又成為反力，反向作用于土體，成為土體的附加應力[5]。

盾構機向前推進過程中對土體的擠壓作用主要是：掘進過程中土體對管片產生的阻力f1、作用于開挖臨空面的主動土壓力f2、土體與盾構機表面的摩擦力f3、盾構機車架和表面之間的摩擦力f4、盾構機尾部與管片之間的摩擦力f5等。如果千斤頂產生的總推力F≥f1+f2+f3+f4+f5，開挖臨空面的土體會經歷加載過程產生彈塑性變形[6]。巖土體由于隧道盾構掘進而產生的影響范圍如圖 1 所示，其中虛線所示圓錐體表示土體擠壓擾動的影響范圍：① 區土體應力應變狀態未產生變化，此時土體水平和垂直應力分別用σh、σv表示；② 和 ④ 區域土體呈現的擠壓作用較大，出現了較大擠壓變形，在開挖過程中 ② 區σh和σv均略有增加，相比較而言④ 區σv基本沒有變化，只有σh呈現上升的趨勢；圖中 ③區土體受到盾構機刀盤不斷切削作用，其應力應變狀態變得十分復雜，如果在施工過程中沒有采取及時的支護措施，將會導致臨空面土體應力得到釋放，水平向應力值變小；相反如果在施工過程中土體得到相應支護， 且支撐支護應力過大時，將會導致σh出現不同程度的增大。如果千斤頂產生的總推力F＜f1+f2+f3+f4+f5，盾構機則不能推動前方土體呈靜止狀態，此時如果沒有對開挖土體的臨空面進行相應支護，土體應力將會得到釋放，同時出現臨空面滑移的狀況。

圖1 盾構前方土體擾動區

2 工程背景

武漢地鐵 8號線一期工程某盾構區間，下穿大量老舊棚戶區建筑結構。盾構區間采用一臺直徑 12.51m復合式超大泥水平衡盾構機施工，盾構機自車站始發，然后長距離穿越高密集棚戶區，穿越總長 754.62 m。盾構機從車站以R=700m的半徑曲線始發，縱斷面坡度由平坡變為 2.7% 的下坡，掘進地層為全斷面粉細砂地層。該棚戶區原定在掘進前進行拆除，但因種種原因拆除未果，盾構掘進時需嚴格控制地面沉降，確保安全下穿棚戶區建（構）筑物。

3 三維數值仿真模擬

3.1 三維模型建立

本文以武漢地鐵 8號線某區間大直徑盾構穿越老舊棚戶區為工程背景，采用基于有限差分理論的計算軟件 FLAC 3 D進行三維建模，分別建立隧道軸線埋深 12 m、18 m、24 m的計算模型，采用直徑為 12.51m的超大直徑盾構開挖，研究不同隧道軸線埋深對地表和棚戶區建筑結構變形及其穩定性影響機理。

隧道襯砌采用線彈性計算模型，同時考慮襯砌接頭對結構強度的影響，襯砌結構在計算時進行了 0.2 的強度折減，密度取為 2 500 kg/m3，彈性模量為 30 GPa，泊松比為 0.25。模型中地下水位取地表以下 3 m，采用水土合算的方式進行計算，地下水位以下土體計算重度采用浮重度進行計算。土體本構關系采用考慮塑性變形的 Drucker-Prager描述[9]，各層土體材料參數見表 1。模型尺寸范圍為 100 m×60 m×70 m（x軸×y軸×z軸），模型網格劃分如圖2 所示。

表1 各層土體物理力學參數表

圖2 計算網格模型

模型土體選用實體單元計算，襯砌選用殼單元，盾構上部框架結構梁和柱均選用梁單元進行模擬。三維模型土體四周約束其法線方向的水平位移，底面邊界約束其豎向位移，土體上部為自由邊界。在模型正式計算之前首先對土體進行地應力清零，確保初始狀態接近真實應力狀態[8-9]。

3.2 計算結果分析

3.2.1 地層沉降

提取隧道貫通后各模型豎向位移云圖，將不同隧道軸線埋深的位移云圖進行比較，如圖 3 所示。

通過計算可知，隧道軸線埋深為 12 m、18 m、24 m時，最大沉降值分別為 2.63 mm、1.90mm和 1.13 mm，巖土體最大隆起值分別為 0.105 mm、0.145mm和 0.204 mm。比較 3 組計算模型可得，3 組模型土體最大沉降值均出現在隧道斷面上部土體，且隧道軸線埋深越小，對隧道結構及地表沉降產生的影響越大，隧道軸線埋深對巖土體隆起程影響不大。

圖3 位移云圖

3.2.2 管片應力

提取隧道貫通后隧道縱向中間截面的管片最大主應力和最小主應力云圖，將不同隧道埋深的云圖進行比較，3 種埋深的管片云圖如圖 4 ～圖 6 所示。

圖4 管片最大和最小主應力（隧道埋深 12 m）

圖5 管片最大和最小主應力（隧道埋深 18 m）

圖6 管片最大和最小主應力（隧道埋深 24 m）

模型管片采用的混凝土型號為 C 40，隧道埋深 12 m時，管片的最大主應力為 46.8 kPa，最小主應力為 800 kPa；隧道埋深 18m時，管片的最大主應力為 60.1 kPa，最小主應力為 1 003.5 kPa；隧道埋深 24m時，管片的最大主應力為 73.4 kPa，最小主應力為 1 202.8 kPa。3 個模型均未產生拉應力，最大主應力及最小主應力均在安全范圍內。比較 3 個計算模型的最大主應力和最小主應力可以發現，隧道埋深越大，管片的最大主應力及最小主應力越大，說明管片所受的拉力及壓力就越大，當埋深較大時，盾構開挖時需注意管片的受力情況。

3.2.3 地表沉降

提取隧道貫通后各計算模型地表豎向位移值，將不同隧道軸線埋深地表沉降曲線進行比較，如圖 7 所示。

圖7 地表沉降曲線

由圖 7 可以看出，地表沉降沿縱向變化規律呈近似 U 型分布，整體沉降值呈現為“兩頭大、中間小”的分布趨勢，最大沉降值出現在隧道中軸線埋深 12m時，大小為 5.38 mm。由于模型只對巖土體一部分進行計算，故在邊界處存在邊界效應，在計算邊界處地表沉降值也出現了較大的增幅。

3.2.4 建筑物沉降

本文模型隧道上部建筑為 2 層框架結構，在進行計算分析之前做如下假定。

（1）計算時忽略填充墻對框架結構整體抗側剛度的影響，填充墻荷載折算為 10 kN/m2施加在梁上，樓板面荷載計算值取為 5 kN/m2。

（2）假定盾構隧道在掘進過程中結構基礎與周圍土體不發生相對滑動，接觸面的位移為結構基礎和土體共同位移。

（3）現實情況中梁和柱之間為鉸接，模型中梁柱之間建立耦合約束方程來模擬位移的協調和彎矩的實現。

提取隧道盾構掘進過程中不同隧道軸線埋深框架結構同一位置的沉降曲線，如圖 8 所示。

圖8 盾構開挖過程中建筑結構沉降曲線

通過分析可知，隨著掌子面中軸線與結構距離的不斷增大，地表結構的沉降值變化規律為：由緩慢增長到迅速增大，最后逐漸趨于穩定。比較圖 6 的 3 條曲線，隧道埋深越小，上部老舊棚戶區結構沉降值越大，故當隧道埋深較小時，在隧道盾構開挖時需要對地表結構加強監測，避免產生較大變形保證安全。

4 結 語

本文主要介紹了盾構開挖地層沉降機理和有限差分軟件FLAC 3D三維建模的相關內容，其中主要介紹了大直徑隧道盾構開挖過程中對周圍地層的擾動機理，包括地層損失理論的相關論述、土體初始應力、應變狀態發生改變的過程和影響因素。文章從地層沉降特征的視角深入研究了地表變形沉降機理和上部老舊建筑結構沉降規律，針對隧道不同軸線埋深進行了 FLAC 3D三維數值模擬，通過計算得出以下結論：

（1）土體最大沉降值均出現在隧道斷面上部土體，且隧道軸線埋深越小，對隧道結構及地表沉降產生的影響越大，隧道軸線埋深對巖土體隆起程影響不大。

（2）隧道埋深越大，管片的最大主應力及最小主應力越大，說明管片所受的拉力及壓力就越大。當埋深較大時，盾構開挖時需注意管片的受力情況，盾構下穿時管片未產生拉應力，且最大主應力及最小主應力峰值均控制在安全范圍內。

（3）地表沉降沿縱向變化規律呈近似 U 型分布，整體沉降值呈現為“兩頭大、中間小”的分布趨勢，最大沉降值出現在隧道中軸線埋深 12m時，大小為 5.38 mm。

（4）隨著掌子面中軸線與結構距離的不斷增大，上部結構的沉降值變化規律為：由緩慢增長到迅速增大，最后逐漸趨于穩定。隧道埋深越小，上部老舊棚戶區結構沉降值越大，故當隧道埋深較小時，在隧道盾構開挖時需要對地表結構加強監測，避免產生較大變形保證安全。