地鐵盾構區間穿越砂層及下穿既有建筑物影響分析

楊 修 王林琳

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

盾構法因其掘進速度快、效率高、對圍巖的擾動小，被廣泛應用于地鐵施工中[1-3]。因此，開展盾構下穿工程中地表沉降和既有建筑物的結構安全防護研究具有重要意義。目前，隧道施工對周圍環境及地下結構影響的計算方法，基本可以分為三種：一是美國科學家P.B.Peck[4]提出以沉降槽為代表的經驗公式計算法，朱才輝、李寧[5]基于Peck公式反演分析法，研究地鐵施工造成的地表沉降及地層損失變化規律，韓煊[6]基于工程實測結果提出既有建筑物沉降曲線的剛度修正法；二是模型試驗法，李偉平[7]、潘茁[8]等通過室內模型試驗，分析盾構開挖對土體擾動和地表沉降的影響；三是有限元數值模擬計算分析法，王立新[9]、張治國[10]等利用三維軟件，研究地層與地鐵結構相互作用機理，因其具有較低的成本、較快的計算速度、便捷的試驗模型、較真實的模擬結果被廣泛使用，是當前工程力學計算分析中最為普遍的分析方法。

以青島地鐵1號線汽車北站-流亭機場站區間為工程依托，利用MIDAS/GTS三維有限元軟件進行數值模擬計算，通過有效的施工措施控制圍巖變形，減少建筑物沉降，并與實測的監測數據進行對比分析，對盾構穿越軟弱砂層和下穿既有建筑物的圍巖變形規律和地表沉降趨勢進行研究。

1 工程概況

青島地鐵1號線汽車北站-流亭機場站區間長3 450 m，屬長大區間，采用盾構法施工。線路由汽車北站向北下穿雙流高架路基段、仙山路，過白沙河后至流亭機場站。區間地面高程起伏較小，主要穿越的地層：上部為第四系的粗礫砂和粉質黏土層，下部為中、微風化安山巖及流紋巖，是 “上土下巖 ”的土巖復合地層。綜合地質條件、施工安全和場地、周邊環境、工期和環保要求等因素，采用加泥式土壓平衡盾構施工，其管片襯砌內徑5 400 mm、外徑6 000 mm，管片厚300 mm、環寬1.5 m。

根據詳勘報告[11]，區間從上至下地層分別為：(1)素填土、(1-1)雜填土、(7-0)黏土-粉質黏土、(7-1)中砂-粗砂、(9-0)粗砂-砂礫、(9-2)含卵石粗礫砂、(16-9)強風化安山巖、(17-9)中等風化安山巖、(18-9)微風化安山巖。地下水主要賦存于第四系松散砂土層和基巖裂隙中。填土層、砂層是主要含水層，并且均為強透水層，富水性中等；基巖裂隙水分布在基巖風化裂隙和構造裂隙之中，以構造裂隙水為主。區間于K61+045.000～K61+344.255段穿越約300 m的含卵石粗礫砂(9-2)，埋深17.7～9.2 m；K60+900～ K60+915段下穿6層框架結構建筑物(為毛石砼條形基礎，2009年建成)，盾構掘進地層為強風化安山巖(16-9)、中等風化安山巖(17-9)，埋深約22 m。區間主要地層巖土物理力學參數如表1所示。

2 三維有限元分析

2.1 有限元模型

根據工程實際，利用 MIDAS/GTS 數值模擬軟件建立兩個三維有限元模型。模型1：盾構穿越砂層段；模型2：區間下穿既有6層建筑物段。綜合考慮邊界效應及計算效率，有限元模型的尺寸采用 120 m×60 m×45 m，計算模型如圖1所示。采用摩爾-庫倫破壞準則模擬實際地層，建立隧道實體模型，襯砌管片屬性定義為彈性材料，采用板單元進行模擬，見圖2。

表1 巖土物理力學參數

圖1 三維有限元模型

掘進中，通過對工作面單元網格的鈍化來模擬盾構機的開挖，對工作面施加均勻壓力來模擬盾構機掘進壓力。計算中引入等代層的概念，通過對注漿影響范圍內實體網格屬性的重新定義模擬同步注漿，注漿單元見圖3。計算中，首先激活全部土體，添加自重荷載，以此作為模型的初始狀態。隨后，對開挖面施加掘進壓力，模擬盾構機的頂推力，鈍化開挖范圍內的土單元、注漿單元，激活襯砌單元，重新定義注漿單元屬性。

圖2 盾構管片單元

圖3 注漿單元

2.2 分析工況

兩個數值模型均采用3個施工步序來進行施工動態模擬。第1步序，模擬盾構掘進前的地層初始應力狀態(位移清零)；第2步序，逐環施工區間左線，完成注漿、管片拼接，直至完成掘進；第3步序，逐環施工區間右線，完成注漿、管片拼接，直至完成掘進。

3 盾構穿越砂層模擬結果及分析

3.1 圍巖變形分析

盾構掘進中， 因開挖面周圍土體受到擾動，或盾尾空隙未及時注漿，圍巖體將會發生較大變形。其中，拱頂下沉和地表沉降是施工安全控制的重要衡量指標[12-13]。拱頂變形過大將造成支護結構形變過大并影響圍巖穩定性，地表沉降過大將影響地面設施的正常使用和安全運營。左線隧道開挖完成后圍巖變形情況見圖4。右線隧道開挖完成后圍巖變形情況見圖5。

圖4 左線隧道開挖后圍巖變形

圖5 右線隧道開挖后圍巖變形

從計算結果可知，左線隧道施工完成后地表累計沉降為13 mm，隧道拱頂沉降為27 mm。待右線隧道施工完成后，地表累計沉降為21 mm，隧道拱頂沉降為35 mm。模擬計算中，因考慮最不利工況，隧道主體全部穿越軟弱砂層，上覆土層松散，拱頂下沉值和地表沉降值較大。

3.2 圍巖應力狀態分析

受盾構開挖影響，周圍土體的應力重新分布，當受擾動后的二次應力超過其抗壓、抗剪強度，巖體將進入塑性狀態，形成塑性區或直接發生脆性破壞[14-15]，如圖6所示。

圖6 隧道開挖后塑性區分布

塑性區分布結果表明，開挖過程中，圍巖基本無應力集中現象，圓形的襯砌斷面以及管片和注漿形成的支護阻力有效控制了圍巖變形，也抑制了塑性區的發展，塑性區形成于工作面周邊5～10 m的范圍，圍巖受到的擾動影響較小。

3.3 結構內力分析

隧道開挖后，管片結構應力狀態見圖7。

圖7 隧道開挖后隧道結構主應力

從計算結果可知，盾構襯砌管片主要承受壓應力，管片頂部的內側壓應力最大，管片的左右兩側出現較小的拉應力。最大主應力產生在隧道底板與拱頂處，為1.1 MPa(拉)，最小主應力發生在盾構側邊處，為-1.9 MPa(壓)。

4 盾構下穿既有建筑物模擬結果及分析

4.1 盾構施工引起的圍巖變形分析

雙線隧道開挖完成后圍巖最終變形情況見圖8。

圖8 隧道開挖后圍巖變形

從計算結果可知，盾構穿越建筑物后，隧道拱頂累計沉降為22 mm，基礎底部累計沉降為12 mm，隧道上部覆土為較軟弱的砂層，土體承載力相對較低。

4.2 盾構施工引起的圍巖狀態分析

圖9為盾構下穿后圍巖塑性區分布。

圖9 隧道開挖后塑性區分布

圖9表明，盾構穿越既有建筑物對隧道周圍塑性區范圍影響較小，范圍控制在5～10 m內，未延伸發展到建筑物毛石砼條形基礎處。

4.3 區間結構內力影響分析

隧道開挖后，管片結構應力狀態見圖10。

圖10 隧道開挖后隧道結構主應力

從計算結果可知，盾構襯砌管片主要承受壓應力，管片頂部的內側壓應力最大，管片的左右兩側出現較小的拉應力。最小主應力為-9 MPa(壓)，出現在高層建筑下方的隧道邊墻處，最大主應力為3 MPa(拉)，出現在既有建筑物下方的拱頂處。

5 現場監測數據分析

5.1 監測方案

為確保盾構掘進期間的施工及建筑物安全，按規范要求，結合青島地質條件、支護類型、施工方法等特點，確定監測項目和測點布置方案(見表2)。

表2 監測項目及測點布置

5.2 監測點布置

施工中布設的各項監測點如圖11～圖13所示，縱向沿隧道軸線上方地表布設，監測點間距為5 m，橫向監測斷面的監測點數量布置7 ～11 個。建筑物沉降測點布設在既有建筑的外墻上，間距10 m，共8個；傾斜測點按建筑物結構頂、底部上下對應按組布設，2組，共4個。

圖11 隧道變形、地表沉降監測點布置(單位：m)

圖12 建筑物測點布置示意(單位：m)

圖13 建筑物測點布置示意

5.3 監測數據分析

(1)地表沉降

盾構掘進通過既有建筑物的地表沉降曲線如圖14所示，隨著開挖面不斷臨近監測點，地面沉降開始緩慢增加，掘進至監測點下方時，沉降速率達到峰值，至25～30 d時，沉降曲線逐漸趨于穩定，4個典型監測點DC25-01、 DC25-04、 DC25-08 、DC25-011的最終累計沉降值分別為-6.9 mm，-11.9 mm，-13.1 mm，-9.1 mm。

圖14 地表沉降曲線

(2)建筑物沉降

建筑物沉降曲線如圖15所示，隨著工作面臨近監測點，建筑物開始發生沉降，盾構位于建筑物下方時，沉降速率達到峰值，至30 d時，沉降趨于穩定，4個建筑物監測點(JC12-01，JC12-03，JC12-05，JC12-07)的最終累計沉降值分別為-9.3 mm、-11.9 mm、-13.1 mm、-9.1 mm。

圖15 建筑物沉降曲線

6 控制地層沉降的主要措施

(1)勻速通過：增加刀盤轉速，降低推力和掘進速度，加大泡沫注入量，做好碴土改良，嚴格控制出碴量并控制好土艙內的壓力平衡。

(2)跟蹤注漿：掘進軟弱砂層時，采用較高的注漿壓力以提高注漿量，降低漿體因排水固結收縮引起的地層損失。

(3)二次注漿：在穿越段管片增開注漿孔，采用水泥漿∶水玻璃(體積比)=1∶1的雙液漿進行二次注漿，預留工后注漿補強條件，阻止地層發生進一步沉降。

(4)地表注漿：盾構下穿建筑物前，在房屋基礎外布置兩排斜向袖閥管，袖閥管距基礎邊的距離2 m，同排間距1.0 m，梅花形布置，打設斜孔至房屋下方，注漿壓力控制為0.8～1.2 MPa(共3次，每次持續10～20 min)。

(5)加強監測：盾構下穿建筑物前，沿縱軸線每5 m布置一排地表測點，進行連續測量，對位于沉降槽影響范圍內的測點，應加強監測力度，監測頻率1次/d，并將沉降情況反饋到后續施工中[16]。

7 結論

(1)兩個模型的比對表明，沉降峰值產生于拱頂上方，并大于地表、建筑物的沉降量。

(2)開挖造成的塑性區產生于工作面外圍1至1.5倍洞徑的范圍。模型2中，建筑物地基距離塑性區較遠，基底土體未發生破壞。

(3)建筑物的沉降主要發生在下穿階段和盾尾脫出后階段，兩個階段沉降約占累計沉降量的85%。

(4)監測沉降值略小于數值分析結果，說明采用動態合理的施工控制措施，進一步減少了沉降。