隧道-既有建筑物凈距 對盾構施工影響的數值分析

摘 要：以昆明市軌道交通 6 號線二期菊華站—東部汽車站區間盾構在軟弱土層中下穿冶金居民小區為背景，分別以既有建筑物變形、既有建筑物結構受力、管片受力為分析指標，通過數值計算研究不同隧道-既有建筑物凈距條件下盾構施工對地表既有建構筑物的影響，研究結論對于軟弱土層中盾構下穿既有建構筑物合理凈距的確定有一定參考意義。

關鍵詞：地鐵;盾構隧道;建筑物;隧道-建筑物凈距;數值計算

中圖分類號：U455.43

0 引言

經過多年的地鐵建設及相關工程經驗的積累，采用明挖法進行地鐵車站開挖并利用盾構進行區間隧道掘進已成為目前我國各大城市地鐵建設的基本模式。盾構施工也已逐漸擺脫了用于軟土地層地鐵隧道修建的設定，應用范圍不斷拓寬。但由于盾構施工本身存在缺陷：刀盤開挖直徑與盾尾直徑之間的楔形開挖間隙不能立即填充補償;盾尾與管片之間的建筑間隙是通過同步注漿和二次注漿補償填充的，由于補償注漿受壓力、漿液性質、注漿時機影響很大，補償注漿亦不能完全充填盾尾建筑空隙;盾構推進過程中盾殼與開挖面之間的剪切摩擦作用、超孔隙水壓的形成與消散、地下水滲流、盾構機振動等，使得盾構施工不可避免地會產生地層損失，造成隧道上方的地層沉降[1-6]。如果隧道上方存在建構筑物，地層變形累計傳到地表，使建筑物的基礎發生不均勻沉降，則有可能造成建筑物結構功能性損壞或報廢[7-9]。

關于地層損失與地表沉降的關系，Peck[10]、Attewell[11]、劉建航[12]等從連續介質理論出發，假定盾構施工造成的地層損失體積與地表沉降槽體積一致，由此推導了用于預測盾構施工地表沉降的公式。這些預測公式在實際工程中有一定的適用性[13-16]。但由于地層本身具有一定的自穩能力，無論是現場實測、模型試驗、數值計算結果均表明，盾構施工造成的地層沉降量值是由盾構開挖面向地表逐步遞減的[17-19]。故隧道下穿既有建構筑物沉降控制除施工參數控制外，還與區間隧道與既有建筑物凈距有關。因此，研究隧道與既有建構筑凈距對盾構施工影響的敏感性，對于隧道線位確定、既有建構筑物保護具有重要意義[20-21]。

本文以昆明市軌道交通6號線二期菊華站—東部汽車站區間盾構下穿冶金居民小區為依托建立數值計算模型，研究不同隧道-既有建筑凈距對上部建筑物的影響規律。

1 工程背景

昆明市軌道交通6號線菊華站—東部汽車站區間自菊華站出站后先下穿金馬路，然后向北拐，依次下穿冶金住宅小區、市麗康時裝廠住宅樓、金馬正昌果品批發市場等建筑，最后進入位于歸十路南側的1號盾構井。本次計算涉及的冶金住宅小區為3棟6層磚混結構建筑（建于上世紀八九十年代），設計使用壽命70年，為筏板基礎，與盾構區間的平面位置關系如圖1所示。

區間場地范圍內的軟弱地層從上到下依次為1-1雜填土、1-2素填土、4-2粉土、1-3黏土、3-3泥炭質土、5-3粉砂和4-3粉土。

2 數值計算模型

本項研究的目的是探明不同隧道-既有建筑物凈距條件下盾構施工對既有建筑物變形和受力的影響。根據既有建筑物實際情況，結合區間地質概況，采用Midas GTS建立三維數值計算模型，如圖2所示，計算中考慮隧道與建筑物凈距分別為0.2D、0.5D、1.5D、2.5D等不同工況。

考慮邊界效應對隧道施工的影響，模型尺寸為120m×80m×40m。地層、隧道均采用實體單元建模。隧道正上方冶金住宅小區層高為4m共6層，筏板基礎，梁、板、柱、墻均采用實體單元建模。在GTS軟件中，通過鈍化開挖輪廓范圍內的土體并激活預設管片單元實現隧道開挖支護，通過在開挖面施加反向節點荷載，模擬盾構對開挖面的平衡作用。實際隧道施工過程為逐環推進，先進行左線隧道掘進，貫通后進行右線隧道掘進。

3 數值計算結果分析

數值計算中主要通過計算建筑物沉降和建筑物最大最小主應力，來分析隧道-建筑物凈距對建筑物沉降的影響。既有建筑物沉降計算點如圖3所示。

（1）圖4為隧道-建筑物凈距0.2D、0.5D、1.5D、2.5D、4.0D等不同工況下，各計算點沉降隨盾構開挖步序的變化情況。可以看出，盾構穿越既有建筑物造成的建筑物沉降沿隧道縱向呈現階梯形，表明盾構施工造成的建筑物沉降具有明顯的階段性，可分為穿越前沉降、穿越過程中沉降和穿越后沉降。從變化量值看，穿越過程中沉降最大。因此，實際施工中應主要通過控制盾構穿越過程中的掘進參數來實現盾構施工影響控制。對比凈距0.2D、0.5D、1.5D、2.5D、4.0D幾種工況可以看出，隨盾構-既有建筑物凈距的加大，各計算點沉降曲線逐漸變得平緩，基礎最大沉降量顯著減小;隨著隧道-既有建筑物凈距的增大，開挖擾動經地層擴散后被明顯削弱，說明隧道-建筑物凈距對盾構施工具有重要影響。

（2）圖5為不同隧道-既有建筑物凈距條件下，地表沉降沿計算斷面橫向分布情況（以圖2中y方向y = 40m斷面為地表沉降計算斷面）。從圖5中可以看出，隨隧道-既有建筑物凈距的加大，盾構施工造成地表沉降槽逐漸變寬變淺，表明隨著隧道-既有建筑物凈距的加大，盾構施工對地表和上部建筑的影響逐漸減小。

（3）圖6為建筑物最大沉降隨隧道-建筑物凈距的變化情況。可以看出，隨著隧道-建筑物凈距的加大，盾構施工造成建筑物最大沉降明顯減小。根據昆明地區經驗，若以20mm作為建筑物沉降限值，則可知本工程隧道-建筑物合理凈距的控制值應為1.65D左右。

（4）圖7為隧道-建筑物凈距為1.5D工況下，盾構施工造成建筑物結構應力重分布的情況，其他工況情況與之類似。從圖7中可以看出，隧道開挖對建筑物的影響集中在建筑物基礎底部，卸載作用使建筑物基礎底部應力分布不均，影響程度從建筑物基礎底部向建筑物上部衰減。

（5）圖8為既有建筑主應力隨隧道-建筑物凈距的變化情況。從圖中8可以看出，既有建筑物最大最小主應力隨隧道-建筑物凈距的變化是非線性過程，當隧道-建筑物凈距大于1D時，主應力隨開挖凈距的變化幅度較小。因此，從建筑結構受力角度考慮，開挖隧道-建筑物凈距宜大于1D。

（6）圖9為隧道管片應力挖隧道-建筑物凈距的變化情況。可以看出，整體上隨著隧道-建筑物凈距的加大，管片應力增加。但可以明顯看出，隧道上方建筑物在隧道-建筑物凈距小的情況下對管片受力影響很大，管片應力隨凈距變化波動幅度很大。當隧道-建筑物的凈距0.8D～2.5D時，管片應力隨隧道-建筑物凈距的增加基本呈線性變化，可認為上部建筑物荷載通過地層擴散對隧道受力影響已經很小，因此，從管片結構受力合理性方面考慮，可認為0.8D～2.5D是本工程合理凈距。

4 結論及建議

（1）隧道與既有建筑物之間夾層土體的厚度對于控制建筑物沉降具有重要作用，就本工程而言，當隧道與建筑物凈距大于1.65D時，盾構施工造成建筑物最大沉降可控制在20mm以內。

（2）當隧道與建筑物凈距大于1D時，隧道施工造成建筑物最大最小主應力變化幅度較小，因此，可認為當隧道與建筑物基礎凈距大于1D時，盾構施工對建筑物結構受力影響較小。

（3）當隧道與建筑物凈距處于0.8D～2.5D范圍時，上部建筑荷載經過地層擴散作用后對管片受力影響較小，管片應力隨隧道-建筑物凈距的增加變化較小，故可認為0.8D～2.5D凈距為隧道-建筑物合理凈距。

（4）數值計算表明地表建筑物沉降主要產生于盾構穿越建構筑物施工過程，因此，實際施工中還應加強施工參數控制，及時注漿填補超挖空隙，通過減少地層損失來控制施工過程中的地層沉降。

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收稿日期 2019-04-04

責任編輯 朱開明