盾構隧道施工引起的臨近地表建筑物沉降研究

代君賈強

(1.山東建筑大學土木工程學院，山東濟南250101；2.建筑結構加固改造與地下空間工程教育部重點實驗室，山東濟南250101)

0 引言

21世紀以來，我國的地鐵建設已經進入了快速發展時期。盾構法因其地層適應性強、速度快、安全性高等優點[1]，逐步成為城市地鐵工程建設中的主要形式。然而，隧道的盾構開挖[2]過程及后期固結沉降導致地表不同程度的沉降變形，引起其上及鄰近建筑物開裂、傾斜或坍塌[3]。因此，合理地分析預測盾構施工對鄰近建筑物沉降的影響，劃定隧道明顯影響區域，加強對區域內建筑物的監測和采取必要措施，對保護建筑物具有重要意義[4]。

目前關于盾構施工對臨近建筑物沉降影響的研究方法主要有隨機介質法、解析法和數值分析法[5]。其中，數值分析法可以充分考慮地層的復雜多樣性，并且能夠模擬盾構隧道施工步驟，因此國內外專家學者廣泛研究應用。Jenck等[6]運用FLAC3D軟件，充分考慮地層損失，分析了建筑物剛度對地表沉降的影響，顯示建筑物存在區域地面沉降有明顯變化，有必要對此區域采取加固措施。Tang等[7]采用三維數值分析法，研究了不同隧道開挖長度對橫向與縱向地表沉降的影響，分析得出在開挖面后方約20 m處縱向地表沉降達到穩定狀態。魏新江等[8]采用數值分析法，模擬臨近不同位置處建筑物各種工況下的盾構開挖表明，隧道軸線與建筑物中心線的水平距離與隧道外徑的比值為0.5～2時，產生較大的地面沉降。彭暢等[9]運用ABAQUS對雙線盾構施工產生的鄰近框架結構沉降進行了模擬，發現建筑物附近的地表沉降隨著建筑物層數的增加而增大，并且隨著隧道的開挖，建筑物由于基礎沉降不均勻可能在其垂直面和水平面內產生扭轉變形。魏綱等[10]采用MIDAS-GTS軟件，研究了建筑物不同層數及隧道不同水平距離情況下隧道施工引起的建筑物附加沉降的情況，發現在盾構機穿越建筑物的過程中，地表沉降逐漸增大后趨向穩定，并且沿隧道前進方向建筑物產生短期的不均勻沉降。上述文獻研究了盾構施工引起既有建筑物地基沉降的普遍性規律，但巖土問題地域性很強，濟南市市區泉脈分布眾多，而地鐵的建設需求就是要緩解市區的交通壓力。因此，出于保泉護泉的要求，針對濟南地區地鐵隧道工程區地質條件，通過數值分析確定地鐵盾構施工產生的沉降影響范圍，對既有建筑的保護具有重要意義。

目前，濟南市所規劃的多條地鐵線路正在建設。M3線沿線大部分分布在經十路附近，出于保泉護泉的需要，地鐵設計的埋置深度較淺；而R2線沿線已經越過了泉脈影響范圍，所以埋置深度相對較大，2條線路在濟南市眾多地鐵線路中具備典型性。文章依托濟南市軌道交通R2線及M3線沿線地質盾構穿越某既有框架結構的工程背景，考慮盾構施工中的重要參數對地表沉降的影響進行了ANSYS數值分析，得到了具有適用性的沉降影響范圍，為地鐵施工期間臨近建筑物的監測和保護提供依據。

1 工程概況

濟南市軌道交通R2線貫穿濟南西部和東部主城區，連接了西部新城核心區、老城區、高新區、唐冶新城，是緩解東西向交通壓力的交通骨干線路。M3線連接經十路沿線商業區、濟南奧體副中心、唐冶等片區，是濟南市軌道交通第二輪建設規劃的重要線路。

R2線及M3線的地鐵隧道為雙線并行的分離式隧道，分左、右線2孔。2線均采用盾構法施工，刀盤直徑為6.81 m、盾構機長為8 m、襯砌每環寬為1.5 m、厚為0.35 m。選取該區域內常見的6層鋼筋混凝土框架結構作為數值分析的對象。該建筑物地上6層，層高為3 m、柱距為8 m。A軸柱為最靠近隧道的一跨柱，稱為近隧端柱；C軸柱為最遠離隧道的一跨柱，稱為遠隧端柱。柱下獨立基礎，基底尺寸為2 m×2 m，埋深為2 m。建筑物中心線距2隧道中心線0 m處的平面位置如圖1所示。

圖1 框架建筑物平面及盾構隧道示意圖/mm

2 有限元模型建立

2.1 基本假定

(1)假設計算范圍內的土層為均質水平層[11]，且土體為各向同性連續的彈塑性材料。

(2)不考慮地下水滲透效應和時間的影響。

(3)框架與基礎，基礎與土體交界面符合變形協調原理[12]。

2.2 模型的建立

采用ANSYS軟件建立有限元模型。雖然在實際工程中，隧道對地面建筑物的影響十分復雜，但是考慮到建筑物縱向與隧道的走向基本一致，并且其縱向延伸長度遠遠大于橫向，可以將其簡化為平面應變問題，因此采用二維有限元模型進行模擬。為了更好地消除邊界效應對模型的影響，根據Peck公式[13-14]估算單孔沉降槽寬度約為48 m，故整個橫斷面模型在水平、豎直方向分別取120、50 m。土體的本構模型[15]采用D-P模型。二維模型的左、右邊界設置水平固定約束，限制其水平位移；底部邊界設置豎向固定約束[16]，限制其豎向位移；上部邊界為地表，設為自由面。選取R2線西二環沿線某典型地質以及M3線沿線奧體西站某典型地質作為分析對象，其相應的土工參數見表1、2。

表1 R2線所選典型地質土工參數表

表2 M3線所選典型地質土工參數表

采用平面實體單元Plane42模擬土體和建筑物基礎，采用梁單元Beam3模擬襯砌管片和建筑物。框架建筑物梁板柱的彈性模量為30 GPa，泊松比為0.2，密度為2 500 g/cm3。建模時樓、地面活荷載取2.0 kN/m2[17]，屋面活荷載取0.5 kN/m2。雙線盾構隧道直徑為6.4 m，襯砌按照線彈性材料加以考慮，材料為C30混凝土。整個二維模型的節點數為2 106，單元數為 2 055。其中，M3線隧道埋深為3.5 m、凈距為5.6 m、建筑物中心線距2隧道中心線20 m處數值模型的橫斷面如圖2所示。

R2線隧道埋深為24.5 m、隧道間凈距為5.6 m、建筑物中心線距2隧道中心線為16 m的二維模型和M3線隧道埋深為3.5 m、凈距為10.2 m、建筑物中心線與2隧道中心線重合時的二維模型的網格剖分圖，如圖3所示。

圖2 M3線所選工況的模型橫斷面及邊界約束圖/mm

圖3 R2線、M3線二維計算平面網格剖分圖

模擬時采用ANSYS中的單元生死技術，包括(1)殺死襯砌單元；(2)再殺死開挖的土體單元，釋放節點力；(3)激活襯砌單元，將剩余的節點力全部釋放。

3 結果與分析

隨著盾構機不斷向前掘進挖土，盾尾部的鋼筋混凝土管片逐漸組拼形成襯砌環。在此過程中，周圍的土體會因為填充盾尾空隙形成涌向隧道的移動趨勢，造成建筑物周圍地面的沉降變形。為了充分研究地表沉降的具體影響范圍，分別針對埋深較大的R2線和埋深較淺的M3線所選地質，設計了在大、小凈距下改變建筑物中心線至2隧道中心線距離的每組12個工況，建筑物中心線至2隧道中心線的距離依次為 0、4、8、12、16、20、24、28、32、36、40、44 m。參照2條線路實際的埋深和隧道間凈距，擬確定R2線埋深為24.5 m、M3線埋深為3.5 m；大凈距為10.2 m、小凈距為5.6 m。

經分析，得到開挖前后建筑物地表沉降值，其中R2線小凈距下建筑物中心線距2隧道中心線為24 m時的沉降云圖如圖4所示。相鄰柱距沉降值相減得到沉降差。

圖4 R2線小凈距下建筑物中心線距2隧道中心線為24 m時沉降云圖

按照GB 50007—2011《建筑地基基礎設計規范》[18]規定，框架結構相鄰柱基沉降差的允許值在中低壓縮性土和高壓縮性土中分別為0.002l和0.003l，其中l表示相鄰2個柱基中心的距離。由于該既有建筑物已經建成多年，土層壓縮已經穩定，所以可以將其視為中低壓縮土分析，取0.002l(l=8 m)，即16 mm作為此建筑物地基變形的允許值。由于此建筑物在橫向(垂直于隧道開挖方向)分布3排立柱，所以分別取近隧端(A軸)和遠隧端(C軸)相鄰2柱基進行分析。

參照R2線一期確定的標準規范，雙線隧道間凈距小于一倍盾構外徑時定義為小凈距，反之定義為大凈距。

3.1 R2線臨近地表建筑物沉降分析

3.1.1 小凈距下地表沉降規律

選取隧道埋深為24.5 m、凈距為5.6 m作為典型工況，分析小凈距情況下相鄰柱基沉降差如圖5所示。遠、近隧端2側相鄰柱基間地表的沉降差變化趨勢相同，均表現為先增大后減少的趨勢。相比于遠隧端，近隧端在小凈距情況下的相鄰柱基間沉降差比遠隧端大，且在建筑物中心線距離2隧道中心線6～17 m范圍內超過規范限值，此范圍內的建筑物原則上應進行必要的安全性鑒定。遠隧端因其距離隧道較遠，加之R2線隧道埋置較深，對地表擾動較小，所以其相鄰柱基間沉降差全部位于限值以下，整體偏安全。

圖5 R2線小凈距條件下相鄰柱基間沉降差變化曲線圖

3.1.2 大凈距下地表沉降規律

選取R2線隧道埋深為24.5 m、凈距為10.2 m作為典型工況，分析大凈距情況下的地表沉降差，如圖6所示。在大凈距條件下，遠、近隧端相鄰柱基間地表的沉降差變化趨勢與小凈距條件相同。遠隧端依舊全部位于規范限值以下，近隧端沉降差仍然比遠隧端大。近隧端側在建筑物中心線距離2隧道中心線10～23 m范圍內超過限值。此影響范圍相較于小凈距條件下擴大了約6 m。

圖6 R2線大凈距條件下相鄰柱基間沉降差變化曲線圖

3.1.3 地表沉降影響范圍經驗公式

值得注意的是，雖然在上述R2線2種不同凈距條件下，建筑物中心距離2隧道中心線0～6 m及0～10 m范圍內的相鄰柱基間沉降差并未超過限值，但是由于數值分析得出其區域范圍內的地表沉降較大，因此也要將此范圍區段納入隧道施工的主要影響范圍。在數值模擬得到的大、小凈距地表沉降影響范圍的基礎上，結合北京市和廣州市等既有城市地鐵盾構隧道周邊影響分區，提出了濟南市地鐵R2線盾構法開挖過程擾動影響范圍的經驗公式及極限值，由式(1)表示為

式中:L1為R2線地表沉降影響范圍上限值，m；H為隧道埋置深度，m；S為隧道間凈距，m；D為盾構隧道外徑，m。

為了驗證經驗公式的準確性，將R2線盾構隧道施工參數代入公式，與數值分析結果進行對比，見表3，其中H為 24.5 m、D為 6.4 m、小凈距S為5.6 m、大凈距S為10.2 m。由表3可知，數值模擬的影響范圍上限值與帶入經驗公式所得到的計算值基本吻合。主要影響范圍的分布如圖7所示。

表3 R2線的影響范圍上限對比驗證表

圖7 R2線主要影響范圍分布圖

3.2 M3線臨近地表建筑物沉降分析

3.2.1 小凈距下地表沉降規律

M3線選取埋深為3.5 m、凈距為5.6 m作為典型工況，分析淺埋小凈距情況下的地表沉降規律如圖8所示。近隧端在8～20 m范圍內，建筑物相鄰柱基間沉降差超過規范限值；遠隧端全部位于限值以下且變化幅度不大。相比于隧道埋深較大的R2線小凈距條件，可以看出在凈距一定時，M3線的相鄰柱基間地表沉降差略小，出現這種結果的原因是因為M3線沿線主要穿越黃土、黏土、強風化石灰巖等，其土質的整體的彈性模量比R2線偏高，土質良好，不易發生變形所致。由此可見，沿線地質也是影響地表沉降的重要因素。

圖8 M3線小凈距條件下相鄰柱基間沉降差變化曲線圖

3.2.2 大凈距下地表沉降規律

選取埋深為3.5 m、凈距為10.2 m作為典型工況來分析淺埋大凈距情況下的地表沉降規律如圖9所示。在淺埋大凈距條件下，遠、近隧端相鄰柱基間沉降差隨著2隧道中心線至建筑物中心線水平距離的變化趨勢與淺埋小凈距條件相同。遠隧端全部位于限值以下，近隧端側在12～23 m范圍內超過規范限值，比淺埋小凈距下的影響范圍擴大了約3 m。其相鄰柱基間沉降差比隧道埋深較大的R2線大凈距條件下相鄰柱基間沉降差略小，說明沿線地質對地表沉降具有重要影響。

圖9 M3線大凈距條件下相鄰柱基間沉降差變化曲線圖

3.2.3 地表沉降影響范圍經驗公式

由數值分析得出，2種不同凈距條件下，M3線建筑物中心距2隧道中心線0～8 m及0～12 m范圍內的地表沉降較大，因此也要將此范圍區段納入重點關注區域，且淺埋下大凈距條件下的地表沉降影響范圍更廣，小凈距條件下相鄰柱基間地表沉降差更大。在M3線隧道埋深較淺的情況下，無論是大、小凈距，都比隧道埋置較深的R2線相鄰柱基間沉降差要略小。結合既有城市的地鐵盾構隧道周邊影響分區，提出了濟南市地鐵M3線盾構法開挖過程擾動影響范圍的經驗公式及極限值，由式(2)表示為

式中:L2為M3線地表沉降影響范圍上限值，m。

為了驗證M3線經驗公式的準確性，將M3線盾構隧道施工參數代入式(2)，與數值分析結果進行對比，見表4，其中H為3.5 m、D為6.4 m、小凈距S為5.6 m、大凈距S為10.2 m。由表4可知，數值模擬的影響范圍上限值與帶入經驗公式所得到的計算值偏差不大。主要影響范圍的分布如圖10所示。

表4 M3線的影響范圍上限對比驗證表

圖10 M3線的主要影響范圍分布圖

4 結論

文章通過選取濟南市典型地鐵線路，分析了R2線和M3線沿線地質盾構施工過程中的凈距以及2隧道中心線至建筑物中心線的水平距離等參數對地表沉降范圍的影響，主要得到以下結論:

(1)2種不同埋深條件下，建筑物遠、近隧端2側相鄰柱基間地表的沉降差均隨著2隧道中心線與建筑物中心線水平距離的增大呈現出先增大后減小趨勢。遠隧端相鄰柱基間沉降差全部位于限值以下，而近隧端側沉降差較遠隧端側更為明顯，從而能更好地作為確定地表沉降影響范圍的依據。

(2)當隧道埋深一定時，大凈距與小凈距條件下分別對應的地表沉降影響范圍和相鄰柱基間地表沉降差顯著。相比于R2線條件，可以看出在凈距一定時，M3線條件下的相鄰柱基間地表沉降差偏小。由此可見，地質也是影響地表沉降的重要因素。

(3)基于濟南市地鐵盾構隧道的施工參數及既有城市地鐵盾構隧道的影響分區范圍提出的R2線、M3線的盾構法的經驗公式計算出的開挖過程擾動影響范圍與數值模擬得出的影響范圍值基本吻合。