盾構隧道下穿施工對地面建筑基礎影響的研究

楊 凱 文

(蘭州市軌道交通有限公司，甘肅 蘭州 730070)

0 引言

隨著城市軌道交通的快速發展，盾構隧道下穿既有鐵路的工程越來越多。盾構隧道施工會對周圍地層產生擾動，導致既有鐵路站區地面建筑基礎產生沉降，造成安全隱患[1-4]。某市地鐵3號線下穿京滬普鐵站區水電段供給所與養路工區1層～2層房屋，本文在前期調研的基礎上，對下穿施工引起的建筑物基礎沉降進行了研究分析。

1 研究概況

本模型中建立京滬普速鐵路、地面建筑以及部分區間隧道。由于缺少足夠的站區地面建筑資料，本模型假定建筑結構形式均為條形基礎，上部結構簡化為底板+面荷載。由于未考慮房屋結構整體剛度，差異沉降可以看作是更不利的計算方法。如果模擬結果安全，可以認為真實施工時地面建筑也是安全的，各建筑物編號1～7。

根據GB 50007—2011建筑地基基礎設計規范[5]，地面建筑的允許最大沉降量和允許最大沉降差確定如表1所示，按照允許最大沉降量和允許最大沉降差中較小值控制。

表1 允許沉降值與允許沉降差

2 模型建立與施工模擬

2.1 模型建立

采用數值模擬方法計算盾構隧道下穿施工對京滬普鐵站區地面建筑基礎的影響。利用Plaxis 3D建立三維有限元模型，模型總長度155 m、總寬度為120 m，深度約為70 m。幾何模型底部施加完全固定約束，兩側施加豎直滑動約束，模型表面為自由邊界。土體采用硬土模型模擬，相關土層物理力學參數詳見表2，得到計算模型如圖1所示。

2.2 施工模擬

在Plaxis 3D有限元軟件中通過凍結隧道范圍內土體單元，激活管片單元，并進行斷面收縮和施加掌子面壓力來模擬盾構掘進過程。整個隧道施工過程模擬按照實際盾構施工推進方向和順序進行分步開挖，先施工3號線左線隧道，再施工3號線右線隧道。選定開挖過程中具有特征性的8個工況(每條隧道的施工均有4工況)。有限元施工過程模擬如圖2所示(圖中隱藏了部分土層)。工況劃分具體如下：

工況1：左線隧道盾構機刀盤接近房屋群；工況2：左線隧道盾構機刀盤到達房屋群中心位置；工況3：左線隧道盾構機刀盤穿過房屋群；工況4：左線隧道盾構機刀盤穿過鐵路路基；工況5：右線隧道盾構機刀盤穿過鐵路路基；工況6：左線隧道盾構機刀盤接近房屋群；工況7：右線隧道盾構機刀盤到達房屋群中心位置；工況8：右線隧道盾構機刀盤穿過房屋群。

表2 相關土層物理力學參數表

3 計算結果分析

由于1號和7號建筑物離隧道較遠，受盾構施工影響相比其他建筑物小得多，因此只對2號～6號建筑做沉降分析。計算結果如表3,表4所示。

0.5%地層損失計算結果如下。

表3 建筑沉降統計表(一)

0.8%地層損失計算結果如下。

表4 建筑沉降統計表(二)

由表3，表4可得：

1)3號和4號建筑位于隧道正上方，整體沉降量較大，0.5%地層損失率時分別達到9.237 mm，8.664 mm，0.8%地層損失率時分別達到15.317 mm，15.250 mm。

2)2號、5號、6號建筑物相對位置偏向一邊，差異沉降相對較大，0.5%地層損失率時分別達到3.802 mm，2.954 mm，4.958 mm，0.8%地層損失率時分別達到5.321 mm，

4.797 mm，7.746 mm。

3)2號～6號建筑沉降與差異沉降雖有差異，但量值都在允許范圍內，滿足控制標準。

從以上計算可知，地層損失率選取不同時，建筑物的最大沉降及最大沉降差相差較大，因此，盾構地鐵的施工參數選取對于控制建筑物沉降極其重要，某市地鐵3號線盾構下穿京滬普鐵路基時隧道中心埋深15.5 m～16.4 m，主要穿越⑥-1硬塑粘土層，隧道上方分布有④-2砂質粉土。基于土力學原理，計算得到下穿京滬普鐵時的理論土倉壓力為0.14 MPa～0.15 MPa。在實際施工中，前倉土壓力的設定比理論計算值高15 kPa～25 kPa，即一般取1.1倍～1.2倍的靜止土壓力。

4 結語

利用Plaxis 3D有限元軟件來模擬某市地鐵3號線盾構掘進過程對于地面建筑基礎的影響，可得以下主要結論：

1)地層損失率為0.5%和0.8%時，京滬普鐵南側水電段某市供給所和某市養路工區房屋基礎最大沉降分別為9.237 mm，15.317 mm；最大沉降差為4.958 mm，7.746 mm。

2)不同地層損失率情況下，各建筑的最大沉降及最大沉降差相差較大，但均滿足規范要求，可見地鐵3號線能夠下穿京滬普鐵站區地面建筑基礎。

3)地鐵3號線下穿京滬普鐵時的理論土倉壓力為0.14 MPa～0.15 MPa，實際值應比理論計算值高15 kPa～25 kPa。