地鐵TBM隧道施工對既有建筑物穩定性的影響分析

楊世鋒

摘 ?要：由于近年來地鐵建設的大力發展，地鐵在城市內建設一定會下穿各種建筑物，為分析地鐵隧道開挖對上部建筑的影響，文章以青島地鐵1號線為研究背景，利用有限元軟件ANSYS建立了模型后用FLAC3D軟件模擬了開挖計算，分析討論了獨立基礎樓房在隧道開挖不同深度情況下，對上部建筑物的影響。研究結果表明：（1）在雙隧道先后開挖情況下，先開挖隧道部分樓層變形略小于后開挖部分;（2）建筑物變形以及受到的附加應力隨隧道開挖深度增加減小，若開挖到地質較差土層受影響遠大于開挖硬巖地層。（3）開挖隧道會對建筑物最底層柱產生較大影響，每增加一層受力會增加一倍。

關鍵詞：隧道開挖;數值模擬;影響分析

中圖分類號：U455.4 ? ? ? ?文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2020）25-0064-03

Abstract： Due to the rapid development of subway construction in recent years， the subway construction in the city will certainly go through all kinds of buildings. In order to analyze the influence of subway tunnel excavation on the superstructure， this paper takes Qingdao Metro Line 1 as the research background， with the finite element software ANSYS to establish the model， then uses FLAC3D software to simulate the excavation calculation， and analyzes and discusses the situation of independent foundation buildings in different depths of tunnel excavation In this case， the impact on the upper buildings. The results show that： （1） in the case of successive digging of double tunnels， the floor deformation of the first part of the tunnel digging is slightly less than that of the second part; （2） the building deformation and the additional stress are reduced with the increase of the depth of tunnel digging， if the excavation to the poor geological soil layer is far more affected than the excavation of hard rock layer; and （3） the digging of the

tunnel will have a great impact on the bottom column of the building， and the stress of each additional layer will be doubled.

Keywords： tunnel excavation; numerical simulation; impact analysis

引言

隨著我國城市交通擁堵問題變得越來越嚴重，城市內的地面交通在高峰時期對交通疏解能力的不足愈發嚴重，因此地鐵建設快速發展起來，但隨之而來的問題是地鐵在建設過程中會下穿各種城市建筑物，國內外很多學者對此做出了研究[1-4]。涂健[5]利用數值模擬，分析研究了大斷面隧道開挖過程中，隧道圍巖以及管片等的受力情況。李晟[6]以某公路為背景，利用數值模擬分析了臺階法施工開挖的過程。程錦中、劉吉鵬等[7]依據西藏隧道工程，利用FLAC3D軟件通過正交實驗研究了不同參數對應力和位移的影響。甄衛剛、劉淑紅等[8]以石家莊小凈距隧道為背景，利用有限元軟件ANSYS，分析模擬了不同施工方案情況下隧道周圍巖石的變形以及受力情況，并且提出了合理化建議應用于實際施工當中。因此，研究隧道在地層中開挖對上部結構影響是有重要意義的，有助于工程的施工[9-10]。

1 數值分析方法

1.1 工程概況

擬建的青島市地鐵1號線工程勘察二標段小村莊站～北嶺站區間線路沿人民路向北，至人民路與瑞昌路交匯處為止。區間線路主要位于人民路下方，道路兩側分布有大量的老式居民樓及商鋪，樓層高約1～9層。本區間隧道底板標高-13.67～-3.96m，埋深28～36m。開挖隧道直徑6.3m，管片每環1.5m。

1.2 模型建立

本文利用大型有限元數值計算軟件ANSYS建立模型，依據青島地鐵1號線下穿某段樓房，樓房為五層框架結構，土層本構模型采用摩爾庫倫模型，樓房的柱子、板和獨立基礎采用線彈性模型，模型如圖1所示。同時為檢測建筑物所受影響，設立6個檢測點，分別為1、2、3號點檢測樓頂沉降。同時設立三個監測點a、b、c檢測柱子最大剪應力，如圖2所示。

土體模型橫向長度為100m，縱向長度為50m，隧道埋深從距離土體地面9m開始，一直到埋深40m變化。土體共分為5層，從上至下分別為素填土、粉質粘土、強風化花崗巖、中風化花崗巖、微風化花崗巖，厚度分別為2m、4m、8m、6m、30m。建筑物采用C30混凝土，隧道襯砌采用C50混凝土，隧道直徑為6.3m，各材料力學參數如表1所示。

2 數值計算結果分析

因為本模型為二維模型，且建立模型數較多，是隧道埋深不同情況下的多個模型，因此以埋深24m時的模型為例，簡要說明。圖3為隧道埋深24m時的豎直方向位移云圖，從圖中可以看出隧道開挖后隧道下方地層會略微隆起，最大隆起量為0.055mm，隧道上部會有微小沉降，最大沉降值為0.067mm，因為隧道在巖石特性較好的花崗巖中開挖，花崗巖較為堅硬，因此各部分變形都不會對上部結構造成嚴重影響，且左側隧道為先開挖部分，其上部的獨立基礎先受到影響。圖4為最大剪應力云圖，隧道左右側最大剪應力為0.5MPa，上下最大值為0.1MPa，同時建筑底層柱最大剪力最大，最大值為0.27MPa。

圖5為樓頂1、2、3號監測點的位移變化曲線，從圖中可以看出三個監測點不論是數值還是趨勢基本一致，說明本建筑物是整體位移，不會發生明顯錯動，因底層在6m以上為雜填土和粉質粘土，隧道半徑為3.15m，當隧道埋深在9m-10m時，隧道會開挖到條件交叉的土，所以隧道埋深較淺時沉降明顯，3號點的最大沉降量為7.63mm，當隧道開挖至11m及以下時，樓頂為以基本不變，隆起量在0.3mm上下浮動。

圖6為監測點a、b、c測得最大剪應力隨隧道埋深變化曲線，從本曲線可以看出1樓柱監測點測得的最大剪應力值最大，5樓最小，由此隧道開挖對建筑物底層柱影響最大，且最大剪應力同樣在隧道開挖地質較差地層時最大。

3 結論

通過以上的模擬分析結果，可以得出以下結論：

（1）在雙隧道先后開挖情況下，先開挖隧道部分樓層變形略小于后開挖部分。

（2）建筑物變形以及受到的附加應力隨隧道開挖深度增加減小，若開挖到地質較差土層受影響遠大于開挖硬巖地層。

（3）開挖隧道會對建筑物最底層柱產生較大影響，每增加一層受力會增加一倍。

參考文獻：

[1]蔣亮，熊成宇.隧道施工不同臺階長度開挖數值模擬對比分析[J].公路工程，2019，44（6）：161-165.

[2]Evgenii E. Vdovin，Evgenii E. Vdovin，Konstantin S. Novoselov， et al.Resonant tunnelling spectroscopy of van der Waals heterosystems[J].Russian Chemical Reviews，2019，88（11）：1081-1093.

[3]People： Geomechanics and Tunnelling 5/2019[J].Geomechanics and Tunnelling，2019，12（5）：411-412.

[4]Content： Geomechanics and Tunnelling 5/2019[J].Geomechanics and Tunnelling，2019，12（5）：n/a-n/a.

[5]涂健.大斷面隧道開挖穩定性數值模擬分析[J].筑路機械與施工機械化，2019，36（11）：52-55，61.

[6]李晟.采用臺階開挖法的隧道穩定性數值模擬分析[J].建筑安全，2020，35（2）：4-6.

[7]程錦中，劉吉鵬，陳行.基于蠕變模型隧道開挖的數值模擬研究[J].四川水力發電，2020，39（1）：66-69.

[8]甄衛剛，劉淑紅，王自豪.小凈距公路隧道開挖圍巖變形的數值模擬[J].筑路機械與施工機械化，2019，36（8）：116-120.

[9]張少科，楊遠懷，鄒大晴.淺埋彪水巖軟巖隧道開挖數值模擬研究[J].土木建筑工程信息技術，2019，11（6）：129-134.

[10]李悅.地鐵車站隧道開挖工藝數值模擬優化分析[J].建筑工程技術與設計，2019（28）：4573-4576.