上軟下硬復合地層中盾構下穿既有建筑物受力性能研究

董立波

（中國水利水電第一工程局，吉林長春 130033）

盾構法已成為修建隧道中一種重要的施工方法，具有安全性高、振動小和施工速度快等優點[1-2]。我國地鐵多建設在沿海地區，然而這些地區土層具有典型的“上軟下硬”特點。在該地層中盾構機掘進施工難度大，且容易使得上部軟土地層發生塌陷，導致既有鄰近建筑物產生不利影響[3-5]。因此，研究上軟下硬復合地層中盾構掘進施工對既有建筑的影響具有重大意義。劉重慶[6]針對廈門地鐵1號線上軟下硬地層條件下盾構掘進施工引起的地表沉降進行了研究，結果表明，該地層地表沉降受硬層比的影響較為顯著；吳全立[7]以深圳地鐵上軟下硬地層盾構下穿既有隧道為工程背景，采用網格分析法對盾構施工風險進行評估，劃分出盾構施工中各層級的風險；陳慶章[8]以廣州地鐵12號線盾構下穿建筑群為例，介紹了復雜地層中盾構下穿既有建筑物的施工關鍵技術。本文利用MIDAS GTS有限元軟件，分析盾構掘進施工中既有上部建筑物和盾構管片的變形規。

1 工程概況

深圳市寶安區區間線路呈南北走向，線路出福永站后，沿福州大道前行，由于線路周邊環境主要為市政道路、居民生活區和工業廠房。因此，本區間段采用盾構法施工時，需下穿既有11號線福永站，下穿和側穿同富社區和多棟工業廠房。下穿社區廠房5處，層高3～7層，樁體直徑為0.4～0.5 m，根據以上分析，盾構在掘進施工時不可避免會對緊鄰既有建筑物造成影響。為此，依據盾構掘進施工方案，分析盾構下穿既有上部建筑物的影響。

2 有限元分析模型

2.1 材料參數

模型中土層、盾構管片和鄰近建筑物均采用三維實體單元，盾構殼采用二維板單元，建筑樁基采用一維梁單元。其中，土層采用修正的摩爾-庫侖本構模型，建筑物和盾構管片均采用彈性本構模型。根據地勘資料顯示，本工程所在土層自上而下分別為淤泥土、砂土和花崗巖，具有典型的“上軟下硬”特點。

2.2 荷載的施加和邊界

為更好地模擬盾構掘進過程，在掌字面施加600 kPa荷載用于模擬頂推力，在管片與土體開挖臨空面上施加均布荷載300 kPa，用于模擬注漿時所產生的灌漿壓力。

盾構掘進示意圖如圖1所示。

圖1 盾構掘進示意圖

邊界條件：（1）左右邊界約束X向的平動位移；（2）模型前后邊界約束法向的平動位移（因前后邊界并非垂直于某一軸，故邊界定義時，遵循法向設置原則，在軟件中通過調整節點坐標系后，施加對應法向約束）；（3）模型底部邊界約束X、Y、Z向的平動位移；（4）模型頂部面為地表面，不施加任何約束。

2.3 施工工況模擬

計算工況匯總如表1所示。

表1 計算工況匯總

計算模型采用全映射網格劃分，最終劃分的網格節點45 736個，單元個數42 853個，本次分析共41個工況，含2個盾構掘進施工前工況及39個盾構施工過程工況。盾構隧道初始掘進面設為0。此次分析主要在于評價新建盾構隧道開挖對既有建筑結構的影響，考慮的是盾構隧道施工引起的增量位移，故對既有建筑結構施工引起的位移和初始應力場引起的位移進行清零[9]。既有建筑與盾構空間關系如圖2所示。

圖2 既有建筑與盾構空間關系圖

3 計算結果分析

3.1 拱頂沉降分析

盾構掘進過程中拱頂沉降模擬結果曲線如圖3所示。

圖3 拱頂沉降曲線

由圖3可知，現場實際監測拱頂最大沉降為17.1 mm，有限元模擬得出拱頂最大沉降為17.5 mm，表明本文建模方法正確。在盾構掘進施工時，由于隧道處土體被挖空，有明顯的卸荷作用。因此土體先產生較大沉降，盾構管片安裝不斷推進，土體沉降趨于平穩。

3.2 地表沉降分析

盾構掘進施工中不同斷面地表沉降如圖4所示。

圖4 不同斷面地表沉降曲線

由圖可知，現場實際監測地表最大沉降7.9 mm，有限元模擬得出地表最大沉降為9.1 mm，基本與實際相符合。在無建筑物斷面位置，地表沉降曲線基本呈現出正態曲線分布，當有建筑物分布時，由于結構幾何尺寸大、整體剛度大，故結構分布區間基本呈線性分布，隨后極速減小。

3.3 盾構管片分析

盾構施工全過程管片結構最大主應力云圖如圖5所示。

圖5 盾構掘進S28管片結構最大主應力云圖

盾構機向前掘進過程中，管片結構最大主應力的數值和分布區域逐步向前推進。管片最大主應力均為壓應力，遠小于C30混凝土抗拉強度強度1.57 MPa，說明管片結構安全。

4 結語

（1）掘進模擬過程的地層最大豎向地層位移17.5 mm，位于隧道拱頂位置處。在盾構掘進施工時，由于隧道處土體被挖空，有明顯的卸荷作用。土體先產生較大的沉降，盾構管片的安裝不斷推進，土體沉降趨于平穩。（2）地表最大沉降9.1 mm，在無建筑物斷面位置，地表沉降曲線基本呈現正態曲線分布，有建筑物分布時，結構幾何尺寸大、整體剛度大，結構分布區間基本呈線性分布，隨后極速減小。（3）盾構機掘進過程中，管片結構最大應力逐漸向前推進，管片最大壓應力遠小于C30混凝土抗拉強度，管片結構安全。