盾構隧道施工因素對砌體結構房屋的影響

湯勁松，李梓亮，趙書銀，姜景雙

(1. 道路與鐵道工程安全保障省部共建教育部重點實驗室(石家莊鐵道大學)，石家莊 050043； 2. 石家莊鐵道大學土木工程學院，石家莊 050043； 3. 蘇州市軌道交通集團有限公司運營二分公司，蘇州 215008； 4. 中鐵十六局集團有限公司，北京 100018；5. 中鐵十六局集團北京軌道交通工程建設有限公司，北京 101149)

在土層中開挖隧道，不論采用何種施工技術都會引起地層擾動，產生地表沉降。周文波[1]對影響地層沉降的因素進行了歸納總結，認為引起地層沉降的因素主要分為主觀因素和客觀因素，主觀因素包括盾構隧道施工過程中的超挖、盾構機推進參數的不合理、同步注漿量不足或注漿壓力不合理以及盾構機掘進過程中的姿態等；客觀因素主要有盾構機的選型、隧道的埋深、地層條件等。影響地層沉降的客觀因素一般與地鐵線路的設計有關，在盾構隧道施工過程可控性較小。因此在分析盾構隧道施工對上部砌體結構房屋的影響時，主要研究施工因素，即主觀因素的影響。

趙曉彥等[2]針對粉砂巖地層采用FLAC3D軟件分析了開挖面支護壓力比和注漿層彈性模量對地表沉降的影響，結果表明：在該地質條件下，盾構支護壓力比取0.5，注漿層彈性模量為5MPa時，地表的沉降最小。劉文黎等[3]以武漢地鐵2號線江-積區間盾構始發端為工程背景，根據3種不同強度與穩定性理論對盾構隧道始發井端頭土體加固范圍進行了研究，結果表明：對加固范圍影響較大的影響因素分別為隧道直徑、隧道埋深和土體的抗拉抗剪強度。薛文等[4]等建立了建筑物與基礎、地基協同作用的力學模型，研究了土體損失率、建筑物剛度、地基基床系數等不同影響因素對隧道上方建筑物沉降、傾斜以及內力的變化規律，結果表明：盾構隧道掘進區內，建筑物的最大彎矩值和剪力值受建筑物抗彎剛度、地基基床系數及土體損失率影響顯著。陳大川等[5]運用有限元軟件ANSYS建立三維有限元模型，對盾構法隧道側穿通過某框架結構房屋進行數值模擬，變化框架與隧道中線水平距離和隧道埋深分多種工況對盾構隧道施工對鄰近框架結構變形及內力的影響進行分析。楊歡歡等[6]以太原地鐵某區間盾構隧道工程為例，通過敏感性分析方法確定影響盾構施工地表變形的主要土層參數與施工參數，在此基礎上建立徑向基函數神經網絡模型用于盾構施工地表變形的預測。通過分析已有的成果可知，目前的研究多以盾構隧道施工引起的地表沉降或沉降差作為評價指標，這不能反映砌體結構建筑物的破壞特征；并且，對影響因素的研究多是以單因素分析為主；同時，這些因素對地表砌體結構建筑物的影響程度大小，也鮮見報道，而確定不同因素的影響程度，可為施工控制措施和施工對策研究提供理論依據，這方面的研究是十分必要的。

現采用正交試驗設計方法和Midas-GTS有限元軟件，通過建立地層、盾構隧道和砌體結構共同作用的三維有限元模型，分析不同試驗組合施工過程的數值模擬計算結果，以砌體結構房屋的墻體最大拉應力增量作為評價指標，探討盾構隧道施工因素對砌體結構房屋的影響。

1 正交試驗設計

正交試驗設計是研究多因素多水平的一種試驗設計方法，根據正交性從全面試驗中挑選出部分有代表性的點進行試驗，實現以最少的試驗次數達到與大量全面試驗等效的結果。

1.1 試驗目的及評價指標

砌體結構房屋主要受力構件為塊體和砂漿砌筑而成的墻，其結構材料脆性大，抗拉、抗剪、抗彎能力低，在基礎的不均勻沉降作用下，多層砌體結構房屋的破壞部位主要是墻身，因此，選取砌體結構房屋的墻體作為研究對象。

在空間應力狀態下，墻體的破壞形式主要表現為裂縫，而產生裂縫的原因主要是由于墻體撓曲變形引起拉應力過大所致。為了更好地研究盾構隧道施工給上部砌體結構所造成的影響，忽略建筑物的初始應力狀態，以盾構隧道施工過程中墻體所受到的最大拉應力增量作為評價指標，分析各影響因素在盾構隧道下穿砌體結構房屋過程中對建筑物的影響。

1.2 影響因素及水平

在盾構隧道掘進過程中，現場技術人員會根據出土情況和前方監測數據對盾構機的掘進參數做出相應的調整和控制，主要的控制參數包括：土倉壓力、渣土改良參數、刀盤轉速和扭矩、千斤頂推力、推進速度、出土速度、同步注漿材料的性質以及同步注漿壓力和注漿量等。上述盾構掘進參數使用巖土工程軟件很難一一進行模擬，因此，將以上參數進行等效轉換：土倉壓力可以等效成掌子面支護壓力；渣土改良參數、刀盤轉速和扭矩、千斤頂推力、推進速度和出土速度等主要影響施工擾動的程度，可等效成刀盤擾動范圍；同步注漿材料的性質等效成注漿層彈性模量；而同步注漿的主要作用為填充盾尾間隙，假設盾尾空隙被漿液均勻填充，不考慮同步注漿過程中漿液在土體中的擴散，即不考慮同步注漿壓力和注漿量的影響。

(1)掌子面支護壓力。掌子面支護壓力即為土倉壓力，是盾構機掘進過程中施加在刀盤前方土體上的支護力，是影響開挖面前方土體隆沉的關鍵因素。正常施工過程中，掌子面支護壓力應取刀盤中心處土體的靜止土壓力，但由于施工過程中隧道埋深深淺不一以及一些人為因素和施工中未知因素的影響，導致掌子面支護力與理論值存在差異。因此，為探究不同支護壓力對上部砌體結構房屋的影響，本文選取3種不同水平的支護壓力，分別為0.5p、1.0p、1.5p，其中p為刀盤中心點處土體的靜止土壓力強度，其計算公式為

(1)

式中：K0為靜止土壓力系數；γ為土的重度；H為隧道埋深；D為盾構機刀盤直徑。

(2)刀盤擾動范圍。盾構機在掘進過程中，很難實現對周圍地層的零擾動，地層類型、對前方土體改良的程度以及盾構機操作手操作水平等因素都會影響到刀盤對前方土體切削的難易程度，從而影響刀盤的轉速和扭矩，進而影響到刀盤對周圍土體的擾動范圍。根據現場經驗以及相關的研究可知[7]，盾構機刀盤在切削土體過程中對周圍地層的擾動范圍最大約為3m，故對擾動范圍選取3個水平，分別為1、2、3m。

(3)注漿層彈性模量。目前，現場施工過程中采用的同步注漿漿液大多為水泥砂漿漿液，在盾構隧道施工前都會針對不同的地層進行相應的注漿材料配比試驗，以此來確定最優的注漿材料配合比。不同配比的注漿材料其力學性質也相差甚大，選擇3種不同注漿材料進行模擬分析，其材料彈性模量分別為1、3、6MPa。

將上述各因素及水平進行匯總，得出因素水平表，如表 1所示。

表 1 因素水平表Table1 Factor levelTable

2 數值模擬方案

2.1 模型建立的基本原則

為了減少其他因素對計算結果的干擾影響，選取隧道從建筑物中間垂直下穿為基本工況，地層為中砂，隧道埋深為1.5D。

考慮到模型的空間效應，在建立模型時確保隧道邊界左右各取6倍的隧道直徑，且滿足建筑物邊緣與模型四周邊緣距離不小于30m，隧道以下地層厚度取3倍的隧道直徑。模型尺寸為100m×66m×36m，整體計算模型如圖 1所示。模型采用位移邊界條件，其中底部為固定邊界，限制其水平及垂直方向的位移；模型周圍限制水平方向的位移；模型上部取至地表，為自由邊界。

圖 1 整體計算模型圖Fig.1 Overall calculation model diagram

為了更好地研究盾構隧道施工對砌體結構房屋墻體拉應力的影響，對建筑物墻體只開窗洞，不開門洞。

2.2 地層參數的確定

選取單一均質的中砂地層，其基本參數如表 2所示。在盾構掘進過程中，盾構機刀盤的轉速和扭矩越大，表明盾構施工對周圍地層的擾動越大，而地層的擾動會使得土體的狀態發生改變。黎春林[7]、徐永福等[8]通過現場實測和經驗公式對盾構擾動范圍內的土體力學性質進行了相關的研究，結果表明在擾動范圍內，土體的力學參數均發生了不同程度的改變，其中影響最大的為土體的彈性模量、黏聚力和內摩擦角。因此，對擾動范圍內的土體參數進行相應的折減：當擾動范圍為1m時，擾動后的土體參數改為擾動土1；當擾動范圍為2m時，1m范圍內土體擾動后的參數為擾動土2，1～2m范圍內土體擾動后的參數為擾動土1；當擾動范圍為3m時，1m范圍內土體擾動后的參數為擾動土3，1～2m范圍內土體擾動后的參數為擾動土2，2～3m范圍內土體擾動后的參數為擾動土1。

表 2 地層參數Table2 Stratigraphic parameters

考慮到隧道的開挖卸載作用，地層的本構模型選用摩爾庫倫和修正摩爾庫倫兩種土的本構模型。從地表至建筑物基礎下方0.5m處采用摩爾-庫倫本構模型，其余土層采用修正摩爾-庫倫本構模型，修正摩爾-庫倫本構模型中的卸載模量取3倍土的彈性模量[9]。

2.3 盾構機、管片及注漿材料參數的確定

地鐵區間隧道設計為標準單洞單線隧道，盾構機刀盤直徑6.44m。管片采用C50預制鋼筋混凝土管片，管片外徑6.2m，內徑5.5m，寬1.5m，管片采用螺栓進行連接。

盾構機、管片以及注漿材料統一采用線彈性模型，考慮到管片接頭的拼裝影響，將管片的剛度按0.85的系數進行折減[10]。注漿層材料采用3種不同的類型，具體參數如表 3所示。

2.4 建筑物參數的確定

建筑物為砌體結構房屋，地上三層，層高3m，無地下室，墻厚240mm；建筑物長42m，寬5.1m，高9.3m；基礎形式為混凝土條形基礎，基礎寬0.6m，埋深0.5m；窗寬1.2m，高1.5m，窗臺高0.9m；建筑物樓板為現澆鋼筋混凝土板，板厚0.1m。

砌體結構房屋的墻體由MU10磚和M7.5砂漿組成，由《砌體結構設計規范》(GB50003—2011)可得其物理力學參數，如表 4所示。

表 3 盾構機、管片及注漿材料參數Table3 Parameters of shield machine， tube sheet and grouting material

表 4 建筑物參數Table4 Building parameters

2.5 施工過程的模擬

盾構隧道下穿建筑物的施工過程按照以下順序模擬：①計算地層的初始應力狀態，地層位移清零；②施加砌體結構房屋，位移清零；③鈍化隧道開挖土體，激活盾殼和掌子面支護壓力，激活土體擾動層；④鈍化盾殼，激活管片和注漿層；注漿完成后將擾動范圍內的土體參數恢復原狀土體參數；⑤重復③～④至隧道開挖完成。

3 計算結果分析

正交試驗表采用4因素3水平正交試驗表進行設計，正交試驗表和數值計算結果如表 5所示。

表 5 正交試驗表及計算結果Table5 Orthogonal testTable and calculation results

對正交試驗結果的分析處理主要有兩種方法：直觀分析法和方差分析法。通過分析，可以得到各試驗因素對試驗結果影響的重要程度等有用信息。

3.1 直觀分析

直觀分析法又稱極差分析法，具有簡單直觀、計算量小等優點，通過對試驗結果的極差分析可以直觀地得到影響因素的主次順序和最佳水平組合。極差分析結果如表 6所示。

表 6 施工過程墻體最大拉應力增量極差分析表Table6 Range analysisTable of the wall maximum tensile stress increment during construction

根據表 6 的極差分析結果可知：刀盤擾動范圍的極差最大，注漿層彈性模量的極差次之，最小的為掌子面支護壓力，因此，影響因素的主次順序依次為：刀盤擾動范圍、注漿層彈性模量、掌子面支護壓力。

為了更直觀地分析各因素對墻體最大拉應力增量的影響趨勢，根據表 6的極差分析結果作各因素對墻體最大拉應力增量的影響趨勢圖，如圖 2所示。

圖 2 各因素對墻體最大拉應力增量的影響趨勢圖Fig.2 Trend diagram on the maximum tensile stress increment of the wall influenced by various factors

由圖 2 可知：施工過程中墻體最大拉應力增量隨著掌子面支護壓力的增加，呈現先減小后增加的趨勢，在1倍靜止土壓力強度時，墻體最大拉應力增量最小。而隨著刀盤擾動范圍的增加，墻體最大拉應力增量出現急劇增加，擾動范圍從1m增加到2m，最大拉應力增量增加了347.702kPa；擾動范圍從2m增加到3m，最大拉應力增量增加了306.884kPa，最大拉應力增量增加值較之前有所減緩。注漿層彈性模量的增加會降低墻體的最大拉應力增量，當注漿層彈性模量從1MPa增大到3MPa時，墻體最大拉應力增量降低149.987kPa；注漿層彈性模量從3MPa增加到6MPa后，墻體最大拉應力增量降低了60.896kPa，最大拉應力增量降低值出現大幅度減小。

圖 3 墻體放大變形及拉應力分布云圖Fig.3 Magnification deformation and tensile stress distribution nephogram of the wall

根據上述結論，在施工過程中，應嚴格控制盾構機刀盤的轉速、扭矩和推進速度，減少刀盤擾動的范圍，對刀盤前方土體宜添加泡沫分散劑進行土體改良；在進行同步注漿時，應嚴格控制注漿材料的配合比，選取強度高、硬化時間短、泌水性小的漿液；盾構機土倉壓力的設置應與理論上的靜止土壓力值基本相當，也可比理論土壓力略大。

3.2 方差分析

為了確定試驗結果差異是來自不同敏感因素相應水平的改變還是來自試驗誤差，取顯著水平α=0.05，對施工過程中墻體最大拉應力增量進行方差分析，方差分析結果如表 7所示。

表 7 施工過程墻體拉應力增量方差分析表Table7 Variance analysisTable of the wall maximum tensile stress increment during construction

根據表 7 對試驗結果方差分析和試驗因素顯著性分析可知：刀盤擾動范圍的F值大于F0.01，表明該因素對試驗結果有高度顯著的影響，為關鍵因素；注漿層彈性模量的F值大于F0.05而小于F0.01，表明該因素對試驗結果有顯著影響；而掌子面支護壓力的F值小于F0.1，表明該因素對試驗結果影響不顯著。該結論與極差分析的結果是一致的，進一步驗證了極差分析結果的正確性。

4 討論

根據圖 2的影響趨勢圖，可以得出試驗方案中的最優方案，即為支護壓力等于靜止土壓力、刀盤擾動范圍為1m、注漿層彈性模量為6MPa。為驗證結果的正確性，采用Midas-GTS三維有限元軟件對最優方案進行數值模擬計算。

4.1 最優方案驗證

房屋墻體最大拉應力增量最大時，墻體放大變形及拉應力分布如圖 3所示。

從圖 3 可以看出，建筑物中線兩側墻體的拉應力分布基本對稱，總體上呈倒八字形，指向建筑物沉降最大位置處；而建筑物拉應力最大的位置出現在窗戶的角上，與總體應力分布相反呈八字形，表明此時墻體易產生八字形斜裂縫。此時墻體最大拉應力增量為673.925kPa。

圖 5 零擾動工況墻體放大變形及拉應力分布云圖Fig.5 Magnification deformation and tensile stress distribution nephogram of the wall in undisturbed condition

將最優方案中墻體最大拉應力增量與表 5的正交試驗結果進行對比，發現均小于試驗結果。在正交試驗方案中，墻體最大拉應力增量最小的試驗號為試驗8，各因素水平為掌子面支護壓力為1.5p、刀盤擾動范圍為1m、注漿層彈性模量為6MPa，該方案中墻體最大拉應力增量為713.433kPa，大于最優方案的計算結果。將最優方案中因素水平與試驗8進行對比，發現只有掌子面支護壓力的水平不同，其余因素水平均相同，而掌子面支護壓力因素為最次要因素，對試驗影響不顯著，由此可以判斷此次正交試驗結果具有一定的正確性。

4.2 最優方案最大拉應力增量分析

選取砌體結構房屋墻體拉應力增量最大的網格單元進行單元應力增量分析，如圖 4所示，圖中點劃線為拉應力增量最大單元所在墻體的位置。

從圖 4可以看出：砌體結構房屋墻體的拉應力增量隨著盾構隧道掘進呈現平緩上升、急劇增加、緩慢增加并趨于穩定的發展趨勢。

圖 4 墻體某一單元拉應力增量隨開挖步變化趨勢Fig.4 The change trend of tensile stress increment of a unit in the wall with excavation step

在開挖步為0～19步時，墻體單元的拉應力增量從0kPa增加到91.457kPa，拉應力增量上升趨勢較為平緩；而從開挖步19～30步，墻體拉應力增量急劇增加，從91.457kPa增加到580.252kPa，增幅達5倍多；開挖過了30步之后，墻體拉應力增量緩慢增加并最終趨于穩定，最終的墻體拉應力增量最大為673.925kPa。

從墻體拉應力增量隨開挖步變化趨勢可以看出，在盾構機到達墻體前1D和通過后1.5D范圍內，盾構隧道施工對上部砌體結構房屋的影響較大，在該范圍內應對房屋加強施工監測。

4.3 最優方案與零擾動工況比較

在目前已有的研究中，大多不討論盾構施工對周圍地層的擾動影響，為探究考慮地層擾動工況和零擾動工況的區別，在最優方案的基礎上，對最優方案進行零擾動分析。

房屋墻體最大拉應力增量最大時，最優方案零擾動工況下墻體放大變形及拉應力分布如圖 5所示。

對比圖 3和圖 5可知：在房屋墻體拉應力增量最大時，兩種工況的墻體應力分布基本相同。但在不考慮盾構施工造成的地層擾動時，砌體結構房屋墻體的最大拉應力增量為280.871kPa，明顯小于最優方案中的墻體最大拉應力增量673.925kPa。因此，如果在盾構隧道施工過程中不考施工對周圍土體所造成的擾動，將會低估盾構施工對上部砌體結構房屋所造成的影響程度，從而對建筑物的安全使用產生不可預估的風險。

5 工程應用情況

在呼和浩特市軌道交通2號線一期工程呼和浩特站至公主府站區間盾構隧道下穿道北小區砌體結構住宅群的施工過程中，根據以上分析結果，通過試驗段施工確定了盾構施工控制參數。為了減少刀盤對前方土體的切削擾動，將刀盤轉速控制在0.8～1.64r/min，推進速度控制在20～30mm/min，總推力控制在8000～12000kN，每環出土量控制在58m3左右。施工過程中將同步注漿量控制在7～9m3/環，注漿壓力控制在0.2～0.3MPa；土倉壓力控制在0.13～0.15MPa；并采用洞內深孔注漿加固技術對隧道周圍土體進行加固，安全順利地通過了砌體結構住宅群。現場踏勘結果表明，房屋墻體沒有出現裂縫；實測最大地表沉降3.6mm，滿足沉降控制要求；保證了施工過程中的建筑物結構安全和正常使用，產生了良好的經濟和社會效益。

6 結論

(1)盾構隧道施工因素對砌體結構房屋的影響按主次排序分別為：刀盤擾動范圍、注漿層彈性模量和掌子面支護壓力。

(2)施工過程中，主要控制盾構機推力、扭矩、推進和出土速度等掘進參數，以減小盾構施工對上部砌體結構房屋的影響。

(3)如果不考慮地層擾動的影響，可能會低估施工對地表砌體結構建筑物的影響程度，給建筑物的正常使用帶來安全風險。