盾構地鐵下穿房屋段隧道三維有限元分析

余奕辰, 李晨陽, 楊 濤

(1. 眉山市東坡區住房和城鄉建設局, 四川眉山 620000; 2. 成都軌道交通集團成都地鐵運營有限公司, 四川成都 610000; 3. 重慶交通大學土木工程學院, 重慶 400000)

1 工程概況

某盾構地鐵是某市地鐵建設中的線路之一，大致呈東西走向。區間線路分左右線，下穿房屋段如圖1所示，隧道埋深為10.5～18 m如圖2所示，隧道位于地下水位線以下，主要從礫砂、粉質黏土及全風化-微風化花崗巖帶穿過，局部穿越軟土地層、砂層以及軟硬不均的特殊地層；上部建筑主要為3～15層既有建筑。由類似工程經驗，下穿既有建筑隧道施工引起的地表沉降會對上部既有建筑造成損害，并且圖1中15層建筑與8層建筑位于最小埋深段，結構對施工引起的地表沉降更為敏感。為保證隧道施工正常進行，必須采取相應的地表沉降控制措施。

圖1 房屋與隧道平面

圖2 地質剖面(單位:m)

為了控制地表沉降，本文采用線間注漿加固，即對開挖隧道外1 m范圍進行注漿加固。

2 模型建立

區間隧道最小線間距為20 m，TB 10003-2016由于《鐵路隧道設計規范》規定開挖隧道影響范圍為2D～5D(D為開挖直徑，本文盾構直徑為6 m)，取計算模型大小為48 m×75 m×50 m，地層采用摩爾-庫倫本構模型。建模中地層和結構的物理力學參數如表1所示。

表1 地層與結構物理力學參數

下穿既有建筑隧道開挖造成隧道-房屋基礎-結構三者之間相互作用，要獲得可靠結果必須采用與結構傳力形式相近的模型。為此，對數值模型分析進行說明：

(1) 既有建筑物樓板采用2D板單元；柱采用1D梁單元，并將柱和板的容重設為0，通過對樁頂施加集中力以模擬上部結構對地基的傳力。為保證上部結構整體剛度不變，其彈性模量與截面特性與實際相同。

(2) 盾構外殼、管片均采用2D板單元，由于管片位于開挖土體外，盾構外殼位于注漿層外，故用析取命令生成。

(3) 對模型底部施加豎向約束與水平約束，左右兩側施加水平約束。

(4) 在施工處置中，注漿加固通過改變加固區域的彈性模量，從而改變地層應力釋放路徑并減少隧道開挖對周圍地層擾動，最終減少地表沉降。

為了保證計算模型網格共用節點耦合與網格見疏密良好過渡，采用網格生成順序：生成樁柱網格—生成開挖隧道、注漿層、線間加固區網格—生成加固筏板網格—生成隧道穿越地層網格—生成加固筏板地層—生成剩余地層網格。最終共生成152 979個單元，26 359個節點。具體模型如圖3和圖4所示。

圖3 數值模擬模型

圖4 隧道與上部建筑空間關系

3 結果分析

考慮2種工況：①不采取加固措施直接施工工況進行計算分析；②對隧道進行線間加固，進行分析。

3.1 應力分析

(1)隧道開挖后不僅僅造成開挖處地層應力損失，還會影響到周圍土體的應力水平，其范圍大概在7 m左右，如圖5～圖7所示。其影響范圍與地表沉降范圍一致，如圖8所示。

(2)地層應力損失在開挖處最大，并沿隧道前進方向逐漸減小。隨著開挖進行，地層應力重新分布，之前應力損失地層的應力稍有增大，但總體小于未開挖時地層的應力水平。這與現實是相符的：因為開挖后，隨即施作盾構管片使開挖洞室具有一定的自承能力，并且由于地層沉降，上部建筑物對地層的作用力也不斷調整并使新施加的管片結構承擔應力，從而造成應力增加的現象。

綜上，地表的沉降是因為開挖隧道后，土體應力得到釋放從而造成了開挖底的隆起與開挖頂部的沉降，由于成槽效應自然就波及到上部地層，進而引起建筑物的不均勻沉降。

3.2 沉降分析

(1) 未采取加固：整體最大沉降量為71.8 mm，在隧道底部發生最大隆起量20.99 mm。15層建筑最大不均勻沉降為56.1 mm；8層建筑最大不均勻沉降為20 mm。根據GB 50007-2011《建筑地基基礎設計規范》5.3.4條規定：工業與民用建筑相鄰柱基的沉降差允許值為0.002l(即10 mm)，其中l為相鄰柱基中心距離；高聳結構基礎的傾斜允許值為0.006。在盾構施工完成后其不均勻沉降與基礎傾斜均超過規范所允許值所以有必要進行加固處理,結果如圖9所示。

圖9 未加固時地層沉降

(2)線間加固：整體最大沉降量為10.3 mm，在隧道底部發生最大隆起量6.9 mm。15層建筑最大不均勻沉降為5.99 mm；8層建筑最大不均勻沉降為2.1 mm。加固后結構基礎最大傾斜為10-5，根據GB 50007-2011《建筑地基基礎設計規范》5.3.4條規定：工業與民用建筑相鄰柱基的沉降差允許值為0.002l(即10 mm)，其中l為相鄰柱基中心距離；高聳結構基礎的傾斜允許值為0.006。所以此次加固符合要求能滿足上部房屋的正常使用,結果如圖10所示。

圖10 加固后地層沉降

4 結論

(1) 盾構法隧道在施工過程中，沉隆范圍主要發生在隧道開挖中心線11 m范圍內。該范圍沉降槽大概占到總體積的60%，是盾構施工沉隆反應最嚴重的區域。距隧道開挖中心線11～25 m范圍為次要沉隆區，其沉降值大多在4～8 mm。

(2) 盾構隧道施工引起上部建筑物沉降的主要原因是隧道開挖引起樁底持力層地層應力釋放。應力釋放引起樁底持力層的沉降，使得房屋樁基和上部地表樁周土體下沉。

(3)如不采取加固措施，盾構施工引起的最大地層沉降量為71.8 mm；隧道底部最大隆起量為20.99 mm。15層建筑最大不均勻沉降為56.1 mm；8層建筑最大不均勻沉降為20 mm，不符合規范要求。

(4) 線間注漿加固能夠有效地控制地層沉隆，加固后整體最大沉降量為10.3 mm，最大隆起量為6.9 mm。而建筑物最大不均勻沉降為5.99 mm，滿足規范要求。