天津濱海軟土場地地鐵盾構隧道施工對地面結構的影響研究*

張 煜，王大永，張壯壯，王星凡，李 晨，張學杰，陳 宇，呂 楊

(1.中鐵一局集團天津建設工程有限公司，天津 300250； 2.天津城建大學天津市土木建筑結構防護與加固重點實驗室，天津 300384； 3.中國民航大學交通科學與工程學院，天津 300300)

0 引言

地鐵可有效緩解地面交通壓力，顯著提高土地利用率，因此，地鐵軌道交通是我國各大城市重點發展的交通形式。天津地區地質條件差，大部分地區屬于海積軟土。海積軟土承載力低、壓縮性大、地下水位高，且土質條件沿深度變化大，自地表向下分布有填土、淤泥質土、黏土和砂性土等。為節約土地，地鐵隧道往往穿越已有城市核心區，盾構隧道施工穿越地表建筑的情況較多。軟土場地隧道施工對地表建筑的影響顯著，常引起上部結構傾斜、開裂等，上部結構的存在也會導致盾構隧道上部土體發生變形[1]。因此，盾構隧道、土層、上部結構作為相互影響、相互作用的整體，受到了國內外學者的廣泛關注[2-3]。Burland等[4]基于結構潛在的變形模式和材料臨界拉應變，計算了盾構施工對地表建筑結構的損害，提出了依據初始裂縫發展與撓度比對砌體結構破壞級別進行分類。在工程實測數據的基礎上，Boscardin等[5]對不同破壞級別的拉應變變化范圍進行了重新標定，并提出了采用角度扭曲和水平應變確定結構破壞等級的方法。Chen等[6]將隧道開挖引起的地層位移解析解和簡化邊界元法相結合，研究了樁基在鄰近隧道施工時的水平和豎向反應，并在大量分析數據的基礎上給出了樁體最大反應的評價簡表，研究結果表明，盾構隧道開挖過程中，隧道形狀、土層損失率、土體強度、樁徑、樁長及覆土厚度等均會對附近樁基變形產生影響。施成華等[7]應用隨機介質理論，將土層視為隨機介質，將地表下沉考慮為隨機過程，計算了連拱隧道開挖產生的地表位移和變形，并據此給出了隧道開挖施工對地表建筑的影響程度。孫吉主[8]根據隧道與基樁空間位置的不同情況，提出了基樁沉降的簡便工程分析方法。Mroueh等[9]采用三維有限元方法分析了隧道施工過程對地表建筑物的影響，研究結果表明，建筑物自重會顯著影響隧道開挖引起的地表沉降量。孔秋珍等[10]采用空間有限元模型計算了地面房屋橫跨不同凹凸區的情況下，房屋不同方向和區域的變形規律，為隧道近距離穿越地表建筑物提供了參考。Jenck等[11]利用FLAC 3D分析軟件模擬了盾構施工和建筑物變形，研究了地層損失率和建筑物剛度對地表位移的影響，研究結果表明，建筑物所在區域地表沉降與無建筑物區域具有明顯差異。鐘志全等[12]采用有限元軟件PLAXIS 3D對巖溶地層盾構下穿建筑物掘進過程進行數值模擬,分析了建筑物下方有無溶洞工況下盾構下穿對建筑物沉降的影響及影響范圍。郭紅斌等[13]以廣州市地鐵13號線棠下—珠村段盾構始發井開挖施工為例，介紹了在復雜城市建筑和地質條件下,地下連續墻+環框梁圍護結構、多種豎井開挖技術相結合的施工方法，并探討了微風化泥質粉砂巖采用氣體膨脹爆破法開挖的關鍵施工技術。劉德斌[14]基于MIDAS GTS軟件建立三維盾構隧道開挖有限元模型，對盾構施工引起的地表沉降、土體塑性區、鄰近建筑物影響及盾構管片受力情況進行數值模擬分析。佟曉冬等[15]以天津關軟巖隧道為依托，采用現場試驗與理論分析相結合的方法，研究鎖腳錨桿的支護效果，提出進一步優化措施，并研究錨桿直徑和長度對支護效果的影響。此外，國內外還有很多學者開展了地鐵盾構施工對臨近工程設施影響的研究[16-21]。

本文以天津濱海軟土場地地鐵4號線北段土建|標段盾構隧道工程為研究對象，建模時將地基、基礎及上部結構視為整體進行分析，通過考慮盾構隧道、土層和上部結構的相互作用，研究盾構施工過程對地表沉降、上部結構變形和內力的影響規律。

1 工程概況

天津地鐵4號線北段土建1標段盾構區間全長1 869.918m，線路下穿多處建筑、津霸鐵路及多條市政管線，盾構施工時對地表變形的要求嚴格。

以盾構隧道地表某框架結構為例，研究地表建筑與盾構隧道施工相互作用規律。地表框架結構建筑共7層，結構總高度26.6m，首層層高5m，2～7層層高3.6m，平面布置如圖1所示。柱截面尺寸為500mm×500mm，梁截面尺寸為300mm×500mm，樓板厚0.10m，采用C30混凝土，樁長14.7m。隧道與建筑物的位置關系如圖2所示。

模擬區間材料主要物理力學參數如表1所示，根據土層物理力學參數，將土層劃分為10層。地下水深度為2.4m，地下水水位以下土體按飽和土體計算，地下水水位以上土體按天然重度計算。按照規范要求，管片材料參數按15%折減，折減后彈性模量為28.8GPa。考慮注漿層硬化過程，初始注漿層彈性模量取為4.8MPa，硬化后的彈性模量為初始值的2.25倍，取為10.8MPa，通過場變量進行控制。

表1 材料主要物理力學參數

2 盾構掘進過程數值模擬

2.1 有限元模型建立

采用ABAQUS軟件建立計算模型，如圖3所示。由于盾構開挖時，上部建筑物在自身重力作用下沉降已完成，所以框架結構沉降及變形均由盾構開挖引起。

考慮地下水作用的土體單元采用C3D8RP單元模擬，襯砌和注漿層采用C3D8R單元模擬，盾構機采用殼單元模擬。土體采用Mohr-Coulomb本構模型。

框架結構梁、柱、基礎均采用梁單元B31模擬，樓板采用殼單元模擬。

樁基礎采用梁單元模擬，并采用樁基礎與樁端單元模擬樁和土體之間的接觸關系，為保證模型更好地收斂，其余接觸關系均采用綁定接觸。

2.2 盾構施工模擬

模型四周及底面施加切向約束，頂面為自由邊界，地下水水位處施加零孔壓邊界條件，其余面施加不透水邊界條件，開挖面由于穿越黏土層，施加不透水邊界條件。隧道開挖時，地層擾動影響范圍為距隧道橫斷面和縱斷面中心點3～5倍盾構隧道直徑，計算得到有限元模型邊界長約為80m、寬約為30m、深約為32m。

假設土體為理想彈塑性體，管片襯砌和注漿層應力、應變在彈性范圍內。首先進行整體模型地應力平衡，將模型施加重力荷載，同時鈍化襯砌、注漿層和盾構機。為消除邊界約束的影響，計算時盾構機并不是從端部開始掘進，而是距端部一定的距離開始掘進。分析步驟如下：①第1步 將盾構機后部隧道內土體鈍化，同時激活相應位置的襯砌和注漿層，并激活掌子面壓力；②第2步 將盾構機置于指定位置，激活相應位置的盾構機，同時鈍化相應位置的土體，激活掌子面壓力，取消上一步的掌子面壓力；③第3步 鈍化第1塊開挖土體和第2步激活的盾構機，同時激活開挖土體位置的盾構機和鈍化位置的襯砌、注漿層，激活下一步開挖面的掌子面壓力，鈍化上一步的掌子面壓力。

3 數值模擬結果分析

3.1 地表沉降

將隧道直徑記為D，將隧道中心線到框架結構中心線的距離記為L，分別取L/D=0，L/D=1，L/D=2進行分析，結果如圖4所示。由圖4可知，當土體上部存在建筑物時，地表沉降不再呈對稱分布，在建筑物存在的位置有明顯變化。當上層框架結構位于隧道正上方，即L/D=0時，在距隧道中心線兩側10m范圍內，地表沉降大于無框架結構時的地表沉降，最大沉降約為4.5mm，此時框架結構呈整體下降，隧道施工對框架結構的破壞程度相對較小；當L/D=1時，隧道正上方地表沉降繼續增大，最大沉降約為5mm，沉降曲線偏向有框架結構的一側，此時上部框架結構發生傾斜，隧道施工對框架結構破壞的影響較嚴重；當L/D=2時，隧道正上方地表沉降較無框架結構時小，最大沉降約為3.5mm。

3.2 基礎沉降

在盾構機掘進過程中，相鄰柱樁基的最大沉降差為2mm<0.002l=12.6mm，l為柱距，滿足容許誤差要求。

3.3 框架結構傾斜

3.4 框架柱受力

3.5 框架梁受力

4 結語

本文通過有限元軟件ABAQUS研究了盾構施工對上層框架結構的影響，綜合考慮了隧道、土體、框架間的相互作用，研究了距隧道中心線不同距離的地表沉降變化規律，分析了盾構隧道開挖對框架結構變形及受力的影響，得出以下結論。

1)當土體上部存在建筑物時，地表沉降不再呈對稱分布，在建筑物存在的位置有明顯變化。當上層框架結構位于隧道正上方，即L/D=0時，在距隧道中心線兩側10m范圍內，地表沉降大于無框架結構時的地表沉降；當L/D=1時，隧道正上方地表沉降繼續增大，沉降曲線偏向有框架結構的一側；當L/D=2時，隧道正上方地表沉降較無框架結構時小。

2)在整個盾構機開挖過程中，基礎沉降可按盾構機未到達基礎、盾構機到達基礎、盾構機遠離基礎進行階段劃分。當盾構機未到達基礎時，基礎沉降非常小；隨著盾構機的繼續推進，基礎出現較小的隆起；隨著盾構機距基礎越來越近，基礎沉降越來越大；當盾構機到達基礎時，基礎沉降達最大，且越靠近隧道中心線，基礎沉降越大。

3)當盾構機未到達框架柱時，框架結構橫向相對水平位移變化較小；隨著盾構機的掘進，框架結構橫向相對水平位移逐漸增大；當盾構機到達相應的框架柱時，框架結構橫向相對水平位移達最大；隨著盾構機的遠離，框架結構橫向相對水平位移有下降趨勢。

4)當盾構機掘進掌子面未到達建筑物時，框架柱軸力受到的影響較小；當掌子面靠近相應的框架柱時，柱軸力發生較大變化；隨著盾構機繼續推進，框架柱軸力逐漸趨于穩定。

5)開挖初期，隨著盾構機的掘進，框架梁剪力不斷減小，表現為卸載作用；隨著盾構機的繼續掘進，框架梁剪力出現回彈；隨著盾構機的進一步掘進，框架梁剪力逐漸趨于穩定。

6)隨著盾構機的掘進，框架梁梁端彎矩總體表現為先減小后增大最后趨于平緩的趨勢。