巖溶地層盾構掘進影響分區研究

【中圖分類號】 U455.49

【文獻標志碼】 A

0 引言

在城市化快速發展的背景下，地下空間的利用日益增加，隧道建設成為城市發展的重要部分。然而，隧道建設尤其是在復雜地質條件下，如巖溶地區對周圍建筑物的安全構成潛在威脅。因此，本研究旨在通過數值模擬方法，探討隧道開挖對現有建筑物沉降影響的各種因素，以期為城市地下工程提供更安全的施工指導和風險評估。

工程上通常將隧道施工的影響分區分為：強影響區、弱影響區和無影響區三個分區等級，各分區等級的特征及控制措施如表1所示。

表1影響分區分類及控制措施

現階段針對隧道開挖影響分區的定量判斷方法，通常有四種[1]：塑性區準則、應力準則、位移準則和復合準則。通過調研歸納，針對隧道開挖對既有隧道影響范圍的部分劃分方法如下所示：張自光等[使用塑性區準則，通過有限元強度折減法確定的圍巖穩定時的安全系數，以安全系數的突變和與自由場對比的安全系數相對比，分別作為影響范圍強弱和弱無的判斷標準。對于下穿高層建筑的工況，強弱無影響分區的的臨界值，分別覆蓋巖厚度為1倍和3倍隧道跨度。王輝等[3使用位移準則，針對礦山法開挖隧道，以隧道拱頂沉降量 20mm 為穩定性的強弱判斷標準，對建筑物與單洞隧道的不同相對空間位置分布情況進行了數值模擬，確定了既有建筑物對臨近隧道開挖的影響界限。鄭余朝等[4]使用位移準則，依據路基變形控制基準，對地鐵下穿既有鐵路的工況進行了影響分區。王明年等[5使用復合準則，分別利用隧道圍巖的主應力和位移變化速率的大小，判斷盾構重疊隧道的橫向和縱向影響分區范圍。

通過對上述研究的分析可得，隧道近接既有建筑物施工的影響分區研究，按研究對象可以分為兩類：一類以隧道施工開挖的安全性為主要研究對象，此時主要研究既有建筑物所產生的附加應力對施工的不利影響，常用的控制性指標為隧道圍巖塑性區范圍、隧道拱頂的沉降、隧道圍巖的安全系數和安全性系數相對比；第二類是以開挖過程中既有建筑物的安全性為主要研究對象，此時主要的控制指標為既有建筑的沉降量。

本文以貴陽地鐵3號線皂角井站一太慈橋區間為工程依托，研究雙孔盾構隧道的開挖對既有建筑物的影響，并將其影響程度進行分區。沿線既有建筑物情況較為復雜，側穿滬昆單線鐵路橋墩、車水路右幅路樁基，下穿人行地道，多次下穿各類民房。下穿的民房按基礎類型可以分為：人工挖孔樁基礎、獨立柱基礎和條形基礎。本文以工程臨近的典型六層條形基礎建筑為研究對象，民房允許沉降控制標準為15mm，允許局部傾斜的控制標準為 0.2% ，以控制標準值作為強弱分區的臨界值，以控制值的 70% 的作為弱無分區的臨界值。因此當沉降量大于 15mm 時為強影響區、沉降量大于10mm 小于 15mm 時為弱影響區，沉降量小于 10mm 時為無影響分區。

1模型建立

本文以工程鄰近的典型六層條形基礎建筑為研究對象，計算模型尺寸為： 180m×80m×45m ，雙洞隧道的中心距為17m 。如圖1所示。模型只有上表面為自由面，其余面均施加了法向位移約束。為簡化考慮，模型只考慮兩類地層：填土層和中風化白云巖地層厚分別選為 6m 和 34m 。管片內徑為 ?5.5m ，外徑 ?6.2m ，厚 0.35m 混凝土強度等級C50，在計算時考慮0.8的剛度折減。地層及襯砌的模型參數，如表2所示。

表2有限差分元部分模型物理力學參數

圖16層框架計算模型（基礎長度 24m ）

框架柱間距取為 8m×8m ，層高取為 3m 。柱截面尺寸0.5m×0.5m ，框架梁界面尺寸 0.3m×0.6m 。板厚 0.3m 基礎寬度方向取為2跨，寬度為 16m 。為探究建筑物長度對沉降影響分區的影響，分別取基礎長度方向為2跨、3跨和4跨，基礎長度分別為 16m.24m 和 32m 。建筑基礎采用條形基礎，基底埋深取為 1.5m 基礎長度為 24m 時，基礎如圖2所示。柱和梁均采用Beam單元，板單元采用Shell單元，基礎使用彈性模型。梁柱板和基礎均采用C25混凝土，密度2500kg/m³ ，泊松比為0.2。除自重荷載外，在各層施加4kN/m² 的樓面和裝修荷載。本文通過等代層考慮盾尾注漿對地表沉降的影響，參考現有研究結果[6]，等代層厚度取為30mm ，等代層彈性模量取為 1MPa ，泊松比取為0.2。

圖2條形基礎示意（基礎長度 24m ）

數值模擬中先開挖左側隧道，在左側隧道開挖完成后開挖右側隧道。出于簡化計算過程的考慮，隧道每次開挖 4m 。模型在重力作用下達到初始地應力平衡，并清零位移場后，在每一步開挖后再開挖面施加與原始地層側向靜止土壓力值相等的梯形荷載作為支護作用力，然后以等代層模擬壁后注漿，在達到平衡后進行下一步開挖，直至左、右兩側隧道均開挖完成。

為確定雙洞隧隨與既有建筑物處于不同相對位置時，隧道開挖對既有建筑物的影響范圍，設置兩個參數來表示其相對位置關系：隧道埋深 h 和建筑物中心與雙洞隧道中心的水平距 e ，如圖3所示。區間隧道的埋深范圍為 10～26m ，從10m 開始每隔 4m 設置一個理深工況共5個埋深工況;由于雙洞隧道先開挖左側隧道后開挖右側隧道，因此左右兩側并不是完全對稱， egt;0 時雙洞隧道中心位于建筑中心右側； elt; 0時雙洞隧道中心位于建筑中心左側，相對水平距設置-32～32m ，每隔 4m 設置一個水平距離工況，共17組水平位置工況。

圖3隧道與既有建筑關系示意

2 結果分析

以基礎長度為 24m 的工況為例，提取所有建筑物于隧道方位的工況，在隧道施工完成后基礎產生的最大沉降量，以隧道與建筑的水平中心距為橫坐標，隧道埋深為縱坐標作建筑物最大沉降的云圖，如圖4所示。

圖4既有建筑物最大沉降云圖（基礎長度 24m ））

由圖4可知，既有建筑物的最大沉降量，在水平中心距 e 一定時，隨著埋深的增大在逐漸減小；在既有建筑物和雙洞隧道的水平中心距 e ，從0開始增大或減小，在埋深一定的情況下，建筑物的最大沉降量呈現先增大后減小的現象，造成上述現象的可能原因為，當建筑物在雙洞隧道的正上方時建筑物均勻沉降、沒有發生傾斜。隨著中心距絕對值的逐漸增大，建筑物的最大沉降量經歷了兩個過程，在第一個過程，建筑物整體位于隧道開挖所造成的地表沉降范圍內，此時建筑發生不均勻沉降產生傾斜，建筑物的最大沉降量增大；第二個過程，由于建筑物距離隧道的最小凈距在逐漸增大，建筑物在逐漸遠離由于隧道開挖所造成的地表沉降范圍，在此過程中建筑物的最大沉降量在逐漸減小。在隧道埋深為 10m 最小凈距離 e 分別為 _{0m，8m，16m} ，地表和建筑物變形放大500倍的示意，如圖5所示，本圖能較好的反映在埋深一定的情況下，建筑物最大的沉降隨水平中心距的變化情況。

圖5建筑物及地表土層示意（放大系數500）

由上述可知，建筑物的沉降的強弱分界線和弱無分界線的依據，分別為沉降 15mm 和沉降 10mm ，從圖5中分別提取沉降 15mm 和沉降 10mm 的等值線，并根據等值線范圍使用直線段，分別做出強弱和弱無分界線的示意圖，如圖6、圖7所示。利用直線段畫出的范圍要大于等值線包括的范圍，因此利用直線段所確定分區要偏于安全。

由沉降控制強弱分界線示意圖可知，最大沉降 15mm 的等值線并非關于 e=0 完全左右對稱，在 elt;0 時，即雙洞隧道中心位于建筑中心左側時，相同水平凈距絕對值，對應最大沉降 15mm 等值線的埋深，要小于 egt;0 ，即雙洞隧道中心位于建筑中心右側時的埋深。在地表最大沉降量和水平凈距絕對值一定時，對應等值線的埋深越大，說明隧道對地表建筑物的影響越大?？紤]到數值模擬采用先開挖左側隧道后開挖右側隧道的施工順序，雙洞隧道中心位于建筑中心左側時建筑的最大沉降量要小于雙洞隧道中心位于建筑中心右側時的，因此一般情況下先開挖距離建筑物較遠的隧道要比先開挖距離建筑物較近的隧道，造成建筑物的最大沉降量小。沉降控制弱無分界的沉降 10mm 等值線，也同樣有上述規律。

觀察建筑物最大沉降量 10mm 和 15mm 兩條等值線，還可以發現兩條等值線基本上都呈現為W形。一方面，雙洞隧道的W沉降等值線可以印證：建筑物的最大沉降量隨著中心距絕對值的逐漸增大，而經歷的先增大后減小的兩個過程；另一方面可以將其看成兩個單洞隧道沉降槽曲線影響效果的疊加。

圖6沉降控制強弱分界線示意

圖7沉降控制弱無分界線示意

結合圖6、圖7所示的沉降控制的強弱和弱無分界線示意圖，做出既有建筑物沉降控制示意圖，如圖8所示。圖中A部分為沉降控制強影響份區，B部分為沉降控制弱影響分區，C部分為沉降控制無影響分區。值得注意得是，由于本區間隧道最小隧道埋深約為 10m ，所以模型計算時并未考慮隧道埋深小于 10m 的情況。本模型偏于安全的考慮所取雜填土層厚較大為 6m ，在隧道埋深小于 10m 的情況下，地表的沉降量大于地表沉降量的控制值。因此為偏于安全的考慮，在隧道埋深小于 10m 的情況下，可以都認為是強影響分區。根據沉降控制部分分區示意圖可知，隧道掘進對建筑物沉降產生強影響和產生影響的水平中心距離 e 的范圍，分別為： -25～25m 和 -30～30m 。

考慮到區間隧道從車站出發再到另一車站的過程中，為節能考慮隧道的埋深一般先增大后減小，因此在考慮隧道開挖對既有建筑物沉降影響時，根據沉降控制分區示意圖需要，主要關注區間隧道沿線且靠近車站處的既有建筑物。假設隧道下降段坡度為 25‰ ，則從 10m 埋深的車站出發，隧道里程 128m 范圍內需要考慮對隧道開挖對既有建筑物沉降的強影響，隧道里程 184m 范圍內需要考慮對隧道開挖對既有建筑物沉降的弱影響。

圖8既有建筑物沉降控制分區示意（基礎長度 24m ）

通過數值計算確定基礎長度分別為 16m 和 32m 情況下的建筑物最大沉降云圖，分別如圖9、圖10所示。

通過與基礎長度為 24m 的六層建筑物相同的建筑物沉降影響范圍分區劃分過程，確定了基礎長度為 16m 和 32m 的六層建筑物的沉降影響分區，分別如圖11和圖12所示。

圖9既有建筑物最大沉降云圖（基礎長度 16m ）

圖10既有建筑物最大沉降云圖（基礎長度 32m ）

與建筑物基礎長度為 時的情況相同，圖中A部分為沉降控制強影響分區，B部分為沉降控制弱影響分區，C部分為沉降控制無影響分區。偏于安全的考慮，在隧道埋深小于10m 的情況下，可以都認為是強影響分區。

圖11既有建筑物沉降控制分區示意（基礎長度 16m ）

根據既有建筑物最大沉降云圖，在基礎長度為 16m，24 m 和 32m 的條件下，在隧道開挖完成時，所有工況中建筑物的最大沉降量分別為 19mm?30mm 和 50mm ;同時，在基礎長度為 16m.24m 和 32m 工況下，建筑物沉降有無的埋深分界分別為： 和 16.5m 。由上可以合理得出，隨著建筑物基礎長度的增長，建筑物荷載對沉降的影響越大，建筑物的沉降的最大沉降量越大、建筑物沉降影響范圍的埋深也越大。值得注意的是，根據沉降云圖，在建筑物沉降量最大的工況，建筑物大致位于一側隧道的正上方。

圖12既有建筑物沉降控制分區示意（基礎長度 32m ）

同時，根據建筑物最大沉降云圖，可得在基礎長度為16m，24m 和 32m 工況下，建筑物沉降影響有無的水平中心距的寬度分別為： 35m.60m 和 54m 。基礎長度為 16m 時，影響寬度要遠小于其他兩個工況的，造成上述現象的可能原因為，基礎長度小于雙隧道的最小間距 17m ，由建筑物荷載主要作用在單側隧道開挖所造成的范圍上，因此此工況下隧道開挖的影響范圍要明顯小于另外兩個工況。基礎長度為32m 的工況下，建筑物沉降影響有無的水平中心距的寬度略小于基礎長度為 24m 的工況，可能的原因時，由于基礎長度的增長，在影響范圍外的長度也在增加，在隧道開挖影響范圍外的基礎長度減少了隧道因傾斜產生的沉降。

3結論

本文對雙孔盾構隧道的開挖對既有建筑物的影響程度進行分區，分為強影響區，弱影響區和無影響區。隨著建筑物基礎長度的增長，建筑物荷載對沉降的影響越大，建筑物的沉降的最大沉降量越大、建筑物沉降影響范圍的埋深也越大。值得注意的是，根據沉降云圖，在建筑物沉降量最大的工況，建筑物大致位于一側隧道的正上方。

參考文獻

[1］楊小龍，房有亮，呂志洲.昆明軟土地區雙孔隧道地表沉降預測及影響分區[J].現代隧道技術，2019，56（S2）：347-354.

[2]張自光，仇文革.地鐵區間隧道近接建筑施工工程影響分區研究[J].現代隧道技術，2016，53（1）：75-82.

[3] 王輝，蔣成，鄭朋強，等.城市隧道近接建筑施工的相互影響規律研究丹[J].山東科技大學學報（自然科學版），2019，38（9）： 27-32+49

［4]鄭余朝，蔡佳良，袁竹，等.地鐵隧道下穿既有鐵路近接影響分區和施工控制研究[J].現代隧道技術，2016，53（6）：202-209.

[5] 王明年，張曉軍，茍明中，等.盾構隧道掘進全過程三維模擬方法及重疊段近接分區研究[J].巖土力學，2012，33（1）：273-279.

[6] 邱明，姜安龍，舒勇.城市地鐵盾構施工地層變形三能數值模權分析[J].防交減災工程學報，2014，34（2）：161-16.