城市地鐵隧道開挖對臨近既有建筑影響研究

0 引言

隨著城市化進程的不斷加速，地下空間的開發利用已成為緩解城市地表空間緊張問題的重要手段，其中地鐵建設占據了舉足輕重的地位[1]。作為一種高效便捷的交通方式，地鐵不僅提高了城市交通承載能力，也優化了城市空間布局。

然而地鐵施工，尤其是全斷面隧道掘進機TBM隧道施工，對周邊土體和臨近既有建筑的影響不容忽視[2-4]。在施工過程中，由于土體擾動及地層損失，可能導致地面沉降、不均勻變形甚至建筑物損壞，從而對建筑物的使用功能和結構安全造成威脅[5]。

目前，國內外學者對地鐵TBM施工引起的土體變形和鄰近建筑物沉降問題開展了廣泛研究，提出了諸如理論分析、模型試驗和數值模擬等多種研究方法。其中，數值模擬因其能夠在多種工況下提供細致的計算結果，已成為分析TBM施工對臨近建筑物影響的主流手段。然而現有研究多集中于典型地質條件下對土體及建筑物變形的分析，對于特定工程條件下影響因素的系統研究仍顯不足，尤其在地鐵TBM施工過程中的土體的沉降變形及建筑物變形規律尚需進一步探討。

基于此，本文以某城市地鐵TBM隧道施工為研究背景，通過有限元數值模擬方法，分析TBM施工過程中土體與臨近建筑物的變形規律，重點探討隧道埋深及施工距離對建筑物變形的影響。通過研究，旨在為類似工程中的地鐵施工方案優化和鄰近建筑物保護提供科學依據，并為復雜城市環境中的地鐵建設安全及技術提升提供參考。

1工程背景

本研究依托某城市地鐵隧道工程，該工程位于城市核心區域，周邊建筑密集，地下管線分布復雜，施工環境條件極為特殊。線路長約 32.5km ，均為地下線，共設27座車站，平均站間距 1141m 。隧道工程區域剖面如圖1所示。

圖1隧道工程區域剖面

該TBM隧道全長越 9km ，隧道設計直徑為 6.2m ，埋深約 39.4～53.4m ，主要穿越粉質黏土、礫砂及花崗巖等復雜地質。隧道沿線鄰近建筑多為框架結構，基礎形式以獨立基礎和樁基礎為主，部分建筑存在基礎加固歷史。此外，隧道與部分既有建筑的水平距離不足 20m ，進一步增加了施工對周邊建筑物影響的難度。

2TBM施工對臨近建筑影響的數值模擬

2.1 模型建立

本研究基于上述工程背景，采用有限元數值模擬方法，建立包含既有建筑物、隧道及周圍土體的三維計算模型。模型用于分析TBM施工過程中土體變形和建筑物變形的規律及影響因素，包含兩條TBM隧道和鄰近的既有建筑物。

數值模型橫向寬度為 100m ，縱向長度為 40m ，垂直深度為 30m 。隧道埋深從地表算起為15m，隧道直徑為6.2m 。臨近建筑物為四層框架結構，基礎埋深 2m 。采用獨立基礎，其距離隧道右線中心線水平距離為 20.5m 。數值計算模型如圖2所示。

圖2數值計算模型

2.2模型參數及邊界條件

模型中的土層按工程地質報告分為4層：上部為黏性土層，中部為粉砂夾少量砂層，下部為粉質黏土層，底部為中風化砂巖。土體力學參數如表1所示。

表1計算參數

隧道采用圓形斷面，襯砌材料為混凝土，模型中假設襯砌為彈性材料，襯砌厚度為 0.35m ，彈性模量為30GPa ，泊松比為0.2。既有建筑物為4層框架結構，其柱、梁、板及基礎均假設為剛性體，建筑自重及荷載通過節點作用于地基土體上。在水平邊界及底部設置固定邊界，頂部自由，保證模型中邊界條件不會對計算結果產生顯著影響。

2.3 模擬方法

TBM施工采用分步開挖的方法模擬。隧道掘進過程中，考慮地層損失對土體變形的影響，施工進度按一定長度分階段模擬。TBM施工后及時施加襯砌支護，支護剛度與施工實際一致。同時，在建筑物與隧道之間區域設置隔離樁，分析其對變形控制的作用。

數值模型中采用非均勻四面體單元劃分網格，隧道周邊及建筑物下方區域采用更細密的網格，模型網格數量約為 5×10⁵ 個單元，以提高計算精度，保證計算結果的可靠性和精確性。

3計算結果分析

3.1 地基土體變形

地鐵隧道施工時，地基土體變形如圖3所示。從圖3可以看出，沉降曲線呈現對稱形態，左線和雙線貫通的影響范圍在距離隧道中心線軸約 ±40m 范圍內明顯。這說明土體的變形主要受到隧道施工的對稱性荷載分布影響。隨著盾構施工的推進，最大沉降發生在隧道左線與右線中心軸位置附近，且雙線貫通時沉降量顯著增大。這表明雙線貫通對土體擾動的累積效應較單線施工更為顯著。

圖3地面沉降曲線

左線貫通時最大地表豎向沉降量約為 6.1mm ，沉降“曲線槽”較窄。雙線貫通時，最大地表豎向沉降量增加至 9.7mm ，增加幅度約 60% 。這表明雙線施工的疊加效應顯著。

綜上所述，為減小雙線施工對土體的擾動，應盡量錯開兩條線的施工時間，減少疊加效應。同時應采用隔離樁等保護措施，控制土體變形對建筑物的不利影響。

3.2既有建筑物變形

3.2.1 監測點布設

為了描述建筑物沉降，對建筑物樁基沉降進行監測。建筑物樁基分布示意如圖4所示。建筑物樁基的監測點

圖4建筑物樁基分布

布設在建筑物的基礎上，沿建筑物長度和寬度方向均勻分布，標記為1～14列與A至C行。

3.2.2既有建筑物變形分析

不同工況下樁基沉降如表2所示。由表2可知，在左線貫通情況下，樁基的最大豎向沉降量約為 -0.33mm （發生在B14點），最大水平位移為 0.61mm （發生在B14點）。整體上，沉降與水平位移數值較小，分布均勻，表明單線施工對樁基的擾動較小，影響范圍有限。

表2樁基沉降統計

離隧道較遠監測點（如A12、B12、C12）的沉降與水平位移均顯著減小，說明單線施工引起的影響在遠離隧道中心線時逐漸減弱。在雙線貫通情況下，樁基的最大豎向沉降量顯著增大至 -3.35mm （發生在A14點），最大水平位移為 3.34mm （發生在A14點）。相較左線貫通，豎向沉降量增加了10倍以上，水平位移也大幅增長。這表明雙線施工的疊加效應顯著，土體變形和建筑沉降顯著加劇。此外，靠近隧道的監測點（如C12點）的豎向沉降和水平位移均較遠離隧道的點（如A14點）更小，顯示雙線施工的影響范圍更廣，且靠近隧道的區域對沉降的敏感性較低。

整體來看，雙線貫通對建筑物樁基的影響顯著大于左線貫通，施工對臨近建筑的沉降與位移影響范圍擴大，累積效需要在施工過程中予以特別關注。應重點針對靠近隧道的建筑物采取必要的保護措施，如設置隔離樁或優化施工順序，以控制沉降和位移影響。

3.3隧道埋深對建筑物變形的影響

3.3.1對沉降的影響

不同隧道埋深下建筑物最大豎向沉降如圖5所示。從圖5可以看出，隧道埋深對建筑物最大豎向沉降的影響具有顯著的規律性。隨著隧道埋深的增加，建筑物的最大豎向沉降量逐漸減小，且雙線貫通時的沉降量始終顯著高于左線貫通時的沉降量。

分析認為，埋深的增加能夠有效減少施工對地表及建筑物的影響，這主要是由于較大的埋深能夠減弱隧道施工引起的土體擾動效應，降低地表沉降幅度。此外，雙線貫通時，由于施工疊加效應，建筑物沉降顯著高于左線貫通時，說明雙線施工對建筑物的影響更為劇烈。

定量分析表明，當隧道埋深為14.6m時，左線貫通和雙線貫通情況下的建筑物最大豎向沉降量分別為-0.9mm 和 -7.6mm ；當埋深增加至24.6m時，沉降量分別降低至 -0.4mm 和 -3.2mm 。這表明，埋深從14.6m增加到24.6m時，建筑物最大豎向沉降量分別減少了 55.5% （左線貫通）和 57.9% （雙線貫通），埋深對沉降的減緩效果基本呈線性趨勢。

綜上所述，增加隧道埋深可以顯著減小建筑物的豎向沉降，且對雙線施工的減緩效果尤為明顯。在實際工程中，為減小建筑物變形影響，應在施工設計中優先考慮適當增加隧道埋深，同時結合其他措施進一步控制施工擾動對臨近建筑的影響。

3.3.2對水平位移的影響

不同隧道埋深下建筑物最大水平位移如圖6所示。從圖6可以看出，不同隧道埋深下，建筑物的最大水平位移隨隧道埋深的增加而逐漸減小，且雙線貫通時的水平位移始終顯著大于左線貫通時的水平位移。定性來看，隧道埋深越大，土體對施工擾動的傳遞效應逐漸減弱，因此建筑物的水平位移隨之降低。同時，雙線貫通由于隧道施工的疊加效應，導致土體的水平變形更顯著，對建筑物水平位移的影響更大。

圖5不同隧道埋深下建筑物最大豎向沉降

圖6不同隧道埋深下建筑物最大水平位移

定量分析表明，當隧道埋深為14.6m時，左線貫通和雙線貫通情況下的建筑物最大水平位移分別為1.5mm和 4.3mm 當埋深增加至24.6m時，最大水平位移分別降低至 0.5mm 和 3.4mm ，減幅分別為66.7% （左線貫通）和 20.9% （雙線貫通）。這表明埋深的增加對水平位移的減緩效果十分明顯。

綜合來看，適當增加隧道埋深可以顯著減小建筑物的水平位移，特別是雙線施工的影響。在實際工程中，可通過合理設計隧道埋深以有效控制建筑物的水平變形，降低施工對臨近建筑物的安全隱患。

3.4隧道中心線到建筑物距離的影響

3.4.1對最大沉降的影響

不同隧道中心線到建筑物距離下建筑物最大沉降如圖7所示。從圖7可以看出。不同隧道中心線到建筑物距離對建筑物最大沉降影響顯著。隨著隧道中心線到建筑物距離的增大，建筑物最大沉降逐漸減小，且雙線貫通時的沉降始終大于單線貫通時的沉降量。

圖7不同隧道中心線到建筑物距離下建筑物最大沉降

定性分析表明，建筑物距離隧道中心線越近，受隧道施工擾動的影響越大，沉降量顯著增加，而距離越遠，施工引起的影響逐漸減弱。雙線貫通由于疊加效應對土體擾動更大，導致建筑物沉降更為顯著。

圖8不同隧道中心線到建筑物距離下建筑物最大水平位移

定量分析顯示，當距離為11.5m時，單線貫通和雙線貫通情況下的最大沉降量分別為 -1.2mm 和 -10.1mm 而當距離增至21.5m時，最大沉降量分別減小至 -0.2mm 和 -2.7mm ，單線和雙線貫通的沉降分別減少了 83.3% 和73.3% ，說明距離增加對沉降量的減緩作用顯著。

3.4.2對最大水平變形的影響

不同隧道中心線到建筑物距離下建筑物最大水平變形如圖8所示。從圖8可以看出，隧道越接近建筑物，對土體和建筑物的水平擾動越顯著。而隨著距離的增大，這種擾動效應逐漸衰減。

綜合來看，合理增加隧道與建筑物之間的距離是減少水平變形影響的有效措施，尤其是在雙線貫通的情況下，效果更加顯著。為此在進行施工設計時，應盡可能保證隧道遠離建筑物，并采取其他必要的控制措施，以減小建筑物的水平變形，保障安全性。

4結論

通過對某城市地鐵TBM隧道施工過程中土體和鄰近建筑物變形的數值模擬研究，得到以下主要結論：

1）雙線貫通相較單線施工對土體及建筑物的影響更為顯著，表現為更大的地表沉降和建筑物沉降及水平位移，疊加效應顯著。因此雙線施工需特別注意對建筑物的保護，可通過優化施工順序及采取隔離樁等措施減小影響。

2）隧道埋深越大，建筑物的豎向沉降和水平位移均顯著減小，且變形減小效果基本呈線性趨勢。埋深對雙線貫通的減緩效果尤為明顯，增加隧道埋深是減少建筑物變形影響的重要措施。

3）隧道中心線距離建筑物越近，建筑物的沉降和水平位移越大。合理增加隧道與建筑物之間的距離，可以有效減小施工擾動對建筑物變形的影響，是減少安全隱患的關鍵。

在實際工程中，應結合隧道埋深和與建筑物的距離設計合理的施工方案，同時采用多種保護措施減小施工對臨近建筑的沉降和變形影響，為復雜城市環境中的地鐵施工提供技術支持。

參考文獻

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