砂性土中盾构隧道施工产生的影响范围研究

张 炜

(上海市隧道工程轨道交通设计研究院，上海 200235)

0 引言

目前我国待建或在建的轨道交通项目大部分穿越城市中心区域。而城市中心区域(由于是老城区)由于发展时间久、缺乏统一规划致使老城区道路狭窄并存在大量老旧建(构)筑物以及密集的管线等对于地铁施工及运营极为敏感的风险源。因而施工前对盾构隧道沿线周边风险源进行辨识并采取针对性的保护措施显得尤为重要。

1 现状及存在的问题

轨道交通建设过程中，尤其是盾构隧道施工时，会不断地对盾构机前端及周围土体产生扰动。盾构机在向前推进时，前方土体受到挤压变形，使得盾构前方土体产生不同程度隆起。同时，管片拼装完成之后，管片与土体之间存在不同程度的空隙，导致地层损失而引起沉陷。这些扰动都会对周边建(构)筑物产生沉降、倾斜、裂缝等等不良事故。

为了避免此类事故的发生，国内外学者进行了大量的研究。我国住房和城乡建设部及国家质量监督检验检疫总局联合发布了GB 50652—2011 城市轨道交通地下工程建设风险管理规范(下文简称《风险规范》)，并于2012年1月1日起实施。

《风险规范》规定了轨道交通项目在不同实施阶段需要进行的风险研究，其中轨道交通地下工程施工环境影响的分级首先按照条文说明7.3.4 中表6 确定邻近关系，再按照条文说明7.3.4中表7 进行定级。

为了安全起见，大部分城市在地铁设计时，会根据《风险规范》均采用投影距离。但同时，此种判定方法忽略了不同埋深下的盾构隧道对于地表影响的不同，因此会造成在设计和施工上的浪费。针对上述问题，笔者结合实际工程对不同埋深的盾构隧道对地表建构筑物的影响进行了分析。

2 工程概况

本文选取哈尔滨轨道交通3 号线二期工程某段盾构进行研究，隧道全长约596 m，沿线为哈尔滨市核心区域，线路两侧均为密集的居住及商业建筑，同时存在大量的历史保护建筑。隧道线路纵断面采用2‰，14.23‰，2‰的单向坡，隧道中心线最浅埋深为8.65 m，最深处为21.60 m。根据勘察报告，该场地地层结构从上到下依次为:表层由①杂填土组成;上部地基土主要由粉细砂组成，分别为②1粉质粘土、②2粉砂、②3细砂、②4中砂;中间主要由中粗砂夹厚薄不均的粘性土组成，分别为⑦1粘土、⑦2中砂;下部基岩为⑧1全风化白垩纪泥岩。

3 计算模型

本文采用plaxis 有限元软件，建立二维平面应变模型，对盾构穿越两层历史保护建筑进行模拟，选取同一断面不同深度进行对比。隧道衬砌及地面建筑用板单元模拟，土体采用H-S 模型，用15 节点的三角形单元划分网格。为了进行对比，分别选取了盾构中心线埋深12.5 m 及22 m 两种深度进行计算分析。

在模拟隧道开挖时，有径向收缩法、应力释放法、等代层法及注浆压力法等一系列方法。在本次plaxis 模拟计算中，采用径向收缩法来模拟地层损失，取收缩率为0.5%。

4 计算结果及分析

经计算，可以得出如图1～图4 及表1 所示结果。

图1 浅埋工况土体竖向变形云图

图2 深埋工况土体竖向变形云图

表1 计算结果统计表

由计算结果可知，当隧道中心处于12.5 m 埋深处时，应属于浅埋隧道，其上覆土应按全土柱模式计算。图1 显示了此埋深下土体竖向位移变化，由于隧道开挖引起的上方土变形近似为隧道上方竖向区域内，地表影响范围较小，但竖向沉降值较大。且由于影响范围较小，使得建筑物接近于隧道处的沉降大于远离处的沉降，造成不小的差异沉降，如图3 所示。而当隧道中心处于22 m 埋深时，由图2 可看出隧道上方土体变形已不止是隧道正上方，而是沿着隧道底部形成一漏斗形区域。土体由于扰动形成了明显的拱效应。变形最大土体在隧道正上方形成了高约10 m 的拱。由此可以看出，此时已符合深埋隧道的特点。而隧道上方形成的塌落拱可按太沙基公式近似计算，计算模型如图5 所示。

图3 浅埋工况隧道两侧建筑物底板竖向沉降

图4 深埋工况隧道两侧建筑物底板竖向沉降

图5 压力拱模型简图

覆土厚度H=19 m，计算半径R0约为3 m。根据太沙基理论公式可得出:

由上式可知，根据太沙基理论公式所求得的塌落拱土体高度h0与plaxis 计算出的变形拱的高度吻合，故根据计算可知，虽然随着隧道埋深的增加，盾构施工对地表的变形影响区域会增大，但由于土体塌落拱的形成，使得地表的变形量反而减小，并且由于范围的加大，引起建筑物竖向沉降的范围也相应加大，从而使得建筑物自身的差异沉降相对减小。由此可见，同一土层中，隧道埋深越深，反而对地面建筑影响越小并趋于有利。

5 结论与建议

1)根据本次模拟计算可知，盾构隧道施工对于地面建筑，尤其是浅基础的砖木结构建筑，影响很大。如果不做好保护措施，会导致不良后果;隧道施工会使已有建筑物产生差异沉降，对于年代久远的历史建筑，差异沉降将严重威胁建筑安全。

2)计算结果显示，不同埋深的盾构隧道，对地表浅基础建筑影响不同。随着埋深的增加，地表受影响区域不断加大。

3)虽然隧道施工在地表引起的范围随深度不断增加，但其对于地表的影响程度却随着盾构隧道埋深的增加而降低，因此当遇到地面风险源时，可适当增加隧道埋深来降低风险。

4)随着盾构隧道埋深的增加，砂性土中会逐渐形成拱效应，而土拱之外的土层所受到的影响会相应减小。因此设计和施工时，如果可以充分利用此效应，使周边建(构)筑物处于此范围之外，可在一定程度上降低风险，降低相应加固量，从而起到控制施工质量和成本的作用。

［1］GB 50652—2011，城市轨道交通地下工程建设风险管理规范［S］.

［2］中国土木工程学会，同济大学.地铁及地下工程建设风险管理指南［Z］.2007.

［3］The International Association of Engineering Insurers (IMIA).Human factors in engineering risk［Z］.The International Association of Engineering Insurers Working Group No.8，2000.

［4］GB 50157—2013，地铁设计规范［S］.

［5］刘建行，侯学渊.盾构法隧道［M］.北京:中国铁道出版社，1991.