盾构法隧道施工对周边建筑物影响规律研究

田卫明，吴秉其，黄倏祺

(1. 重庆电讯职业学院，重庆 402247；2. 无锡地铁集团有限公司，江苏 无锡 214000)

盾构法隧道施工对周边建筑物影响规律研究

田卫明1，吴秉其2，黄倏祺1

(1. 重庆电讯职业学院，重庆 402247；2. 无锡地铁集团有限公司，江苏 无锡 214000)

盾构法具有机械化程度高、安全、进度快等特点，已成为城市地铁隧道施工方法的首选.但周边建筑的存在，使得在施工过程中对周边建筑物的影响要严格控制.本文针对盾构法隧道开挖过程中对施工区域周边建筑物沉降的影响，利用三维数值模拟手段，对某在建工程实例进行了分析.仿真分析结果表明：盾构法对周边建筑物的影响与距离和建筑物自重有关.文中分析盾构法隧道施工对周边建筑物的影响规律，对地铁施工建设有一定的指导作用.

盾构法；数值模拟；周边建筑物；沉降

盾构法因其具有地面沉降影响小、机械化程度高、施工安全、工人劳动强度低、进度快等优点，近年来发展较快，将成为我国今后城市地铁隧道的主要施工方法.然而地铁隧道在盾构掘进过程中，周围土体由于开挖卸载与土拱作用引用土体总应力变化，土体受挤压作用后地下水位变化引起孔隙水压力变化；而应力的变化导致的土体压缩、弹塑性变形，土体蠕变等都将使土体应变变化.国内外不少学者都认为盾构法施工对周围环境产生了一定程度的影响，引起周围建筑物地表沉降，并对其进行研究.黄润秋等认为盾构法施工引起地面沉降的主要原因是施工区域周围土体的扰动和施工过程中地下水疏排导致地表沉降[1]；赵保建利用ANSYS软件对天冿地铁一号线扩建工程进行了数值模拟，对在建工程安全稳定性作出了评估[2]；韦良文等通过微观破坏分析模型、塑性极限分析模型对盾构隧道开挖面稳定的理论研究进行了概括[3]；张社荣等利用三维有限元法模拟了软地地区条件下的施工[4]；姚爱军等利用FLAC3D软件研究了北京地铁10号线引起邻近建筑物变形特征，结果表明数值模拟结果和现场监控数据接近[5].本文通过一个工程实例，对目前我国在粉土、粘质粉土地质条件下盾构法隧道施工中对周边建筑物影响的问题进行了探讨.

1 工程概况

某地铁车站区间埋深约15～16 m，拟采用盾构法施工.工程范围以粉土、粘质粉土为主，夹有粉砂层，基岩埋深超过37 m，车站基坑深度约18.4 m.车站顶板埋深3.2 m，底板位于粘土层，底板顶面标高约-10.810 m.

车站旁边有一栋 5A级高档甲级写字楼，由1～4层的商业裙房、5～38层的写字楼与3层地下室组成.建筑总面积：99 609.88 m2，总层数33层、总高175.35 m，含屋顶女儿墙及装饰构架总高度为196.0 m.该项目地下室基坑标准深度约15.5 m，地下室与区间结构最近距离约为12 m，两者实施时区间施工引起的地层松弛将导致摩擦桩承载能力损失、地表沉降等.虽然该项目与地铁车站不存在相互交叉关系，工程实施在空间上没有冲突.但距离较近，相互施工间存在影响，因此有必要对两者间的相互影响进行分析.既有车站主体结构与地块位置关系如图1所示，其中地块基坑开挖边线距离主体结构外边线24.4 m.

图1 车站主体结构与地块位置关系图

2 盾构在软土中施工地表沉降规律

2.1 盾构施工对周边环境的影响范围规律

盾构法隧道施工的影响范围，可根据地层损失、隧道埋深、隧道尺寸、盾构类型并结合地面建筑物基底压力扩散对隧道的影响确定[6-7].一般认为基底压力按 45°向下扩散，影响范围边线定在隧道扰动区外，隧道扰动区为 2R(R为隧道半径)，如图2所示，在1区内的建筑物基础需要进行必要处理，如基础型式采用桩基础并深入隧道结构下或其它基础加固措施，2区内的建筑物基础通常不需要进行加固，虽然对建筑物有一定的损害，但不影响结构正常使用；3区内建筑物不会受到施工影响.

图2 盾构施工对周边建筑物影响范围示意图

2.2 盾构施工对周边环境的沉降影响规律

区间隧道在粘土中采用盾构法掘进时，施工时的扰动引起的地层和土壤损失会引起地表变形.特别是在盾构掘进机前方和顶部产生微突起.盾构机尾脱离后，地表开始下沉，并形成一定宽度的沉降槽区，下沉率随时间逐渐衰减，且受地层、施工条件和地表荷载的影响，并表现出相当大的差异[1,7].

对于盾构隧道施工引起地面沉降预测，1969年派克(Peck)提出了地层损失的概念和估算方法.在此后的工程实践中，通过许多学者的修正完善，Peck沉降估算法越来越成熟.目前此法已成为正常施工条件下，盾构掘进引起的地面沉降的最常用的计算方法.该方法认为在不考虑土体排水固结与蠕变的条件下，沉槽的体积应该等于地层损失的体积.假定地层损失在隧道长度上均匀分布，则盾构推进后地面横向沉降基本为近似正态曲线，具体地面沉降关系为[7-9]：

式中：Sx为沉降量/m；Vl为盾构隧道单位长度地层损失量/(m3·m-1)；i为沉降槽宽度系数/m.

按数值方法计算盾构施工对地层影响如下：

盾构隧道最大覆土厚度约8.6 m，区间结构外径取3.1 m.地层损失率取0.5%(按盾构隧道正常施工)，覆土厚度取 15 m，区间结构外径取 3.1 m. 沉 降 槽 宽 度 系 数i＝R/(Z/2R)0.8=3.1/(11.7/2/3.1)0.8=1.86 (m)；地层损失量Vl=3.14×R2×0.5%＝0.16 (m)，代入式(1)得Smax＝18.3 mm.即：双线隧道掘进施工时引起的地面最大沉降为18.3 mm；

3 盾构法施工对周边建筑物影响三维模拟分析

3.1 基本假设

(1)地块基坑开挖降水车站主体水位波动不大，或降水不影响坑外降水，分析中不计入地块基坑降水影响.

(2)地层水平分布，各土层厚度取自地勘报告，选用影响范围内最不利钻孔.土体本构模型采用HS-small本构模型，其本构优点：考虑土体卸荷、在加载路径与小应变情况下土体刚度较大的特点，在软土地区以正常固结粘性土为主的地层具有较好适用性.

(3)地铁车站主体结构与附属结构进行简化，在二维计算中，不计算车站内部的纵横梁、楼梯开洞等局部影响.主体结构中的地墙、顶板、中板、底板、侧墙厚度分别为0.8 m、0.9 m、0.4 m、1.0 m、0.7 m，材料参数为C35混凝土；中柱按柱距将刚度等效以符合平面应变计算原理，围护地墙与主体箱形结构连接采用只受压的点对点锚杆来模拟，其材料参数也取C35混凝土.

(4)车站上方车辆以超载形式考虑，荷载为20 kPa；地块基坑开挖施工车辆荷载等超载也取为20 kPa.

(5)对地块构筑物中不进行上部结构建模，地下室顶板、底板暂定为0.6 m，顶板厚度考虑到上部结构物的整体刚度，尤其是梁板体系在平面内刚度.地下室柱子按400厚板考虑，一为上部结构整体刚度大，二为地下室结构体系受力不属于本评估中次要考虑内容，只需将上部结构荷载传入地基土层中.

(6)地基土初始应力采用K0法生成，K0系数来自地铁车站地勘报告.3层商业楼荷载标准值等效为45 kPa均布荷载，11层住宅楼荷载标准值等效为165 kPa均布荷载.

(7)地基土体的HS-small力学参数如表1所示.

表1 土层参数表

3.2 有限元三维分析

采用有限元法分析盾构施工期间对周边建筑物结构的影响.本文采用Plaxis3D对盾构法施工的拟建地铁区间与周边建筑进行有限元分析.Plaxis3D多用于复杂岩土工程项目分析中，特别适应于盾构隧道施工与周边建筑物相互作用、大型基坑与周边环境相互影响等工程.建立如图3所示盾构区间施工影响模型.

模拟盾构施工时引起的地表沉降结果如图 4所示.其中最大总位移为14.32×10-3m.

盾构施工引起的地层总位移云图如图 5所示.其中盾构区间中心位移最大，在14×10-3～15×10-3m 之间.

盾构施工引起的结构总位移图如图6所示.

以上有限元分析表明，盾构区间引起的地表沉降约14.3 mm，与数值计算18.3 mm基本吻合.

图4 盾构施工引起的地表沉降分析图

图5 盾构施工引起的地层总位移云图

图6 盾构施工引起的结构总位移图

数值计算由于实际土质条件排水固结，计算结果相对于实际来看偏大；而有限元分析在地面荷载估算较粗，且不考虑基坑降水的情况下，计算结果偏小，但从整个计算施工期间引起本项目结构位移小于1 mm.

4 结论

目前，在城市地铁施工中，盾构法是广泛采用的一种施工方法.因此，地铁盾构施工所引起的地表沉降及其对邻近建筑物的影响成为广泛研究的课题.通过本次研究，可得以下结论：

(1)地铁隧道在使用盾构法开挖时会导致地表沉降.在浅埋情况下，隧道埋深范围内的建筑物基础需要进行必要处理；2倍隧道埋深范围外的建筑物一般不会受到施工影响.

(2)使用三维仿真技术可以分析盾构施工对地层的影响，影响结果与数值计算法基本一致.

(3)地块基坑开挖降水车站主体水位波动不大，或降水不影响坑外降水，分析中没有考虑地块基坑降水影响，这个假设对结果有一定的影响，若能考虑这个因素，分析结果将更精确.

[1]黄润秋, 戚国庆. 地铁隧道盾构法施工对环境的影响研究[J].岩石力学与工程学报. 2003(S1): 350-354.

[2]赵保建. 盾构法地铁施工的数值模拟及对邻近建筑物影响的研究[D]. 天津: 天津大学, 2007.

[3]韦良文, 张庆贺, 孙统立, 等.盾构隧道开挖面稳定研究进展[J]. 重庆交通大学: 自然科学版, 2007, 26(6): 67-71.

[4]张社荣, 田新星, 王刚, 等. 软土地区盾构法隧道施工三维数值模拟[J]. 地下空间与工程学报, 2012, 8(4): 807-814.

[5]姚爱军, 向瑞德, 侯世伟. 地铁盾构施工引起邻近建筑物变形实测与数值模拟分析[J]. 北京工业大学学报, 2009, 35(7):910-914.

[6]彭畅. 盾构隧道施工对地层及建筑物影响的数值分析[D]. 武汉: 华中科技大学, 2007.

[7]季大雪. 武汉长江隧道盾构下穿武九铁路沉降影响分析[J].铁道工程学报, 2009(10): 59-63.

[8]刘建航, 侯学渊. 盾构法隧道[M]. 北京: 中国铁道出版社,1991.

[9]殷宗泽. 土工原理[M]. 北京: 中国水利电力出版社, 2007.

(责任编校：陈健琼)

The Influence Applied to Surrounding Environment lnduced by the Construction of Tunnel

TIAN Weiming1, WU Bingqi2, HUANG Shuqi1
(1. Chongqing Tele-communication Polytechnic College, Chongqing 402247, China; 2. Wuxi Metro Group LTD, Wuxi, Jiangsu 214000,China )

The shield method is of the characteristics of high mechanization degree, safety, fast progress and so on, which is the first choice for the construction method of metro tunnel. However, the existence of surrounding buildings, is making the impact on the surrounding buildings in the construction process that should be strictly controlled. In view of the influence of the construction area surrounding buildings settlement of the shield tunnel excavation process, three-dimensional numerical simulation by means of a project under construction, analysis of simulation results show that the shield effect on the surrounding buildings and the distance and the weight of the building. In this paper, the influence of shield tunneling on surrounding buildings is analyzed by 3D simulation of a certain construction project, which has a certain guiding role in the construction of subway construction.

shield method; numerical simulation; surrounding buildings; settlement

U459.3

A

10.3969/j.issn.1672-7304.2017.05.0005

1672–7304(2017)05–0023–04

2017-09-10

重庆市教委科技项目(KJ1753489)；重庆市教委高等职业技术院校新技术推广项目(GZTG201619)

田卫明(1986-)，男，湖南岳阳人，工程师，硕士，主要从事地基基础、岩土与隧道工程研究.E-mail: tianweiming2010@163.com