盾构下穿对不同基础形式建筑物的影响分析

卫 晓 英

(太原市市政工程设计研究院，山西 太原 030002)

近年来城市轨道交通建设飞速发展，地铁建设的完备程度已经成为衡量一个城市经济发展程度的重要指标[1]。盾构法施工地铁隧道，具备无需占用地表土体资源、对地表变形影响小及施工速度快等优点，成为了城市轨道交通建设的一大核心工法。然而，尽管盾构法有着诸多优点，但是由于城市建筑密度大、地下环境复杂，使得盾构施工仍然面临巨大挑战[2-5]。其中，如何合理分析及控制盾构施工对地表建构筑物的影响，正是盾构施工过程中需要克服的一大难题。本文以天津某地铁隧道施工为背景，借助FLAC3D数值仿真软件模拟盾构隧道施工过程，探究了盾构下穿对不同基础形式建筑物的影响。

1 工程概况

隧道施工采用土压平衡盾构法施工，隧道中心线埋深20 m，内直径为5.4 m，管片厚度0.35 m，管片环宽1.5 m。隧道规划路线上两次穿行密集建筑群，由于建筑物众多，本文仅选取最具代表性的两座建筑物进行建模。分别为6层高的建筑物A，基础形式为条形基础，距离盾构隧道轴线最近处为6.1 m；以及20层高的建筑物B，基础形式为桩基础，距离盾构隧道轴线最近处同样为6.1 m。具体的盾构隧道及建筑物相对位置示意图如图1所示。

2 数值模型

2.1 几何模型

基于以上工程概况，建立如图2所示的FLAC3D数值计算模型。模型尺寸为90 m×90 m×40 m，其中隧道左侧为建筑物A，隧道右侧建筑物B。针对于建筑物及其基础形式做以下几点说明：

1)建筑物并未完全按照实体建筑建模，而是采用一个厚度为1 m的矩形刚性板代替，对于层高不同的建筑物而言，通过不同的荷载进行区分，按照每层荷载20 kN/m2计算，则建筑物A所需施加荷载为120 kN/m2，建筑物B所需施加荷载为400 kN/m2；2)建筑物A的基础为条形基础，采用弹性本构的实体单元模拟，其具体示意图见图3；3)建筑物B的基础为桩基础，其中承台采用弹性本构的实体单元模拟，基础桩采用桩单元模拟，其示意图见图4。

2.2 数值参数

本工程土质情况自地表向下分别为3 m厚的杂填土，5 m厚的粉质黏土，6 m厚的黏土夹粉土，以及13 m厚的粉质黏土夹粉土，和其下的粉细砂层，详细的土体参数总结于表1中。

2.3 模拟过程

本文所分析的问题为考虑盾构穿行对不同基础形式建筑物的影响，由于数值计算无法模拟盾构施工的连续推进过程，较为常规的模拟方法为跳跃式模拟法，即一环管片为一个施工步，每步掘进过程中分别施加顶推力、注浆压力及管片添加，整个过程具体描述如下：

1)建立自然土体模型，平衡地应力。2)添加建筑物A、建筑物B及其对应的基础，并计算至平衡，清零位移场和速度场。3)开始盾构掘进过程，掘进过程中掌子面推力按照实际情况取0.3 MPa，注浆压力取0.25 MPa。推进过程中管片用Shell单元模拟，注浆体用实体单元模拟，其具体参数见表1。

表1 岩土体材料参数表

3 结果分析

如图5所示为盾构掘进至不同位置处沿盾构轴线方向的地表沉降曲线，其中建筑物的位置区间为25 m～65 m之间。对比三条曲线可以看出，在盾构机未到达建筑物下时，沉降曲线与常规盾构隧道施工对地表沉降影响的规律较为类似[6,7]，即由掌子面前方到掌子面后方区域，沉降逐渐增大；然而对比盾构机掘进通过建筑物后的沉降曲线可以发现在建筑物区段沉降明显大于相邻区域。这说明建筑物上部荷载的存在会进一步增大盾构掘进对地表变形的影响，实际施工过程中，为了减小盾构掘进对类似地段的影响，可以在掌子面未到达建筑物下方时适当提高顶推力，以及在通过建筑物下方时，适量提高盾尾注浆压力及注浆量，以减小地表沉降。

如图6所示盾构施工完成后不同断面的水平沉降曲线，重点对比建筑物前8 m断面位置处的沉降曲线与建筑物中心断面处沉降曲线。可以发现二者在距离隧道轴线左右3 m位置处沉降差异较大，即类似于图5中现象，建筑物存在的区域隧道轴线上方的地表沉降会明显大于其他区域。此外，在建筑物覆盖区域，其沉降与不存在建筑物区域类似。上述现象表明，盾构隧道下穿既有建筑物对其沉降的影响主要表现在轴线上方一定范围内，而对于建筑物本身覆盖的区域，由于建筑物本身刚度较大或是基础的存在，其与没有建筑物区域的差异沉降并非很大。

如图7所示为盾构施工结束后建筑物的沉降云图，可以直观看出，靠近隧道轴线一侧的沉降要明显大于远离轴线侧的沉降。此外，建筑物A的荷载约为建筑物B的3倍多，但是建筑物A的不均匀沉降却仅比建筑物B的多1 mm左右，这表明盾构隧道在下穿建筑物过程中，荷载大的建筑物并不一定更加危险，由于高层建筑物其基础形式更为稳定，其对于盾构扰动的抵抗能力也大于普通基础。因此，在分析盾构下穿施工对既有建筑物影响的时候，要结合具体的基础形式及荷载状态，综合分析对其的影响。

如图8所示为不同施工步下建筑物的倾斜值曲线，其中盾构下穿建筑物的施工步为17步～43步之间。可以看出当掘进至建筑物前约10 m位置处时，建筑物开始出现不均匀沉降；当掌子面掘进至建筑物下方时，不均匀沉降增长速率开始明显增大；当盾构机穿越过建筑物后，并掘进一段距离后，不均匀沉降值则逐渐趋于稳定。上述施工现象表明，盾构施工过程中控制建筑物不均匀沉降措施要从掘进面距离建筑物约10 m范围处开始实行，直至盾构机完全通过建筑物后一定范围内才可结束。

如图9所示为盾构掘进过程中建筑物A基础桩的不同方向的位移响应。数据处理分析发现，距盾构轴线最近的基础桩顶面位移最大，在此仅以该桩为对象进行分析。据图9可以看出，桩体垂直于盾构轴线方向的水平位移响应及竖直方向位移与建筑物不均匀沉降随掘进过程的发展变化规律类似，在此不做赘述。而与隧道轴线方向的位移存在两个变化过程，即通过建筑物前与通过建筑物后，其位移刚好相反。对比三者量级可以发现，盾构穿行建筑物对基础桩竖向位移影响最大，垂直盾构轴线的水平向位移次之，与隧道平行方向的水平位移影响最小。

4 结论

本文基于FLAC3D数值模拟，探究了盾构隧道下穿施工对不同基础形式建筑物的影响，主要得到以下结论：

1)盾构下穿建筑物施工过程中，临近建筑物区域的地表纵向沉降明显大于其他区域。2)不同建筑物的不均匀沉降量，不仅仅取决于其上部荷载，还应综合考虑其基础形式及承载力进行分析。3)盾构施工对建筑物的影响从掘进面距离建筑物10 m左右范围内开始，至掘进面离开建筑物10 m左右范围内结束，相应的沉降控制举措也应在这一区间范围内施行。