大直径盾构穿越棚户区时导致结构综合变形及其稳定性研究

段常在（上海中宇工程建设技术有限公司，上海 200080 )

围绕盾构下穿导致既有建筑结构的变形及稳定性问题，国内外学者也进行了一些有益的研究。Mili Ziano 等[1]对砖石建筑结构建立二维仿真模型进行计算机仿真分析，在隧道施工过程中，黏性土中砖石结构的力学特性会随开挖过程而发生相应变化，并因此绘制出砖石结构建筑物在隧道开挖过程中相应产生的地表沉降曲线。张海波[2]对西安地铁盾构隧道施工进行了 FLAC 3D三维数值模拟研究，优化了一系列重要施工参数，对实际现场施工有较大指导作用。刘招伟等[3]以广州地铁 2号线为工程依托，对现场实际施工掘进过程和地表沉降规律进行了数值模拟，并将模拟结果与现场实测数据进行对比分析，得出隧道盾构与地表沉降的相互作用关系。

本文以武汉市轨道交通 8号线一期隧道盾构下穿棚户区项目为工程背景，采用基于有限差分理论的 FLAC 3D进行数值模拟，研究大直径盾构下穿老旧棚户区时导致结构综合变形及其稳定性变化规律。

1 大直径盾构开挖对地层扰动机理

大直径盾构下穿老旧棚户区开挖会对地层造成较大的扰动，究其主要原因是盾构在下穿施工过程中造成周围岩土层的初始应力状态发生改变、地层发生损失、土颗粒的固结和次固结等[4]，其中超大直径盾构下穿施工引发的周围岩土层扰动和发生破坏的重塑土再次产生固结是地层沉降的基本表现。超大直径盾构隧道在掘进时周围土体一系列力学特性会发生变化，主要表现为应力和应变状态的改变，孔隙水压力和土体总应变改变导致了应力状态的总体变化，究其原因是土体受到土拱作用和开挖卸荷等的影响，隧道盾构在开挖过程中周围土体被挤压引起地下水位产生变化从而导致孔隙水压力产生变化。

盾构机千斤顶的横向推力致使盾构机不断向前掘进，盾构机的刀盘要克服掘进过程中的阻力需要千斤顶提供足够的推力，才可以继续向前推进，同时作用于盾构机上的推力又成为反力，反向作用于土体，成为土体的附加应力[5]。

盾构机向前推进过程中对土体的挤压作用主要是：掘进过程中土体对管片产生的阻力f1、作用于开挖临空面的主动土压力f2、土体与盾构机表面的摩擦力f3、盾构机车架和表面之间的摩擦力f4、盾构机尾部与管片之间的摩擦力f5等。如果千斤顶产生的总推力F≥f1+f2+f3+f4+f5，开挖临空面的土体会经历加载过程产生弹塑性变形[6]。岩土体由于隧道盾构掘进而产生的影响范围如图 1 所示，其中虚线所示圆锥体表示土体挤压扰动的影响范围：① 区土体应力应变状态未产生变化，此时土体水平和垂直应力分别用σh、σv表示；② 和 ④ 区域土体呈现的挤压作用较大，出现了较大挤压变形，在开挖过程中 ② 区σh和σv均略有增加，相比较而言④ 区σv基本没有变化，只有σh呈现上升的趋势；图中 ③区土体受到盾构机刀盘不断切削作用，其应力应变状态变得十分复杂，如果在施工过程中没有采取及时的支护措施，将会导致临空面土体应力得到释放，水平向应力值变小；相反如果在施工过程中土体得到相应支护， 且支撑支护应力过大时，将会导致σh出现不同程度的增大。如果千斤顶产生的总推力F＜f1+f2+f3+f4+f5，盾构机则不能推动前方土体呈静止状态，此时如果没有对开挖土体的临空面进行相应支护，土体应力将会得到释放，同时出现临空面滑移的状况。

图1 盾构前方土体扰动区

2 工程背景

武汉地铁 8号线一期工程某盾构区间，下穿大量老旧棚户区建筑结构。盾构区间采用一台直径 12.51m复合式超大泥水平衡盾构机施工，盾构机自车站始发，然后长距离穿越高密集棚户区，穿越总长 754.62 m。盾构机从车站以R=700m的半径曲线始发，纵断面坡度由平坡变为 2.7% 的下坡，掘进地层为全断面粉细砂地层。该棚户区原定在掘进前进行拆除，但因种种原因拆除未果，盾构掘进时需严格控制地面沉降，确保安全下穿棚户区建（构）筑物。

3 三维数值仿真模拟

3.1 三维模型建立

本文以武汉地铁 8号线某区间大直径盾构穿越老旧棚户区为工程背景，采用基于有限差分理论的计算软件 FLAC 3 D进行三维建模，分别建立隧道轴线埋深 12 m、18 m、24 m的计算模型，采用直径为 12.51m的超大直径盾构开挖，研究不同隧道轴线埋深对地表和棚户区建筑结构变形及其稳定性影响机理。

隧道衬砌采用线弹性计算模型，同时考虑衬砌接头对结构强度的影响，衬砌结构在计算时进行了 0.2 的强度折减，密度取为 2 500 kg/m3，弹性模量为 30 GPa，泊松比为 0.25。模型中地下水位取地表以下 3 m，采用水土合算的方式进行计算，地下水位以下土体计算重度采用浮重度进行计算。土体本构关系采用考虑塑性变形的 Drucker-Prager描述[9]，各层土体材料参数见表 1。模型尺寸范围为 100 m×60 m×70 m（x轴×y轴×z轴），模型网格划分如图2 所示。

表1 各层土体物理力学参数表

图2 计算网格模型

模型土体选用实体单元计算，衬砌选用壳单元，盾构上部框架结构梁和柱均选用梁单元进行模拟。三维模型土体四周约束其法线方向的水平位移，底面边界约束其竖向位移，土体上部为自由边界。在模型正式计算之前首先对土体进行地应力清零，确保初始状态接近真实应力状态[8-9]。

3.2 计算结果分析

3.2.1 地层沉降

提取隧道贯通后各模型竖向位移云图，将不同隧道轴线埋深的位移云图进行比较，如图 3 所示。

通过计算可知，隧道轴线埋深为 12 m、18 m、24 m时，最大沉降值分别为 2.63 mm、1.90mm和 1.13 mm，岩土体最大隆起值分别为 0.105 mm、0.145mm和 0.204 mm。比较 3 组计算模型可得，3 组模型土体最大沉降值均出现在隧道断面上部土体，且隧道轴线埋深越小，对隧道结构及地表沉降产生的影响越大，隧道轴线埋深对岩土体隆起程影响不大。

图3 位移云图

3.2.2 管片应力

提取隧道贯通后隧道纵向中间截面的管片最大主应力和最小主应力云图，将不同隧道埋深的云图进行比较，3 种埋深的管片云图如图 4 ～图 6 所示。

图4 管片最大和最小主应力（隧道埋深 12 m）

图5 管片最大和最小主应力（隧道埋深 18 m）

图6 管片最大和最小主应力（隧道埋深 24 m）

模型管片采用的混凝土型号为 C 40，隧道埋深 12 m时，管片的最大主应力为 46.8 kPa，最小主应力为 800 kPa；隧道埋深 18m时，管片的最大主应力为 60.1 kPa，最小主应力为 1 003.5 kPa；隧道埋深 24m时，管片的最大主应力为 73.4 kPa，最小主应力为 1 202.8 kPa。3 个模型均未产生拉应力，最大主应力及最小主应力均在安全范围内。比较 3 个计算模型的最大主应力和最小主应力可以发现，隧道埋深越大，管片的最大主应力及最小主应力越大，说明管片所受的拉力及压力就越大，当埋深较大时，盾构开挖时需注意管片的受力情况。

3.2.3 地表沉降

提取隧道贯通后各计算模型地表竖向位移值，将不同隧道轴线埋深地表沉降曲线进行比较，如图 7 所示。

图7 地表沉降曲线

由图 7 可以看出，地表沉降沿纵向变化规律呈近似 U 型分布，整体沉降值呈现为“两头大、中间小”的分布趋势，最大沉降值出现在隧道中轴线埋深 12m时，大小为 5.38 mm。由于模型只对岩土体一部分进行计算，故在边界处存在边界效应，在计算边界处地表沉降值也出现了较大的增幅。

3.2.4 建筑物沉降

本文模型隧道上部建筑为 2 层框架结构，在进行计算分析之前做如下假定。

（1）计算时忽略填充墙对框架结构整体抗侧刚度的影响，填充墙荷载折算为 10 kN/m2施加在梁上，楼板面荷载计算值取为 5 kN/m2。

（2）假定盾构隧道在掘进过程中结构基础与周围土体不发生相对滑动，接触面的位移为结构基础和土体共同位移。

（3）现实情况中梁和柱之间为铰接，模型中梁柱之间建立耦合约束方程来模拟位移的协调和弯矩的实现。

提取隧道盾构掘进过程中不同隧道轴线埋深框架结构同一位置的沉降曲线，如图 8 所示。

图8 盾构开挖过程中建筑结构沉降曲线

通过分析可知，随着掌子面中轴线与结构距离的不断增大，地表结构的沉降值变化规律为：由缓慢增长到迅速增大，最后逐渐趋于稳定。比较图 6 的 3 条曲线，隧道埋深越小，上部老旧棚户区结构沉降值越大，故当隧道埋深较小时，在隧道盾构开挖时需要对地表结构加强监测，避免产生较大变形保证安全。

4 结 语

本文主要介绍了盾构开挖地层沉降机理和有限差分软件FLAC 3D三维建模的相关内容，其中主要介绍了大直径隧道盾构开挖过程中对周围地层的扰动机理，包括地层损失理论的相关论述、土体初始应力、应变状态发生改变的过程和影响因素。文章从地层沉降特征的视角深入研究了地表变形沉降机理和上部老旧建筑结构沉降规律，针对隧道不同轴线埋深进行了 FLAC 3D三维数值模拟，通过计算得出以下结论：

（1）土体最大沉降值均出现在隧道断面上部土体，且隧道轴线埋深越小，对隧道结构及地表沉降产生的影响越大，隧道轴线埋深对岩土体隆起程影响不大。

（2）隧道埋深越大，管片的最大主应力及最小主应力越大，说明管片所受的拉力及压力就越大。当埋深较大时，盾构开挖时需注意管片的受力情况，盾构下穿时管片未产生拉应力，且最大主应力及最小主应力峰值均控制在安全范围内。

（3）地表沉降沿纵向变化规律呈近似 U 型分布，整体沉降值呈现为“两头大、中间小”的分布趋势，最大沉降值出现在隧道中轴线埋深 12m时，大小为 5.38 mm。

（4）随着掌子面中轴线与结构距离的不断增大，上部结构的沉降值变化规律为：由缓慢增长到迅速增大，最后逐渐趋于稳定。隧道埋深越小，上部老旧棚户区结构沉降值越大，故当隧道埋深较小时，在隧道盾构开挖时需要对地表结构加强监测，避免产生较大变形保证安全。