盾构下穿房屋建筑结构对地表沉降的影响分析

罗川疆，刘 凯

(西南交通大学，四川成都610031)

1 工程概况

广州市轨道八号线彩虹桥站～西村站区间位于广州市荔湾区，全长690 m。区间线路下穿流花湖、广茂铁路路基、中低层密集商住建筑群。工程控制难点为下穿8层商住房结构区段，其桩基为混凝土灌注桩，桩基距离左线隧道水平距离约5.69 m。盾构隧道开挖会引起地表沉降，导致地表建(构)筑物出现不均匀沉降［1-2］，严重会影响既有建筑的稳定，故本工程施工存在较高的工程风险和技术难度。

2 模型建立

本文计算采用有限差分计算程序FLAC3D，模型横向取80 m，纵向60 m，竖向50 m，隧道外径为D=6 m，埋深为H=13.5 m。模型四周及底面设置法向位移边界，顶部设置为自由边界。计算模型见图1。

图1 有限元模型

根据地质勘察报告提供的土体物理力学性质，模型中各土层物理力学参数见表1。

表1 各层地层特性及描述

3 位移场分析

3.1 主体结构位移场分析

自重解算平衡后，清零土体自重位移，进行盾构隧道开挖过程模拟，盾构隧道掘进每1.5 m(一个管片长度)一个进尺，左侧、右侧隧道开挖完所引起的竖向位移场分别见图2、图3。

图2 左洞沉降位移云

图3 右洞沉降位移云

隧道盾构施工完毕后右侧隧道盾构施工时，隧道上方土体的继续沉降，且随距隧道水平距离的增加而减小，沉降影响范围约为2～3倍隧道直径［3］。由由图可知房屋整体向开挖面倾斜，左线盾构施工引起的土体沉降值在盾构入口处相对较大，约为6.99 mm；右线盾构施工完毕后在同样位置引起的土体沉降最大，最大沉降值为7.78 mm。左侧盾构施工过程中桩结构的沉降位移见图4～图7所示。

图4 桩(Z-24)沉降云

图5 桩(Z-12)沉降云

图6 桩(Z0)沉降云

图7 桩(Z30)沉降云

3.2 桩结构位移场分析

由上图可以看出，受左侧隧道盾构施工的影响，当盾构机掘进到离房屋建筑中心线(Y=30)-24 m和-12 m时，隧道上方建筑结构柱产生了比较明显的沉降和隆起，最大沉降为0.13 mm，最大隆起值为0.09 mm。盾构机掘进到离房屋建筑中心线(Y=30)0 m时，隧道上方建筑结构桩的沉降和隆起不太明显，这是由于盾构掘进时的顶进压力所引起的隆起和沉降相互抵消所致。盾构机掘进到超过房屋建筑中心线(Y=30)30 m时，隧道上方建筑结构桩几乎表现为沉降状态，最大值为1.55 mm。经计算右线开挖没有大幅的沉降和隆起变化，总体而言盾构施工给房屋带来的影响并不大，比较平均。

4 双洞地表位移分析

在横断面分析中选取模型中间断面(y=30对应的断面)作为考察断面进行分析。施工时引起的地表横向沉降见图8。

图8 隧道横断面地表沉降

由图8可见，地表沉降有明显的叠加效应，双线施工完成后，最后形成了统一的U型沉降槽。盾首过考察断面后20 m(3D)后，沉降开始趋缓，地表均表现为沉降，地表最终沉降稳定在4.8 mm。房屋段(X=-25)沉降略微减小，是由于房屋自重会加深土体固结程度，同时房屋向盾构隧道倾斜会使附近土体有隆起趋势，抵消掉盾构施工引起的沉降。

5 结束语

通过本文的研究得到了以下结论：

(1)房屋对开挖地层沉降的影响较小，地层沉降曲线几乎不受干扰，地表沉降呈现“U”型，最大沉降位于开挖隧道正上方处。

(2)随着盾构开挖的进行，由于开挖半径加大，沉降影响区域加大，房屋靠近开挖面一侧土体逐渐松动，导致房屋向开挖侧倾斜，使附近土体有隆起趋势，会抵消掉盾构施工引起的沉降，从而导致盾构开挖的沉降曲线在房屋下方出现尖锐的拐点。