隧道-既有建筑物净距 对盾构施工影响的数值分析

摘 要：以昆明市轨道交通 6 号线二期菊华站—东部汽车站区间盾构在软弱土层中下穿冶金居民小区为背景，分别以既有建筑物变形、既有建筑物结构受力、管片受力为分析指标，通过数值计算研究不同隧道-既有建筑物净距条件下盾构施工对地表既有建构筑物的影响，研究结论对于软弱土层中盾构下穿既有建构筑物合理净距的确定有一定参考意义。

关键词：地铁;盾构隧道;建筑物;隧道-建筑物净距;数值计算

中图分类号：U455.43

0 引言

经过多年的地铁建设及相关工程经验的积累，采用明挖法进行地铁车站开挖并利用盾构进行区间隧道掘进已成为目前我国各大城市地铁建设的基本模式。盾构施工也已逐渐摆脱了用于软土地层地铁隧道修建的设定，应用范围不断拓宽。但由于盾构施工本身存在缺陷：刀盘开挖直径与盾尾直径之间的楔形开挖间隙不能立即填充补偿;盾尾与管片之间的建筑间隙是通过同步注浆和二次注浆补偿填充的，由于补偿注浆受压力、浆液性质、注浆时机影响很大，补偿注浆亦不能完全充填盾尾建筑空隙;盾构推进过程中盾壳与开挖面之间的剪切摩擦作用、超孔隙水压的形成与消散、地下水渗流、盾构机振动等，使得盾构施工不可避免地会产生地层损失，造成隧道上方的地层沉降[1-6]。如果隧道上方存在建构筑物，地层变形累计传到地表，使建筑物的基础发生不均匀沉降，则有可能造成建筑物结构功能性损坏或报废[7-9]。

关于地层损失与地表沉降的关系，Peck[10]、Attewell[11]、刘建航[12]等从连续介质理论出发，假定盾构施工造成的地层损失体积与地表沉降槽体积一致，由此推导了用于预测盾构施工地表沉降的公式。这些预测公式在实际工程中有一定的适用性[13-16]。但由于地层本身具有一定的自稳能力，无论是现场实测、模型试验、数值计算结果均表明，盾构施工造成的地層沉降量值是由盾构开挖面向地表逐步递减的[17-19]。故隧道下穿既有建构筑物沉降控制除施工参数控制外，还与区间隧道与既有建筑物净距有关。因此，研究隧道与既有建构筑净距对盾构施工影响的敏感性，对于隧道线位确定、既有建构筑物保护具有重要意义[20-21]。

本文以昆明市轨道交通6号线二期菊华站—东部汽车站区间盾构下穿冶金居民小区为依托建立数值计算模型，研究不同隧道-既有建筑净距对上部建筑物的影响规律。

1 工程背景

昆明市轨道交通6号线菊华站—东部汽车站区间自菊华站出站后先下穿金马路，然后向北拐，依次下穿冶金住宅小区、市丽康时装厂住宅楼、金马正昌果品批发市场等建筑，最后进入位于归十路南侧的1号盾构井。本次计算涉及的冶金住宅小区为3栋6层砖混结构建筑（建于上世纪八九十年代），设计使用寿命70年，为筏板基础，与盾构区间的平面位置关系如图1所示。

区间场地范围内的软弱地层从上到下依次为1-1杂填土、1-2素填土、4-2粉土、1-3黏土、3-3泥炭质土、5-3粉砂和4-3粉土。

2 数值计算模型

本项研究的目的是探明不同隧道-既有建筑物净距条件下盾构施工对既有建筑物变形和受力的影响。根据既有建筑物实际情况，结合区间地质概况，采用Midas GTS建立三维数值计算模型，如图2所示，计算中考虑隧道与建筑物净距分别为0.2D、0.5D、1.5D、2.5D等不同工况。

考虑边界效应对隧道施工的影响，模型尺寸为120m×80m×40m。地层、隧道均采用实体单元建模。隧道正上方冶金住宅小区层高为4m共6层，筏板基础，梁、板、柱、墙均采用实体单元建模。在GTS软件中，通过钝化开挖轮廓范围内的土体并激活预设管片单元实现隧道开挖支护，通过在开挖面施加反向节点荷载，模拟盾构对开挖面的平衡作用。实际隧道施工过程为逐环推进，先进行左线隧道掘进，贯通后进行右线隧道掘进。

3 数值计算结果分析

数值计算中主要通过计算建筑物沉降和建筑物最大最小主应力，来分析隧道-建筑物净距对建筑物沉降的影响。既有建筑物沉降计算点如图3所示。

（1）图4为隧道-建筑物净距0.2D、0.5D、1.5D、2.5D、4.0D等不同工况下，各计算点沉降随盾构开挖步序的变化情况。可以看出，盾构穿越既有建筑物造成的建筑物沉降沿隧道纵向呈现阶梯形，表明盾构施工造成的建筑物沉降具有明显的阶段性，可分为穿越前沉降、穿越过程中沉降和穿越后沉降。从变化量值看，穿越过程中沉降最大。因此，实际施工中应主要通过控制盾构穿越过程中的掘进参数来实现盾构施工影响控制。对比净距0.2D、0.5D、1.5D、2.5D、4.0D几种工况可以看出，随盾构-既有建筑物净距的加大，各计算点沉降曲线逐渐变得平缓，基础最大沉降量显著减小;随着隧道-既有建筑物净距的增大，开挖扰动经地层扩散后被明显削弱，说明隧道-建筑物净距对盾构施工具有重要影响。

（2）图5为不同隧道-既有建筑物净距条件下，地表沉降沿计算断面横向分布情况（以图2中y方向y = 40m断面为地表沉降计算断面）。从图5中可以看出，随隧道-既有建筑物净距的加大，盾构施工造成地表沉降槽逐渐变宽变浅，表明随着隧道-既有建筑物净距的加大，盾构施工对地表和上部建筑的影响逐渐减小。

（3）图6为建筑物最大沉降随隧道-建筑物净距的变化情况。可以看出，随着隧道-建筑物净距的加大，盾构施工造成建筑物最大沉降明显减小。根据昆明地区经验，若以20mm作为建筑物沉降限值，则可知本工程隧道-建筑物合理净距的控制值应为1.65D左右。

（4）图7为隧道-建筑物净距为1.5D工况下，盾构施工造成建筑物结构应力重分布的情况，其他工况情况与之类似。从图7中可以看出，隧道开挖对建筑物的影响集中在建筑物基础底部，卸载作用使建筑物基础底部应力分布不均，影响程度从建筑物基础底部向建筑物上部衰减。

（5）图8为既有建筑主应力随隧道-建筑物净距的变化情况。从图中8可以看出，既有建筑物最大最小主应力随隧道-建筑物净距的变化是非线性过程，当隧道-建筑物净距大于1D时，主应力随开挖净距的变化幅度较小。因此，从建筑结构受力角度考虑，开挖隧道-建筑物净距宜大于1D。

（6）图9为隧道管片应力挖隧道-建筑物净距的变化情况。可以看出，整体上随着隧道-建筑物净距的加大，管片应力增加。但可以明显看出，隧道上方建筑物在隧道-建筑物净距小的情况下对管片受力影响很大，管片应力随净距变化波动幅度很大。当隧道-建筑物的净距0.8D～2.5D时，管片应力随隧道-建筑物净距的增加基本呈线性变化，可认为上部建筑物荷载通过地层扩散对隧道受力影响已经很小，因此，从管片结构受力合理性方面考虑，可认为0.8D～2.5D是本工程合理净距。

4 结论及建议

（1）隧道与既有建筑物之间夹层土体的厚度对于控制建筑物沉降具有重要作用，就本工程而言，当隧道与建筑物净距大于1.65D时，盾构施工造成建筑物最大沉降可控制在20mm以内。

（2）当隧道与建筑物净距大于1D时，隧道施工造成建筑物最大最小主应力变化幅度较小，因此，可认为当隧道与建筑物基础净距大于1D时，盾构施工对建筑物结构受力影响较小。

（3）当隧道与建筑物净距处于0.8D～2.5D范围时，上部建筑荷载经过地层扩散作用后对管片受力影响较小，管片应力随隧道-建筑物净距的增加变化较小，故可认为0.8D～2.5D净距为隧道-建筑物合理净距。

（4）数值计算表明地表建筑物沉降主要产生于盾构穿越建构筑物施工过程，因此，实际施工中还应加强施工参数控制，及时注浆填补超挖空隙，通过减少地层损失来控制施工过程中的地层沉降。

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收稿日期 2019-04-04

责任编辑 朱开明