复杂岩溶环境盾构下穿建筑物影响规律研究*

钟志全，陈 泽，张 东

(1.中国建筑第五工程局有限公司，湖南 长沙 410004； 2.湖南大学土木工程学院，湖南 长沙 410082)

0 引言

城市地铁隧道施工穿越的区段往往是城市核心区域，盾构下穿既有建筑物会引发地表变形进而导致上层建筑物产生沉降，严重的将引发安全事故。当隧道盾构穿越岩溶区时，溶洞的存在将加剧盾构对地层的扰动，地层自稳能力会更弱。尤其当上部有密集建筑群时，盾构在下穿或者侧穿建筑群时将产生较大差异沉降，轻则导致建筑物倾斜或开裂，重则引起房屋倒塌。施工中，如何处理岩溶区不良地质条件下地层扰动较大的难题，控制地层及建筑物沉降，是盾构施工的难点[1]。

目前，国内外常用数值模拟法对盾构下穿建筑群进行研究[2-6]。胡建平等[7]利用ANSYS建立了5种工况19个模型，得出了盾构施工对离隧道中线25m外的建筑物影响较小这一结论；李结全等[8]采用MIDAS GTS分析了溶洞分别位于隧道底部、侧面和顶部时，盾构施工和地面沉降的相互影响关系，建议处理在隧道结构外0.5倍直径范围内的溶洞，但均未考虑岩溶区存在时的情况。本文依托某工程为研究背景，利用有限元软件PLAXIS 3D建立建筑物下方有无溶洞两种情况下盾构下穿的数值模型，对比了两种工况下盾构下穿对上层建筑的沉降影响及影响范围。

1 工程概况

某地铁工程区间隧道总长1.737km，里程DK29+245—DK30+982采用土压平衡盾构，直径6m。其中DK29+695—DK29+755区段下穿某工程大楼，该区段区间结构覆土19.1～19.9m。工程大楼为4～5层框架结构建筑，地下1层为地下室，局部存在地下2层，建筑基础形式为交叉梁基础。工程大楼地上部分有土木系实验室、材料系实验室、高分子物理实验室、无机材料物理化学实验室、内燃机实验室等，地下1层为车库及道路实验室加速加载环道试验场，地下2层为设备层、循环水池和疲劳实验室。区间隧道外轮廓至地下1层基础底部最小竖向净距约14.6m，距离地下2层基础底部最小竖向净距约11.2m，隧道与工程大楼的相对位置关系如图1所示。

图1 隧道与工程大楼相对位置

2 工程地质条件

该工程大楼建筑物呈“口”字形，建筑物为交叉梁基础，沿东西方向跨度大，隧道拟在正下方穿过工程大楼，该区段地质条件复杂，所处地层为泥灰岩，具备岩溶发育条件。钻孔探测结果显示，建筑物周边存在岩溶发育，岩溶形态以溶洞为主，溶洞高度0.8～5.6m，顶板厚度最小仅0.5m，无充填或充填黏性土与细砂。盾构掘进易发生突水而导致地面沉陷，危及上覆建筑群。

该段地下水按赋存方式主要分为第四系上层滞水、松散岩类孔隙水、基岩裂隙水、碳酸盐岩类岩溶裂隙水。其中基岩裂隙以风化节理裂隙和原生张裂隙为主，裂隙多呈张开状态，表现为钻探时漏水严重，部分被泥质填充，因此地下水在基岩中的赋存量较大，径流条件较好，透水性较强。尤其在不整合接触带附近岩体较破碎，地下水丰富。本工点岩土工程勘察在勘察区内2个水文地质试验钻孔中进行了抽(压)水试验，试验结果显示渗透系数K=0.30～0.35m/d，说明基岩裂隙发育。碳酸盐岩类溶洞根据勘察情况，其充填物以弱透水性的黏性土为主，富水性差，连通性差，一般具弱透水性。因此，场区内的岩溶水发育，水量较小，略具承压性。场地岩溶水与上覆的潜水层有直接的水力联系，故岩溶水的水位可按潜水位考虑，但因其各向异性，不排除较大涌水量的可能。勘察时测得钻孔中基岩裂隙水稳定水位埋深为0.000～9.600m，水位标高为27.410～39.580m；碳酸盐岩类岩溶裂隙水稳定水位埋深为1.500～13.400m，水位标高为36.110～40.730m。地下水位变化主要受气候影响，每年4～9月份为雨季，大气降水丰沛，是地下水的补给期，其水位明显上升，而10月至次年3月为地下水的消耗期，地下水位随之下降，年变化幅度2.00～4.00m，同时在地表水道附近地下水亦会随湘江水位涨落而起伏变化。

3 岩溶区盾构下穿建筑物数值分析

3.1 计算模型介绍

为明确盾构下穿工程大楼的影响程度，采用有限元软件对盾构掘进过程进行数值模拟，分析岩溶区盾构隧道下穿既有框架结构时对建筑物沉降的影响。最后结合现场实测数据分析岩溶区盾构掘进时上方建筑的变形响应并评估盾构掘进对其影响。

盾构机外壳材料在PLAXIS3D中用shell单元模拟，相关参数取值如表1所示。隧道衬砌用实体单元模拟，根据参考文献[9]，[10]所述，采用修正惯用法考虑管片接头的影响，并结合工程经验取弯曲刚度有效率为0.8，衬砌管片混凝土相关参数如表2所示。

表1 盾构机外壳参数

表2 隧道管片参数

拟用PLAXIS3D模拟隧道左右线开挖对周围建筑的影响，下穿工程大楼时，隧道拱顶埋深10.7m。工程大楼采用实体单元模拟条形基础，根据建筑物设计资料和相关规范确定上方建筑物荷载，将其以分布力形式施加在条形基础上，如图2所示。

图2 模型示意(单位：m)

工程大楼的模型尺寸为150m×150m×50m，隧道左右线之间间隔15m，模型边界离隧道轴线距离11.25D，在隧道影响范围之外。盾构机离建筑物12m开始掘进，在对建筑物影响范围之外开始模拟。由于工程大楼宽度达62m，如选择每环掘进3m，则两线穿越需要的计算步和计算量是十分巨大的，故选取每次掘进12m。左线掘进到96m，右线掘进到108m，最终盾尾距离监测点15m，之后的掘进过程认为在对监测点的影响范围之外。假定在右线上方1.5m处存在溶洞，根据参考文献[11]，[12]所述，可将其简化为圆柱体考虑，模型中采用弱化土体参数来考虑溶洞的影响。

研究中考虑盾构下穿工程大楼下方有溶洞和无溶洞两种工况，一方面为了解盾构下穿对周围建筑物的影响，另一方面为了解溶洞的存在对盾构下穿周围建筑物的影响程度。对下穿工程大楼两个算例的监测断面和监测点布置如图3所示。图中，2—2′为建筑物沿东西方向对称轴，图3—3′为工程大楼前侧过廊中心线。

图3 计算模型监测点布置

3.2 岩溶对盾构下穿工程大楼影响分析

两种工况下掘进完成时沉降等值线对比如图4所示。可以看出，盾构左右线都掘进完成时，两种工况下地表最大沉降都发生在两条隧道轴线和建筑物基础的重叠处。其中，无溶洞时最大沉降达到8～10mm，而有溶洞的情况下最大沉降达到20～30mm。两种工况都显示，工程大楼中间空旷处的沉降比有建筑荷载处要小，同时横向影响范围未超过建筑物横向范围。

图4 掘进完成时沉降等值线对比

监测断面2—2的沉降规律如图5所示。在无溶洞条件下，沉降最大发生在隧道轴线正上方(左线-7.5m，右线+7.5m)，沉降为6～7mm；两线都穿越后，左右侧地表都在距两隧道中心线大概30m左右沉降开始减少到0mm，说明隧道开挖对地面建筑的影响范围大概是60m。

图5 监测断面2—2＇沉降状况

有溶洞的情况下，在隧道轴线正上方(左线-7.5m，右线+7.5m)沉降最大，且沉降可以达到15～20mm；两线都穿越后，左右侧地表都在距两隧道中心线大概30m沉降开始减少到0mm，可知隧道开挖对地面建筑的影响范围约为60m，同时沉降槽曲线呈“W”形。

监测断面3—3′的沉降规律如图6所示。无溶洞条件下，在隧道轴线正上方(左线-7.5m，右线+7.5m)沉降最大；两线都穿越后，相对上部没荷载的2-2＇空旷处，3-3＇的沉降为8～9mm，增长了2.5mm，说明上部荷载对沉降有重要影响；左右侧地表都在距两隧道中心线30m左右沉降开始减少到0mm，说明隧道开挖对地面建筑的影响范围大概是60m，同时沉降槽曲线呈“W”形。

图6 监测断面3—3＇沉降状况

有溶洞的情况下，在隧道轴线正上方(左线-7.5m，右线+7.5m)沉降最大，且沉降可以达到25～30mm；两线都穿越后，左右侧地表都在距两隧道中心线30m左右沉降开始减少到0mm，可知隧道开挖对地面建筑的影响范围大概是60m。同时沉降槽曲线呈“W”形，形状与无溶洞工况类似。

3.3 建筑物变形对比

由有溶洞和无溶洞两种工况下建筑物沉降的变化情况可知，两种工况下的建筑物沉降值变化规律相似，但有溶洞时每个阶段的沉降值都比无溶洞的情况下大2～3倍。

工程大楼属于多层框架结构，根据GB50007—2011《建筑地基基础设计规范》，其房屋变形控制指标按沉降差≤0.002l(l为相邻柱间距)和整体倾斜≤4‰控制。对于工程大楼，有限元模拟地基变形结果显示，无溶洞情况下，最大沉降差为4mm<0.002l=12mm，在不考虑建筑物既有变形时，满足规范要求；有溶洞情况下，最大沉降差为15mm>0.002l=12mm，不满足规范要求。因此，需要采取相应的施工措施和安全管理方法，解决溶洞存在造成盾构施工引起的地表建筑物沉降过大问题，以期达到降低甚至消除事故发生的可能性。

4 结语

本研究依托某地铁隧道两站区间下穿建筑物工程，结合数值模拟软件分析岩溶区盾构掘进时上方建筑的变形响应，具体结论如下。

1)无溶洞时，从隧道开挖对建筑物有影响时始，至隧道远离建筑物影响范围止，任一阶段地表沉降均保持在允许范围内，建筑物最大沉降约为9mm，建筑物同时最大沉降差为4mm<0.002l=12mm，在不考虑建筑物既有变形时，满足规范要求。

2)有溶洞时，溶洞存在使得隧道开挖加剧对地层扰动，施工过程建筑物沉降增大为无溶洞时的2～3倍，同时由于工程大楼中间部分为空旷地，隧道从正下方穿越时，不仅会造成左右不均匀沉降，同时也会造成前后差异沉降。房屋基础最大沉降差为15mm>0.002l=12mm，不满足规范要求。

3)两种工况下的沉降槽曲线与溶洞的存在与否无关，大致呈现为“W”形，说明沉降槽曲线的形状不受溶洞影响。同时，隧道开挖对建筑物沉降的影响范围约为60m。