盾构下穿掘进施工对建筑物影响分析

2021-04-27傅一栋

铁道建筑技术 2021年2期

傅一栋

（中国铁建十六局集团有限公司北京 100018）

1 前言

在城市化快速发展的进程中，地表交通早已不堪重负，地铁成为解决这一问题的主要手段。地铁建设难免会出现区间下穿既有建（构）筑物，地铁区间建设对前期建设的建（构）筑物难免产生影响［1－2］，甚至影响其安全使用，对其影响进行分析研究非常必要。

1965年Peck［3］等通过对大量原位监测数据分析得出地表沉降曲线与类似于正太分布的函数曲线，并提出地表沉降横向分布公式，即“Peck公式”。1980年，日本学者竹山乔［4］，在原位监测基础上，对有限元分析结果进行修正，得出估算地表沉降的公式。1982 年 Attewell和 Woodman等［5－7］假设地层在变形过程中不存在体积变化，并推导出隧道推进方向的纵向沉降曲线公式。李进军、孔秋珍［8－10］等采用数值模拟分析盾构掘进对邻近建筑物的影响［11］。

2 模型建立及计算参数

（1）模型概况

选取合肥地铁1号线葛望区间下穿三层框架结构为研究对象，依据圣维南计算原理，模型尺寸X轴方向取左、右隧道轴线向外约5D（D为隧道直径）距离，为78 m；Y轴方向（隧道轴线延伸方向）取260 m；Z轴方向（竖向）取40 m。拱顶距离地表覆盖层厚度取12 m，拱底向下土层深度取22 m。开挖隧道直径D＝6.28 m，管片厚度0.3 m，环宽度1.5 m，注浆层厚度0.14 m。左隧道中心与右隧道中心间距为18 m。

在模拟过程中，每次开挖掘进长度选两个管片的宽度3 m设置为一个开挖施工步，盾构隧道总共进行40个施工步，先掘进左线，再掘进右线，开挖掘进总长度为120 m。

数值计算模型网格划分见图1，核心土、等代层网格划分见图2和图3。

图1 有限元三维数值模型

图2 核心土网格划分

图3 等代层网格划分

（2）计算参数

场地地层共分为5层，自上而下依次为人工杂填土、黏土1、黏土2、黏土3、强风化泥质砂岩。围岩服从摩尔－库伦本构模型，主要物理力学参数见表1。

表1 三维模型土层相关参数

盾构管片、浆液等代层、盾壳均服从线弹性本构关系，具体参数见表2。

表2 盾构隧道支护结构参数

3 模拟结果分析

（1）地表沉降分析

在左、右线掘进不同距离的情况下，地表沉降与隧道轴线距离的变化曲线见图4。

图4 观测断面随盾构掘进沉降曲线

由图4可看出，在左、右线隧道掘进过程中均存在不同程度的隆起情况。由于上部建筑物荷载影响，左线沉降量较右侧沉降量大；距离建筑物较远的地表沉降较小，距离建筑物较近的地表沉降较大；沉降槽范围在距左线隧道中线16 m范围内；左线掘进结束后，两隧道之间偏右线地表沉降在右线掘进过程中明显加大。

竖向位移趋势相同，量值差别较小。而在盾构开挖面前方1倍盾体长度以外，地表和拱顶竖向位移变化趋势逐渐分离，拱顶位移变化率明显大于地表，原因在于在盾构掘进过程中，开挖面土压力由盾构机土仓压力平衡，挤压效应明显。在掘进30 m处，拱顶与地表沉降达到最大。

（2）建筑物沉降模拟结果分析

上部建筑物沉降随盾构掘进距离的关系曲线见图5。可以看出上部建筑物基础沉降过程由3个平稳段和2个剧变段组成。隧道左、右线先后通过建筑物时，其基础的沉降值都会有一次比较大的增量发生，且有明显的二次沉降，对比两条隧道通过后的曲线，左线对上部建筑物沉降的影响更大。

图5 上部建筑物沉降随盾构掘进距离关系曲线

4 影响因素分析

（1）隧道与建筑物相对位置影响分析

上部建筑物与盾构隧道的相对位置关系见图6。盾构区间与上部结构的偏心比e0为建筑中心和隧道轴线距离e与建筑物长度一半的比值。

图6 隧道与建筑物相对位置关系（单位：mm）

在e0不同的情况下，盾构下穿地表沉降槽曲线见图7。地表最大沉降量随e0的增大而降低，并且地表的最大沉降量有向建筑物偏移方向移动的趋势；在盾构隧道开挖掘进的范围处于建筑物基础下方时，地表的最大沉降量明显大于隧道上部没有建筑物荷载时的最大沉降量；但是当e0＝1.5时，隧道最大沉降量与上部无建筑物时基本一致，但沉降槽的宽度有所增大。