超浅埋盾构隧道近距穿越既有建筑物影响数值分析

刘晓岩

（中铁十六局集团有限公司 北京 100018）

1 引言

近年来地下空间得到较大程度开发，从而出现了诸多地铁施工近距穿越既有建筑物的施工安全问题。贺美德等［1］以北京地区大断面地下人行通道工程近距离上穿最小净距仅1.97 m的地铁10号线盾构隧道为背景，分别对东线和西线隧道结构竖向位移、隧道结构水平收敛位移及道床结构竖向位移3种变形进行监测与分析；刘先亮和王临波［2］依托某地铁隧道侧穿桩基工程，对注浆和未注浆两种不同的加固方案条件下桩基变形规律进行分析；王祺等［3］以上海某软土地区超浅埋盾构隧道为例，建立均质土模型，评价不同场地土、不同埋深情况下超浅埋盾构隧道地震反应的相关规律；傅鹤林等［4］基于 Покровский 当层法，将浅埋盾构隧道问题等效为求解均质地层位移及应力分布问题；张冬梅等［5］以上海某大直径盾构隧道为工程背景，提出浅埋近间距大直径盾构隧道施工的相互影响规律及特殊环境条件下的控制措施；刘纪峰等［6］为了更准确地预测浅埋盾构隧道引起的地表沉降，利用弹塑性力学的Lame公式和 Kiersch公式及摩尔－库仑屈服准则，定义了弹塑性解的位移边界条件；宋仪等［7］采用数值分析方法，研究了不同埋深下盾构隧道所承受围岩压力的变化规律；米博和项彦勇［8］设计制作了水下地层浅埋盾构隧道的开挖渗流模型，并建立附近地层沉降的量测采集系统，测量开挖面水土压力和孔隙水压力以及附近地层沉降；赵乙丁等［9］依托某盾构隧道工程，建立盾构隧道施工模型，分析小净距浅埋盾构施工的相互影响；刘明高等［10］依托超大直径盾构隧道穿越既有桥梁工程，研究了掘进参数（如掘进工作面推力和注浆压力）的改变对桥梁桩基变形与受力的影响；高玉春和王昱以北京地铁7号线02标段黑－万盾构区间隧道下穿京哈高速路、侧穿南大沟桥为工程背景，对盾构隧道穿越风险源的变形控制措施进行了详细论述。

综上，对于浅埋隧道、近距离穿越既有建筑物这两类问题已经得到了一定关注，但针对软土地层的超浅埋盾构侧穿既有建筑物相关研究较少。本文以杭州机场轨道快线苕溪站－杭州西站盾构区间为工程背景，基于PLAXIS 3D，分析了土体以及建筑物变形规律，总结影响变形的决定性因素和关键风险点。

2 工程背景

苕溪站－杭州西站区间为单圆盾构区间，覆土埋深为3.5～11.3 m，掘进主要穿越粉土层和黏性土层。全程区间多次下穿民居，主要为苕溪村民居及吴山前村民居。民居多为村民20世纪90年代自行建造，2000年左右改造，基础形式均为浅基础，埋深为地面下1.5～2 m。本区间从苕溪站始发，掘进至杭州西站接收，盾构掘进过程中需充分考虑对周边环境的影响。区间平面如图1所示。

图1 苕溪站－杭州西站区间平面

3 超浅埋盾构隧道穿越既有建筑物三维数值模拟

3.1 计算参数

（1）模型土层参数

主要地层包括填土、粉土、黏性土、圆砾、灰岩。土的力学特性是开展稳定性分析和数值模拟研究的依据。土体主要参数见表1，其中：h为土层厚度；γ为土体天然重度；c为黏聚力；φ为内摩擦角；Es为压缩模量。

表1 土层参数

（2）模型构件以及衬砌参数

数值模拟时，以板单元模拟盾构机，以土体模拟混凝土管片衬砌，二者相关参数见表2和表3。

表2 模拟盾构机的板材料参数

表3 混凝土管片衬砌参数

3.2 几何模型及边界条件

土体模型采用摩尔－库伦弹塑性模型，忽略土体的刚度与应力、应力路径相关特性以及土体刚度的各向异性。盾构机拟用线性各向同性材料模拟，隧道混凝土衬砌拟用线弹性、非多孔土体模拟。由于盾构穿越较大粉土层和黏性土层（低渗透性），因而模型边界采用不排水边界，拟定盾构机长9 m，外径6.5 m、内径6 m，盾构机顶部到地表的距离为5.5 m，因模拟隧道长度较长，拟定已掘进45 m，其后四次掘进时，每次盾构掘进1.5 m，其中盾构隧道位于模型X方向中部位置，板单元（长、宽各40 m，水平方向距盾构隧道10 m且距隧道端头45 m）施加竖直向下100 kN／m2的均布荷载作为对既有建筑物的模拟，模型边界取X方向1 200 m、Y方向300 m、Z方向65 m。该范围已足够大到允许各种可能的破坏机制发生，并能避免模型边界的影响。有限元网格划分后的模型如图2所示。

图2 有限元网格划分模型

3.3 数值模拟结果

（1）盾构推进对既有建筑物的影响

盾构施工对右侧与其水平相距10 m的既有建筑物地基稳定性存在一定影响。盾构掘进既有建筑物的受力以及竖向位移如图3～图4所示。

图3 既有建筑物竖向位移最大值

图4 既有建筑物承受的弯矩最大值

由图3～图4可知：盾构掘进过程中，既有建筑物所承受的弯矩值以及向上隆起值都近乎直线增长。这主要是由于盾构侧穿时，衬砌与土体之间存在空隙，同步注浆压力导致土体受到向上的力以及隧道在周围土体挤压作用下引起既有建筑物向上隆起。同时，随着既有建筑物隆起现象的加剧也导致既有建筑物基底发生不均匀变形，造成建筑物所承受的弯矩逐渐增大。

（2）隧道上下两侧土体沉降分析

图5为隧道上下侧土体竖向位移图（上、下两侧土体与隧道的竖向净距分别记为L、L′）。

图5 隧道上下侧土体竖向位移

由图5可知：隧道上、下土层距离盾构隧道的竖直净距越大，土层竖向沉降量越小。隧道上覆土层位移明显大于下方，这是由于隧道上覆土层主要为粉土层，黏聚力小，易受扰动；隧道下方土层主要为圆砾层及灰岩，其压缩性能较低，故下方土体变形较小。

（3）隧道左右两侧土体横向位移

盾构掘进后，由于土压力作用，隧道左右两侧土体会向隧道方向偏移，若土体偏移过大，则会威胁隧道的安全。隧道左右两侧竖向平面与隧道的水平距离分别记为 L″、L‴，现分别取 L″、L‴＝0.1 m、0.2 m、0.3 m、0.4 m的竖向平面，分析其各自向隧道方向的横向位移最大值（左、右两侧土体位移），如图6所示。

图6 隧道两侧土体横向位移最大值

由图6可知：随着与隧道水平距离的增大，隧道左右两侧向隧道横向偏移的数值呈近乎直线降低。同时隧道左侧的横向位移明显大于隧道右侧，这主要是由于隧道左侧存在既有建筑物，对隧道左、右两侧形成了偏压，导致左右两侧横向位移出现明显差异。

（4）注浆压力对隧道上方土体影响

管片拼装完成后，管片与洞体之间会出现空隙，应及时注浆充填，避免因地层应力释放而产生较大的地面沉降以及邻近既有建筑沉降和变形破坏等，但注浆压力引起隧道上方土体隆起也不可忽视。选取Y＝46.5 m的竖向截面（盾构端头位于既有建筑物中部且二者之间水平距离最小），分别研究四次注浆过程对该截面地表隆起的影响，隆起数值如图7所示。

图7 注浆后地表隆起值

由图7可知：注浆过程中，地表持续向上隆起。盾构施工前期注浆引起地表隆起现象较为明显，而后期注浆引起的地表隆起值趋于稳定。这主要是由于注浆压力对隧道上方土体产生向上的推力，又因隧道上方土层易扰动，故盾构穿越初期造成的地表隆起值较大；随着盾构远离该截面，注浆压力对其影响逐渐减弱，从而该截面的地表隆起值趋于稳定［11］。

（5）盾构埋深的影响

盾构近距离穿越既有建筑物时，不同盾构埋深对既有建筑物影响亦不同。盾构埋深与既有建筑物竖向位移之间的关系如图8所示，正值表示隆起，负值表示沉降。

由图8可知：盾构埋深在3～9 m时，盾构埋深越浅，既有建筑物隆起现象越明显；随着盾构埋深增加，建筑物隆起值逐渐减少；当盾构埋深超过9 m时，建筑物出现沉降现象。这主要是由于盾构隧道上覆土层越浅，同步注浆压力对地表影响越明显，当盾构埋深达到一定深度时（9 m），注浆压力对地表影响较小，此时地表变形主要由盾构施工引起，从而地表产生沉降。

图8 盾构埋深对既有建筑物变形的影响

4 结束语

本文基于数值模拟研究了软土地层超浅埋盾构隧道近距穿越既有建筑物关键技术，探究了软土地层超浅埋盾构隧道近距穿越既有建筑物对其变形影响，并得出以下结论：

（1）软土地层中，隧道上、下两侧土体与隧道竖向距离越小，土体沉降越大，且隧道周边的土层参数越好，其沉降越小。

（2）隧道的注浆过程会加剧土体向上隆起，注浆位置正上方地表隆起值较大，盾构远离后，由注浆压力引起的土体隆起值趋于稳定。

（3）由于既有建筑物位于隧道左侧，故使隧道两侧形成偏压，盾构侧穿既有建筑物过程中，隧道左侧土体向隧道方向水平位移明显大于右侧。

（4）当盾构隧道上覆土层厚度小于9 m时，上覆土层越浅，因同步注浆引起既有建筑物隆起现象越明显；当上覆土层厚度大于9 m，既有建筑物出现沉降。