太原地铁盾构施工对地表及建筑物沉降影响分析

贾宝宏， 王冰涵， 许贵阳， 王朋飞

(1.太原轨道交通集团有限公司, 山西 太原 030002; 2.太原理工大学 土木工程学院, 山西 太原 030024;3.城市轨道交通车辆服役性能保障北京市重点实验室, 北京 100044;4.太原理工大学 矿业工程学院, 山西 太原 030024)

0 引言

随着中国城镇化的推进，轨道交通建设快速发展。考虑到客流量等因素，地铁线路大部分需穿过建筑物密集地段，故城市铁路隧道多采用盾构法施工，但施工所造成的地面沉降是不可避免的。为控制地层变化对地表建筑物的影响，在盾构掘进过程中对临近建筑物和关键风险点进行监测分析、模拟，并根据分析结果对该地区建筑物进行风险点监测，采用相应加固措施，这对建筑物的保护具有深远意义。

目前研究盾构施工对邻近建筑物所造成的沉降影响的方法主要包括解析法[1]、模型试验法[2]、经验公式法以及数值模拟法。解析法主要考虑盾构的施工特点以及土体的力学性质，采用物理数学模型研究地表变形以及地层沉降规律，其特点利于分析初始地质问题，但对复杂地质应用受限。模型试验法是依据实际工程背景建立缩小版的现实三维模型，在实验室内模拟盾构施工所造成的地层变形以及地表沉降情况，其特点是与实际工程契合度高，但其制作成本高。经验公式法是Peck[3]在传统统计理论基础上，将自身理论分析与实践推断有机结合起来，将在实际工程中的理论实践和经验量化形成一种能够很好地适用现场和实际工程情况的计算方法,对于地表沉降物数据进行具有科学和逻辑性的综合分析和归纳，其特点是简单易操作，但受限于土体特性。数值模拟法是伴随着计算机技术的不断提高而逐渐完善的一种方法，可以应用分析盾构施工中对地表沉降、地层变化以及周衬砌变形等问题，通过限制土层等因素不变，研究某一因素变化而造成的影响。Rowe et al[4]通过计算机编程将隧道盾构施工参数化，对施工过程进行优化,研究分析土体应变情况。周健等[5]对武汉地铁开挖断面进行研究，利用有限差分软件FLAC3D，预测隧道开挖对地层及周围建筑物变形影响，提出地层损失率控制量结论。 后期郭幪[6]以及卢岱岳等[7]采用数值模拟法运用于实际工程案例中，得出与理论推导相吻合的研究数据，证实数值模拟的可靠性。

数值模拟法可反映实际工程情况，在建模时可根据实际设定相应的参数，模拟研究盾构施工过程对周围地层土体以及建筑物所造成的影响[8-9]，故采用此研究方法，利用ANSYS软件进行数值模拟分析。目前，太原地铁所规划的路线正在建设中，其中地铁一、二号线联络段较为特殊，采用盾构法施工，利用ANSYS软件对该区段进行数值模拟分析[10]，研究盾构施工通过建筑物时所造成的地层及建筑变化，通过与实地监测数据进一步分析对比，得出其变化规律，为盾构隧道施工过程中保护建筑物提供理论依据[11]。

1 工程概况

由2号线大南门站南端引出的地铁2号线与1号线联络线区间，以半径200 m的平面圆曲线下穿迎泽公园后接入1号线大南门站东端。联络线设计范围起点里程L21K-0+000.000，终点里程L21K-0+386.406，全长386.406 m。施工总平面图如图1所示，图2为联络区间工程示意图。

图1 联络段总平面图

图2 工程示意图

联络线位于迎泽公园内，不影响周边道路。其中L21K-0+107.269～L21K-0+255.559，采用盾构法施工，其余部分采用明挖法施工。盾构段长148.29 m，全线呈单坡，坡度33.00‰，区间埋深13.5～17.2 m。盾构区间在L21K-0+130.000～L21K-0+230.000里程范围迎泽阁最小水平距离为5.92 m。隧道工程特点为曲率大、坡度大，且所处位置地质条件复杂敏感。

研究盾构区间里程范围内施工过程对周边地层以及建筑物所造成的影响。考虑到本隧道所处地质条件、位置以及联络段端的施工方法，对隧道的进口端、出口端以及保护建筑物进行监测。进出口端沉降监测点布置、建筑物与隧道的相对位置以及计算阶段如图3所示，进口端和出口端各布置8个测点监测地表下沉，从左至右布置，其分布情况如图4所示。

图3 建筑物位置及监测点

图4 进出口端地表沉降测点分布(单位：mm)

2 模型建立

盾构施工过程中，其范围内的建筑物也会对工程产生一定的影响，主要包括2方面：①建筑物的基础与地层土体的相互作用影响；②建筑物的自重通过基础向土体进行扩散，会对盾构施工过程中的应力场重分布产生影响。

采用ANSYS软件进行数值模拟，先用CAD软件对隧道整体轮廓线进行3D绘制，随后导入ANSYS中的Spaceclaim模块进行隧道实体建模。

2.1 模型基本假定

考虑到上述的2个影响因素，所建立的计算模型，将建筑物基底压力转化为均匀分布荷载模拟，建筑物的基础采用实体模型模拟，考虑实际因素，经查阅资料,建筑物的均布荷载选取为120 kPa[12-13]，建筑物基础、隧道管片、注浆层以及地层土体采取实体单元模拟，选取Mohr-Coulomb模型作为土体本构模型，见图5，土体的破坏多以剪切破坏存在，故Mohr-Coulomb屈服准则对土体的破坏形式能够准确反映，该准则是剪应力屈服准则,认为材料某平面剪应力达到某一特定值时就进入屈服，其准则方程为

图5 Mohr-Coulomb准则示意图

τf=C+σtanφ

(1)

式中，C为土的黏聚强度；φ为内摩擦角。用普通三轴试验，可测定发生在某破坏面时主应力表达的破坏准则。如果已知三轴试件内破坏面与小主应力方向之间的倾角为φ，则由普通三轴试验的莫尔圆，将破坏面上的剪应力与法向应力代入库仑破坏准则，得到Mohr-Coulomb准则

σ1-σ2=2Ccosφ+(σ1+σ3)sinφ

(2)

通过研究该区间的地质勘察报告可得，本区间所揭露岩土地层分布较为稳定，均为第四系(Q)地层。地表多为第四系人工填土(Q4ml)，其下为第四系全新统冲洪积(Q4al+pl)黏质粉土、砂(粉)类土、圆砾土及上更新统(Q3al+pl)粉质黏土、砂类土等组成。具体参数如表1所示。

表1 地层土工参数表

2.2 模型边界

采用ANSYS对太原地铁2号线与1号线联络线区间风险点进行数值分析模拟，以盾构区间需保护的迎泽阁作为研究对象，所选取计算模型尺寸为：横向(x)×纵向(y)×竖向(z)=80 m×150 m×37 m。将水平位移约束作用于土体模型的左右侧面，竖向约束作用于土体模型底面，隧道地层土体以及建筑物基底计算模型如图6所示。

图6 三维模型图

3 建筑物沉降分析

盾构隧道施工过程中，随着盾构的临近、侧邻以及离开，建筑物与地表的沉降值也在不断发生变化，这一沉降值的大小对于建筑物的安全与否具有直接影响，故在其施工中应该予以严格控制。通过模拟太原一、二号联络线盾构开挖过程，分析盾构隧道施工时，建筑物与地表的沉降量随着盾构到达建筑物之前(阶段1)、盾构掘进至建筑最近一点(阶段2)以及盾构离开建筑物(阶段3)3种情况的变化规律。

3.1 隧道掘进通过迎泽阁前后各监测点沉降变化规律

图7所示为各监测点在隧道临近、侧邻以及离开迎泽阁3个阶段的沉降变化，图7中的数据为现场监测仪器在各阶段的监测数值，以下图中纵坐标正值为沉降状态，负值为隆起状态，其中监测点JC01-01、JC01-03以及JC01-04在3个阶段处于沉降状态，而JC01-02处于隆起状态，建筑物整体向隧道一侧倾斜，其中JC01-02、JC01-03位于同一侧，两者发生不同变化，会导致建筑物的另一侧开裂，故应做好加固措施，保护建筑物。

图7 隧道掘进前后建筑物测点沉降变化

图8、图9所示为各监测点在隧道临近、侧邻以及离开迎泽阁3个阶段的沉降变化，图8、图9中的数据为现场监测仪器在各阶段的监测数值。由图8可知，进口端监测点在前2个阶段发生一定变化，但随着盾构逐渐远离，后2个阶段各监测点沉降变化减小，说明在盾构开始阶段对洞口端加强监测，防止意外；相反，对于出口端的监测要随着盾构掘进靠近，增强监测频率，做好防护准备。

图8 隧道掘进前后进口端测点沉降变化

图9 隧道掘进前后出口端测点沉降变化

以下主要对保护建筑物迎泽阁在3个阶段的具体情况采用ANSYS软件进行数值模拟，并对比各阶段模拟结果与实测数值。

3.2 盾构抵达迎泽阁前

本阶段隧道开挖面开挖至离洞口水平距离30 m处，此时进行模拟沉降运算，得出模型地层沉降云图如图10所示。

图10 迎泽阁前地层沉降云图

通过模型沉降云图，对迎泽阁监测点进行统计归纳，并将计算值与实测值对比，如图11所示，监测点JC01-01、JC01-02以及JC01-04处出现较大的差异沉降。此时迎泽阁整体向前以及向靠近隧道一侧倾斜。

图11 阶段1迎泽阁各监测点沉降对比

3.3 盾构掘进至迎泽阁正侧方

本阶段隧道掘进至离洞口水平距离80 m处，开挖面已离开离迎泽阁最近点，盾构整体还处于最近点附近，沉降最大值出现在盾尾附近，此时进行模拟沉降运算，得出模型地层沉降云图如图12所示。

图12 盾构掘进至迎泽阁地层沉降云图

通过模型沉降云图，对迎泽阁监测点进行统计归纳，并将计算值与实测值对比，如图13所示，监测点JC01-01和JC01-02处出现较大的差异沉降。此时迎泽阁各监测点相对于阶段1抵达迎泽阁前差异沉降进一步扩大，整体向着隧道一侧的倾斜度进一步增大。

3.4 盾构远离迎泽阁后

本阶段隧道掘进至离洞口水平距离130 m处，盾构整体已掘进离开离迎泽阁最近点，了解此阶段隧道的平稳状态，各测点发生变化。此时进行模拟沉降运算，得出模型地层沉降云图如图14所示。

通过模型沉降云图，对迎泽阁监测点进行统计归纳，并将计算值与实测值对比，如图15所示，监测点JC01-01、JC01-02以及JC01-03处出现较大的差异沉降。此时迎泽阁各监测点相对于阶段2抵达迎泽阁前差异沉降进一步扩大，容易发生建筑倾斜，尤其当盾尾远离时，施工时应加以控制。

图15 阶段3迎泽阁各监测点沉降对比

3.5 实测数据与模拟计算数据差异分析

通过上述数据对比分析，仿真模型计算数值已很贴近盾构施工所引起的地层以及附近建筑物的沉降态势，其误差值大部分处于合理范围内。计算模型所呈现的地层位移变化、地层变形波及范围及沉降速率、邻近建筑物沉降能够较为理想地反映实际工程施工情况。总体上看，出现差异主要原因如下[14-15]:

(1)假定建立的地层模型所满足的水平分布状况，其无法完全模拟实际工程现状。

(2)在模拟工程实际施工过程中，盾构的推进压力以及注浆压力都在不断变化，因此，仿真模拟时只能选取一定范围内的平均数值，故也会造成一定偏差。

(3)各土层具体参数大部分由室内试验获得，其与现场土层仍存在一定差异；除此之外，计算模型假定地下水已处理完毕，处于理想状况未考虑地下水的影响。

(4)对于实际地层分布状况难以量化的变量将其看作为匀质、等厚的替代层，依据施工经验以及室内试验得出的数据，对各模型材料参数进行选定，因此计算求解不够精确，也会造成一定误差。

4 结论

(1)现场监测为全自动监测，采用压力式静力水准仪、计算机外部收集模块以及数传模块将采集到的监测数据通过5G信号上传至网络平台，相比较于传统监测，监测数据更精确，更稳定以及更全面，能够及时反馈数据变化。

(2)在大坡度盾构隧道施工过程中，随着坡度的提升，覆土厚度逐渐减小，与此同时地表沉降值增大，应采取工程措施，减少开挖对地表可能造成的不良影响。这对于大坡度盾构施工具有一定的理论指导意义。

(3)所研究的隧道具有大曲率的特点，分析表明盾构在掘进进程中，机身只能不断调整角度才能完成转弯过程，管片的拼装错缝值增大，支护强度降低，为保证施工安全，应增强注浆强度，弥补管片错缝影响，降低地表沉降，保证建筑物稳定。这对于大曲率隧道施工具有一定的理论指导意义。