天津滨海软土场地地铁盾构隧道施工对地面结构的影响研究*

张 煜，王大永，张壮壮，王星凡，李 晨，张学杰，陈 宇，吕 杨

(1.中铁一局集团天津建设工程有限公司，天津 300250； 2.天津城建大学天津市土木建筑结构防护与加固重点实验室，天津 300384； 3.中国民航大学交通科学与工程学院，天津 300300)

0 引言

地铁可有效缓解地面交通压力，显著提高土地利用率，因此，地铁轨道交通是我国各大城市重点发展的交通形式。天津地区地质条件差，大部分地区属于海积软土。海积软土承载力低、压缩性大、地下水位高，且土质条件沿深度变化大，自地表向下分布有填土、淤泥质土、黏土和砂性土等。为节约土地，地铁隧道往往穿越已有城市核心区，盾构隧道施工穿越地表建筑的情况较多。软土场地隧道施工对地表建筑的影响显著，常引起上部结构倾斜、开裂等，上部结构的存在也会导致盾构隧道上部土体发生变形[1]。因此，盾构隧道、土层、上部结构作为相互影响、相互作用的整体，受到了国内外学者的广泛关注[2-3]。Burland等[4]基于结构潜在的变形模式和材料临界拉应变，计算了盾构施工对地表建筑结构的损害，提出了依据初始裂缝发展与挠度比对砌体结构破坏级别进行分类。在工程实测数据的基础上，Boscardin等[5]对不同破坏级别的拉应变变化范围进行了重新标定，并提出了采用角度扭曲和水平应变确定结构破坏等级的方法。Chen等[6]将隧道开挖引起的地层位移解析解和简化边界元法相结合，研究了桩基在邻近隧道施工时的水平和竖向反应，并在大量分析数据的基础上给出了桩体最大反应的评价简表，研究结果表明，盾构隧道开挖过程中，隧道形状、土层损失率、土体强度、桩径、桩长及覆土厚度等均会对附近桩基变形产生影响。施成华等[7]应用随机介质理论，将土层视为随机介质，将地表下沉考虑为随机过程，计算了连拱隧道开挖产生的地表位移和变形，并据此给出了隧道开挖施工对地表建筑的影响程度。孙吉主[8]根据隧道与基桩空间位置的不同情况，提出了基桩沉降的简便工程分析方法。Mroueh等[9]采用三维有限元方法分析了隧道施工过程对地表建筑物的影响，研究结果表明，建筑物自重会显著影响隧道开挖引起的地表沉降量。孔秋珍等[10]采用空间有限元模型计算了地面房屋横跨不同凹凸区的情况下，房屋不同方向和区域的变形规律，为隧道近距离穿越地表建筑物提供了参考。Jenck等[11]利用FLAC 3D分析软件模拟了盾构施工和建筑物变形，研究了地层损失率和建筑物刚度对地表位移的影响，研究结果表明，建筑物所在区域地表沉降与无建筑物区域具有明显差异。钟志全等[12]采用有限元软件PLAXIS 3D对岩溶地层盾构下穿建筑物掘进过程进行数值模拟,分析了建筑物下方有无溶洞工况下盾构下穿对建筑物沉降的影响及影响范围。郭红斌等[13]以广州市地铁13号线棠下—珠村段盾构始发井开挖施工为例，介绍了在复杂城市建筑和地质条件下,地下连续墙+环框梁围护结构、多种竖井开挖技术相结合的施工方法，并探讨了微风化泥质粉砂岩采用气体膨胀爆破法开挖的关键施工技术。刘德斌[14]基于MIDAS GTS软件建立三维盾构隧道开挖有限元模型，对盾构施工引起的地表沉降、土体塑性区、邻近建筑物影响及盾构管片受力情况进行数值模拟分析。佟晓冬等[15]以天津关软岩隧道为依托，采用现场试验与理论分析相结合的方法，研究锁脚锚杆的支护效果，提出进一步优化措施，并研究锚杆直径和长度对支护效果的影响。此外，国内外还有很多学者开展了地铁盾构施工对临近工程设施影响的研究[16-21]。

本文以天津滨海软土场地地铁4号线北段土建|标段盾构隧道工程为研究对象，建模时将地基、基础及上部结构视为整体进行分析，通过考虑盾构隧道、土层和上部结构的相互作用，研究盾构施工过程对地表沉降、上部结构变形和内力的影响规律。

1 工程概况

天津地铁4号线北段土建1标段盾构区间全长1 869.918m，线路下穿多处建筑、津霸铁路及多条市政管线，盾构施工时对地表变形的要求严格。

以盾构隧道地表某框架结构为例，研究地表建筑与盾构隧道施工相互作用规律。地表框架结构建筑共7层，结构总高度26.6m，首层层高5m，2～7层层高3.6m，平面布置如图1所示。柱截面尺寸为500mm×500mm，梁截面尺寸为300mm×500mm，楼板厚0.10m，采用C30混凝土，桩长14.7m。隧道与建筑物的位置关系如图2所示。

模拟区间材料主要物理力学参数如表1所示，根据土层物理力学参数，将土层划分为10层。地下水深度为2.4m，地下水水位以下土体按饱和土体计算，地下水水位以上土体按天然重度计算。按照规范要求，管片材料参数按15%折减，折减后弹性模量为28.8GPa。考虑注浆层硬化过程，初始注浆层弹性模量取为4.8MPa，硬化后的弹性模量为初始值的2.25倍，取为10.8MPa，通过场变量进行控制。

表1 材料主要物理力学参数

2 盾构掘进过程数值模拟

2.1 有限元模型建立

采用ABAQUS软件建立计算模型，如图3所示。由于盾构开挖时，上部建筑物在自身重力作用下沉降已完成，所以框架结构沉降及变形均由盾构开挖引起。

考虑地下水作用的土体单元采用C3D8RP单元模拟，衬砌和注浆层采用C3D8R单元模拟，盾构机采用壳单元模拟。土体采用Mohr-Coulomb本构模型。

框架结构梁、柱、基础均采用梁单元B31模拟，楼板采用壳单元模拟。

桩基础采用梁单元模拟，并采用桩基础与桩端单元模拟桩和土体之间的接触关系，为保证模型更好地收敛，其余接触关系均采用绑定接触。

2.2 盾构施工模拟

模型四周及底面施加切向约束，顶面为自由边界，地下水水位处施加零孔压边界条件，其余面施加不透水边界条件，开挖面由于穿越黏土层，施加不透水边界条件。隧道开挖时，地层扰动影响范围为距隧道横断面和纵断面中心点3～5倍盾构隧道直径，计算得到有限元模型边界长约为80m、宽约为30m、深约为32m。

假设土体为理想弹塑性体，管片衬砌和注浆层应力、应变在弹性范围内。首先进行整体模型地应力平衡，将模型施加重力荷载，同时钝化衬砌、注浆层和盾构机。为消除边界约束的影响，计算时盾构机并不是从端部开始掘进，而是距端部一定的距离开始掘进。分析步骤如下：①第1步 将盾构机后部隧道内土体钝化，同时激活相应位置的衬砌和注浆层，并激活掌子面压力；②第2步 将盾构机置于指定位置，激活相应位置的盾构机，同时钝化相应位置的土体，激活掌子面压力，取消上一步的掌子面压力；③第3步 钝化第1块开挖土体和第2步激活的盾构机，同时激活开挖土体位置的盾构机和钝化位置的衬砌、注浆层，激活下一步开挖面的掌子面压力，钝化上一步的掌子面压力。

3 数值模拟结果分析

3.1 地表沉降

将隧道直径记为D，将隧道中心线到框架结构中心线的距离记为L，分别取L/D=0，L/D=1，L/D=2进行分析，结果如图4所示。由图4可知，当土体上部存在建筑物时，地表沉降不再呈对称分布，在建筑物存在的位置有明显变化。当上层框架结构位于隧道正上方，即L/D=0时，在距隧道中心线两侧10m范围内，地表沉降大于无框架结构时的地表沉降，最大沉降约为4.5mm，此时框架结构呈整体下降，隧道施工对框架结构的破坏程度相对较小；当L/D=1时，隧道正上方地表沉降继续增大，最大沉降约为5mm，沉降曲线偏向有框架结构的一侧，此时上部框架结构发生倾斜，隧道施工对框架结构破坏的影响较严重；当L/D=2时，隧道正上方地表沉降较无框架结构时小，最大沉降约为3.5mm。

3.2 基础沉降

在盾构机掘进过程中，相邻柱桩基的最大沉降差为2mm<0.002l=12.6mm，l为柱距，满足容许误差要求。

3.3 框架结构倾斜

3.4 框架柱受力

3.5 框架梁受力

4 结语

本文通过有限元软件ABAQUS研究了盾构施工对上层框架结构的影响，综合考虑了隧道、土体、框架间的相互作用，研究了距隧道中心线不同距离的地表沉降变化规律，分析了盾构隧道开挖对框架结构变形及受力的影响，得出以下结论。

1)当土体上部存在建筑物时，地表沉降不再呈对称分布，在建筑物存在的位置有明显变化。当上层框架结构位于隧道正上方，即L/D=0时，在距隧道中心线两侧10m范围内，地表沉降大于无框架结构时的地表沉降；当L/D=1时，隧道正上方地表沉降继续增大，沉降曲线偏向有框架结构的一侧；当L/D=2时，隧道正上方地表沉降较无框架结构时小。

2)在整个盾构机开挖过程中，基础沉降可按盾构机未到达基础、盾构机到达基础、盾构机远离基础进行阶段划分。当盾构机未到达基础时，基础沉降非常小；随着盾构机的继续推进，基础出现较小的隆起；随着盾构机距基础越来越近，基础沉降越来越大；当盾构机到达基础时，基础沉降达最大，且越靠近隧道中心线，基础沉降越大。

3)当盾构机未到达框架柱时，框架结构横向相对水平位移变化较小；随着盾构机的掘进，框架结构横向相对水平位移逐渐增大；当盾构机到达相应的框架柱时，框架结构横向相对水平位移达最大；随着盾构机的远离，框架结构横向相对水平位移有下降趋势。

4)当盾构机掘进掌子面未到达建筑物时，框架柱轴力受到的影响较小；当掌子面靠近相应的框架柱时，柱轴力发生较大变化；随着盾构机继续推进，框架柱轴力逐渐趋于稳定。

5)开挖初期，随着盾构机的掘进，框架梁剪力不断减小，表现为卸载作用；随着盾构机的继续掘进，框架梁剪力出现回弹；随着盾构机的进一步掘进，框架梁剪力逐渐趋于稳定。

6)随着盾构机的掘进，框架梁梁端弯矩总体表现为先减小后增大最后趋于平缓的趋势。