盾构近距离穿越建筑物加固措施的数值分析

秦宿钧

(1.长沙市轨道交通集团有限公司，湖南 长沙 410007; 2.中南大学土木工程学院，湖南 长沙 410075)

0 引言

在轨道交通建设过程中，出现了越来越多的盾构穿越地面建筑的工程，地铁盾构穿越城市密集区的机会和范围越来越大，且沿线一般存在大量地下城市生命线工程和地上敏感建(构)筑物，盾构就不可避免地需要从其下部和旁侧近距离穿越。虽然在通常情况下盾构法施工已经能够较好地预测并控制盾构推进对周围环境所造成的影响。但是，在高灵敏度软土地层中的盾构施工对土体产生的扰动，会造成较大的地层移动，引起建筑物基础的不均匀沉降及上部结构的附加变形，可能导致建筑物开裂甚至破坏、倒塌。因此，为保护工程周边临近房屋的安全，在盾构穿越过程中，对建筑物采取加固措施，实现真正意义上的微扰动施工，以控制建筑物的沉降。

1 工程概况

本工程盾构将于建筑物台阶处侧穿而过。该盾构隧道与建筑位置平面示意图如图1，盾侧近距离穿越建筑物的剖面图如图2，该建筑主体高5 层，上部采用砖木结构，木桩基础。从平面示意图看，右线盾构紧贴该建筑物前的台阶旁穿过;盾构与木桩的水平净距最小为3.95 m，左线盾构桩基的水平净距最小为13.15 m;木桩桩底标高为－10.5 m，与隧道顶面的间距约为9 m。

图1 盾构与建筑位置平面示意图

2 地质条件

该建筑物木桩基底位于④层土中部。④层土为淤泥质粘土，具有高含水量、高灵敏性、低承载力等特点，同时具有触变性。盾构掘进位于其下部的⑤1层粘土层和⑤3 层粉质粘土层中。具体土质特征表见表1。

表1 土层物理力学参数

3 数值模拟分析

盾构隧道近距离穿越建筑物，在一定程度上相当于隧道施工区域上方存在偏压。建筑物的存在造成了隧道地表在施工过程中的位移发展趋势不同于从建筑结构正下方穿过时的位移趋势。为了能更好地减少对建筑物的施工扰动影响，盾构穿越前，拟在建筑物与盾构右线之间进行一排直径为2.4 m 桩基，其桩顶标高为－5 m，桩底标高为－30.76 m。

为了研究盾构穿越对地层以及地面建筑的影响，数值计算主要包括以下3 种情况:①不考虑地面上建筑物的情况;②考虑地面上建筑物无隔离桩的情况;③考虑地面上建筑物有隔离桩的情况。通过3 种情况数值计算的对比分析，可以进一步分析盾构隧道穿越对地面建筑的影响，以确定建筑物的加固方案和范围。

3.1 计算模型

数值计算中，模型尺寸的边界确定对结果的影响非常大，所选取的计算范围足够大，可能更大程度地消除边界效应的影响。然而，拟定的边界过大会导致计算机配置要求过高以及计算耗时过长，因此，在边界尺寸的确定时，既要考虑在几何形态上要尽可能精确地描述实际工程，又能满足正常的计算资源要求。可根据PECK 沉降槽理论有沉降半宽B =2.5i，i 按照下式计算:中Z 为隧道埋深，φ 为土体内摩擦角。最终计算模型范围确定为:隧道左侧至30 m，隧道右侧有建筑，取至90 m。模型网格划分如图3所示。

图3 模型网格图

3.2 模拟结果

随着盾构的不断掘进，周围土体受到施工扰动后开始产生各向的位移。在隧道横断面上，隧道左右土体均产生趋向隧道的水平位移;隧道上方土体由于填充建筑空隙而下沉;隧道开挖，土体自重减少产生土体竖向的卸荷效应，隧道底部土体发生一定量的隆起。其将引起地层损失，进而引发地表沉降，而地表沉降则是判断施工安全的重要依据。

3.2.1 无建筑物工况

当地面无建筑荷载作用时，地层的变形基本上是沿着隧道轴线剖面对称的。盾构掘进引起的沉降槽曲线与Peck 沉降槽曲线基本吻合，隧道轴线两侧的沉降曲线基本上关于轴线对称如图4，其地面沉降最大值为2.376 mm。

3.2.2 有建筑物无隔离桩工况

当有建筑物无隔离桩时，根据图5可知，因隧道右上方建筑物的影响，盾构掘进引起的沉降槽曲线与无建筑物情况下有所不同，其沉降槽并不对称于隧道轴线，右侧地面沉降值基本上要大于左侧地面的沉降值，尤其是在建筑物内侧地面沉降值要远大于其隧道对称于轴线右侧的地面沉降值。其主要是因为地表建筑物的存在，对地基产生偏压作用，使隧道右侧的地基应力比左侧地基应力要高，在盾构掘进时，土体各方向受力不平衡，其地基应力根据荷载释放进行重分布，而应力较大的地基处释放荷载相对较多，因此，右侧会表现出相对更大的沉降，其地面沉降最大值为2.398 mm，其建筑物倾斜最大值为1.921 mm。如图6。

图5 地面沉降曲线

图6 建筑物倾斜

3.2.3 有建筑物有隔离桩工况

当有建筑物有隔离桩时，根据图7可知，因隔离桩的存在，盾构掘进引起的沉降槽曲线与有建筑物无隔离桩情况下有所不同，隔离桩右侧建筑物范围内的地面沉降值有所减少，其沉降最大值位于建筑物与隔离桩之间，其主要是因为隔离桩的存在，对建筑物变形起了一定的保护作用，承受了建筑物所产生部分偏压作用，使地基应力进行重新分布，同时有效地减少了因地面沉降引起的建筑物倾斜，其地面沉降最大值为1.473 mm，其建筑物倾斜最大值为1.088 mm。如图8。

图7 地面沉降曲线

图8 建筑物倾斜

3.3 模拟计算结果分析

根据上述数值模拟计算得出各种工况地面沉降、隧道底部隆起和建筑物倾斜最大值，如表2。

表2 最大值统计表

对比上述计算结果，由于隧道埋深较大，地表沉降在隧道开挖施工过程中的沉降较小，远小于相关规范的要求控制沉降20 mm。因建筑物的存在，地表沉降槽的槽底向建筑物偏移。同时，对隔离桩的计算分析显示隔离桩对地面沉降和建筑物倾斜均有较大的减小作用。但其计算结果并没有考虑隔离桩施工对建筑物扰动影响。

4 结论

综合上述分析，对比有无建筑物情况结果，在隧道埋深较大的情况下，有无建筑物地表沉降的变化较小，因此，在前期监测地表沉降较小的情况下，可不施工隔离桩，应可满足建筑物的安全。并根据前一阶段没有地面建筑物情况下的地表沉降值来预测建筑物附近的地表沉降值，确定其加固范围。

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