盾构施工对地表及建筑物沉降影响分析

黎春林, 缪林昌, 陈 静

(1.铜陵学院 建筑工程学院，安徽 铜陵 244000；2.东南大学 岩土工程研究所，江苏 南京 210096)



盾构施工对地表及建筑物沉降影响分析

黎春林1, 缪林昌2, 陈 静1

(1.铜陵学院 建筑工程学院，安徽 铜陵 244000；2.东南大学 岩土工程研究所，江苏 南京 210096)

当盾构隧道下穿城市建筑物时，因隧道周边土体与建筑物间存在相互作用效应，盾构施工诱发的地面沉降必然与其穿越无建筑物的自由地层有所不同.为此，通过大型通用有限元软件ANSYS对无锡地铁1号线盾构区间部分风险点建立了三维有限元模型进行数值分析，并将计算结果和现场实测数据对比，揭示了盾构施工扰动对地层位移场以及建筑物隆沉的影响规律.

盾构隧道；建筑物；地表沉降；有限元

盾构施工扰动引起的地层沉降是需严格控制的一项重要指标，针对盾构穿越没有建筑物的自由地层已有较多的研究成果.而城市地铁盾构施工时，隧道经常要穿越城市密集的建筑群，因建筑物荷载及刚度的存在，盾构施工对地表变形的影响与穿越自由地层存在较大的差异，随着城市地铁建设的加快，这一课题近年来也受到国内外越来越多学者的关注.一些学者[1-3]采用弹塑性理论对其进行分析，建立了土体与建筑协同作用力学理论模型，分析了盾构机掘进对邻近建筑物沉降、倾斜及附加应力分布规律.但解析法为简化分析，在推导时作了较多的假设和简化，对盾构施工对环境扰动的多种复杂因素难以考虑周全，使得其应用受到较大的限制.另一些学者在室内模型试验及现场实测数据的基础上，提出了众多的地面沉降分析经验公式.其中最经典的经验法由Peck[4]提出，其假定沉降槽面积等于地层损失，并认为沉降槽形状近似为正态分布曲线.Peck方法仅适用于隧道周边无建筑物的情况，当隧道周边存在建筑物时，地表变形会存在明显的不同[5-6].基于此，Franzius[7]、韩煊[8]等提出采用建筑刚度修正Peck公式.修正的Peck公式考虑了建筑结构对地面沉降的约束作用，但因未考虑建筑荷载的影响，使得沉降值偏小.

有限元方法是分析盾构隧道施工对周边环境及地层影响的另一有力工具.魏纲等[9]采用梁柱体系和整体基础模拟建筑物，全面研究了隧道施工引起的地面沉降、衬砌受力以及建筑物的变形与内力，并与无地面建筑物工况进行了对比分析.文献[10-14]采用三维数值分析方法分析了盾构施工诱发的地层变形规律及其对地面建筑物的影响.有限元方法在研究盾构施工对环境影响的一般规律，并根据现场实测数据对模型修正后，其计算结果将对设计和施工有着非常重要的参考价值和指导意义.基于此，本文以无锡地铁1号线永丰路站—太湖广场站盾构区间工程为依托，通过大型通用有限元软件ANSYS建立了三维有限元模型进行数值分析，研究当盾构穿越建筑物时地层位移场的分布规律与变化特性，并将计算结果和现场实测数据对比，掌握盾构穿越房屋时地表隆沉和建筑物沉降的一般规律.

1 计算模型

盾构下穿建筑物时，建筑物对地层的影响表现在两方面：(1)建筑物基础具有一定的刚度，基础和土体之间的协调变形需要考虑；(2)建筑物的自重通过基础底面向地层深处进行扩散，改变了地层中的初始应力场，并对地层受扰动后的应力重分布产生影响.

在本文建立的计算模型中，充分考虑了以上两个影响因素，基底压力采用均布荷载模拟，建筑物基础采用具有一定刚度的板进行模拟.基于房屋基底压力一般在100kPa～200kPa之间，本文取中间值，即建筑物所产生的均布荷载取q=l50kPa.房屋基础与隧道衬砌使用实体单元模拟，计算参数取值见表1.

表1 房屋基础和隧道管片的计算参数取值

类别弹性模量E/GPa泊松比重度γ/kN·m3等效厚度/m房屋基础300.2201隧道管片34.50.2250.35

下面采用ANSYS对永丰路站—太湖广场站盾构区间部分风险点进行数值模拟分析，选取该盾构区间风险等级较高的建筑物作为研究对象.所取计算模型尺寸为：横向(x)×纵向(z)×竖向(y)=60m×72m×36m，隧道内径5.5m，外径6.2m，管片厚0.35m，重度25kN/m3，管片衬砌弹性模量26GPa，泊松比0.2；灌浆层厚0.15m，重度21kN/m3，地层损失率5‰，注浆层弹性模量1 GPa，泊松比0.2.

2 盾构穿越建筑物沉降分析

盾构下穿建筑物过程中，随着盾构的临近、下穿、离开，建筑物和地表的沉降也在不断变化.建筑物及地表沉降的大小直接关系着建筑物的安全，是施工时必须严格控制的指标.本文以无锡地铁1号线盾构斜穿大桥中学宿舍楼为例，选取三种典型工况进行计算分析盾构下穿建筑物时不同位置的地表及建筑物沉降，三种工况分别代表盾构抵达建筑物前、盾构掘进至建筑物正下方和盾构穿过建筑物三种情况.

2.1 工程概述

大桥中学宿舍楼建于2005年，位于永丰路到太湖广场区间，位置AK14+340，楼层10层+2层，柱下独立基础，有地下室，距隧道顶11.88m，与隧道左右线相交，最远端与右线隧道中心距离9.82，占地面积600m2，建筑面积6 000 m2.

右线隧道施工时，隧道从主楼正下方斜插穿过，隧道轴线与建筑物纵向成30°夹角.建筑物与隧道相对关系、沉降监测点及计算工况如图1所示.

图1 大桥中学沉降监测点

本监测点注浆压力0.35MPa，掌子面推力0.20MPa，盾构开挖过程中不同位置处隧道周边地层及建筑物沉降计算分析如下.

2.2 盾构抵达大桥中学前

图3中横坐标表示开挖面与坐标原点的距离，即图2有限元模型中的纵坐标，本工况开挖面在离坐标原点18m处.实测数据表明，在盾构开挖面附近土体沉降较大，土体沉降最大值出现在开挖面后方3～5m处.盾构通过区域因为二次注浆(每隔5环补注双液浆)，其地表沉降较小.

图2 盾构抵达大桥中学前隧道周边地层沉降云图

图3 盾构抵达大桥中学前地表纵向沉降计算值与实测值对比

图4中横坐标表示房屋沉降监测点，1,2，…，6分别代表JZ01-1，JZ01-2，…，JZ01-6，测点位置如图1所示.如图所示，JZ01-2和JZ01-3之间和JZ01-3和JZ01-4之间都出现了较大的差异沉降，有限元模型见图5.因大桥中学在横向尺寸较小，使得该建筑物在其横向的倾斜大于纵向，建筑物整体向前、向外倾斜.

图4 盾构抵达大桥中学前房屋各监测点沉降

2.3 盾构掘进至大桥中学中部时

图5 盾构掘进到大桥中学中部时隧道周边地层沉降云图

图6 盾构掘进到大桥中学中部时地表纵向沉降计算值与实测值对比

本工况开挖面在离坐标原点36m处.计算结果显示，建筑物的存在使得盾尾沉降加剧，沉降最大值出现在房屋边缘处.

图7中横坐标表示房屋沉降监测点，1,2，…，6分别代表JZ01-1，JZ01-2，…，JZ01-6，测点位置如图1所示.如图7所示，JZ01-1和JZ01-3之间的差异沉降急剧增大，JZ01-3和JZ01-4之间的差异沉降相比盾构抵达建筑物前也进一步加大，使得建筑物向隧道方向倾斜.

图7 盾构掘进至大桥中学正下方时房屋各监测点沉降

2.4 盾构穿越大桥中学后

本工况开挖面在离坐标原点54m处，此时盾构已穿越建筑物.相比工况二，地表沉降进一步加大，最大沉降出现在隧道轴线上房屋边缘处(图8、图9).

图8 盾构越过大桥中学后隧道周边地层沉降云图

图9 盾构穿越大桥中学后地表纵向沉降计算值与实测值对比

图10中横坐标表示房屋沉降监测点，1,2，…，6分别代表JZ01-1，JZ01-2，…，JZ01-6，测点位置如图1所示.计算结果显示，JZ01-1和JZ01-3差异沉降基本保持稳定，表明大桥中学沿建筑物纵向的倾斜度在盾构穿越至该建筑物中部后不再发生显著变化；而JZ01-3和JZ01-4之间的差异沉降相比盾构在建筑物下面掘进时(图7)进一步加剧，表明在盾构穿越大桥中学后期，其沿建筑物横向的倾斜急剧增加，而大桥中学在横向尺寸较小，基础协调能力较弱，建筑物容易倾斜出现危险，特别是在盾尾脱离建筑物后，施工中应严格控制.

图10 盾构通过大桥中学后房屋各监测点沉降

2.5 盾构穿越大桥中学地表横向沉降变化规律

图11所取横断面为A-A剖面(图1)，图中沉降数据为有限元计算分析的结果.从图11可以看到，当隧道周边存在建筑物后，地表横向沉降不再呈正态分布，建筑物荷载较大的一侧，其沉降也较大，并且因建筑物刚度的影响，在建筑物基础范围内，其地表沉降随着计算点与隧道轴线距离的增加近似呈线性衰减.为控制建筑物沉降，采用了较大的注浆压力(0.35MPa)，较远处地表出现部分隆起.

图11 盾构穿越大桥中学前后地表横向沉降变化(A-A剖面)

3 结论

本文采用三维有限元数值模拟的方法，结合现场实测数据分析了当地面存在建筑物时，盾构施工引起的地层位移场的分布特征，以及盾构掘进过程中位移场动态的变化规律.

(1)盾构穿越过程中，随着盾构的前进，地层位移场也将随之改变，这是一个动态发展的过程.在盾构穿越建筑物工程中，总沉降最大值发生在盾尾经过建筑物以后，而不均匀沉降最大值发生在盾构经过房屋中部的时候，此两种情况为房屋安全最不利的情况，施工时需要重点关注.

(2)当房屋沿隧道纵向尺寸较小时，盾构穿越时容易出现沿隧道开挖方向的倾斜，最危险的工况发生在盾构经过房屋中部时；当房屋沿隧道横向尺寸较小时，盾构穿越时容易出现向隧道轴线方向的倾斜，最危险的工况发生在盾构脱离房屋后.

(3)与盾构穿越自由地层相比，在同样的施工条件作用下，穿越建筑物时因基础附加应力，增大了土体竖向变形，为控制沉降，必须增大注浆压力，地表沉降不再符合正态分布规律.

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(编辑：姚佳良)

Studies on ground surface and building settlement rule by shield passing through building

LI Chun-lin1， MIAO Lin-chang2， CHEN Jing1

(1.Institute of Civil and Architectural Engineering, Tongling University, Tongling 244000, China； 2.Institute of Geotechnical Engineering, Southeast University, Nanjing 210096, China)

Due to interaction effect between the soil and buildings, ground settlement for the underpass buildings in shield construction is bound to differ from that for no buildings around a tunnel. To solve the problem, ground surface settlement and building settlement were analyzed with three-dimensional finite element method models, and the calculation results were compared directly with on-the-spot data for the metro shield tunnel engineering, revealing the influence law of the disturbance of soil mass and building caused by shield tunnelling.

shield tunnel; building; ground surface settlement; FEM

2016-01-20

国家自然科学基金项目(51278099)；安徽省自然科学基金项目(1408085ME98，1608085ME103)；安徽省高校自然科学研究项目(KJ2015A255, KJ2015A176)

黎春林，男， lichunlin111@126.com

1672-6197(2017)01-0012-05

TU472

A