地铁盾构隧道下穿及侧穿既有高层建筑物影响研究

张玉华

（中国铁路设计集团有限公司，天津 300142）

城市地铁穿越建筑物的情况很多，为了防止灾害事件的发生，目前普遍采用盾构法来进行隧道施工，尽管如此，盾构施工对建筑物也会带来一定影响[1]。本文根据某地铁盾构下穿及侧穿既有高层建筑物的实际工程情况，运用有限元模拟软件建立三维数值模型[2]，分析盾构下穿和侧穿两种工况对地表沉降的影响。通过该计算分析，给出影响地表沉降的关键步序和部位。

1 工程概况

某地铁盾构下穿及侧穿3栋既有高层建筑物，其中2栋11层、1栋15层。其中一栋11层建筑位于拟建盾构隧道正上方，主体为钢筋混凝土框架结构，基础为钻孔灌注桩，桩径0.65 m，长约27 m。地铁盾构设计外径6.2 m，管片厚度350 mm，隧道左右线设计间距12 m。见图1和图2。

图1 隧道与建筑物平面位置

图2 隧道与建筑物相互位置关系剖面

2 数值计算

2.1 计算模型

采用有限元软件MIDAS GTS建立模型，以地铁隧道的轴线方向为X轴，其垂直方向为Y轴，竖直方向为Z轴。为消除模型边界效应，基坑以外四面再取4倍的开挖深度[3]，X轴方向取320 m，Y轴方向取248 m，Z轴方向取65 m，计算采用8节点六面体单元[4]，共划分单元44 226个。见图3和图4。

图3 几何模型

图4 整体模型

采用修正摩尔-库伦本构模型[5]。地表为自由边界，土体四周为法向约束，底面约束其竖向位移[6]。结合工程地质勘查资料，土体及结构力学参数见表1和表2。

表1 结构体设计参数

表2 土体及结构力学参数

2.2 分析步设置

为准确模拟盾构对既有建筑物的影响，采用动态模拟施工过程的计算方法[7]，共设置45个计算步骤，模拟盾构推进的全过程。见表3。

表3 分析步设置

3 计算结果分析

计算结果见图5-图7。

图5 隧道施工完成后土体沉降结果

图6 隧道施工完成后建筑物沉降结果

图7 土体及建筑物随隧道开挖过程最大沉降值

由图5-图7可知：土体整体以沉降为主，沉降在左线推进至建筑物正下方时达到最大值，为9.7 mm；既有建筑物变形也以沉降为主且变形规律随着盾构推进阶段及距离盾构隧道的横向距离而变化[8]。

3号楼和6号楼距离左线较近，故在左线开挖过程中变形较为明显，在左线推进结束后最大沉降值分别为4.55、3.49 mm；而在右线开挖过程中变形保持稳定，在盾构推进完成后最终沉降值分别为4.59、3.34 mm。3号楼距右线隧道横向净距约为3倍洞径，可以从侧面说明，当盾构隧道距离建筑横向净距＞3倍洞径时，几乎对其无影响。7号楼位于左右线正上方，在左右线推进至7号楼正下方时，变形均出现较大变化，左线推进至7号楼正下方时最大沉降值为3.43 mm，左线推进结束后最大沉降值为6.76 mm，右线推进至7号楼最下方时最大沉降值为7.73 mm，右线推进结束后最终沉降值为8.44 mm。建筑物在盾构穿过其正下方时变形速率最大，在盾构通过后，由于土体固结作用，继续产生一定沉降。

4 结论与建议

1）盾构法下穿或侧穿既有建筑物的施工影响总体可控，但应重点关注建筑物正下方隧道施工时，7号楼变形情况，加强监测并在盾构穿过建筑物之后，继续监测建筑物变形情况，直至稳定。

2）隧道施工过程中，建筑物整体变形以沉降为主且在开挖至建筑物正下方时变形速率最大。

3）建筑物横向距离隧道越近，其变形受隧道施工影响越大，建议在条件允许情况下，将盾构隧道与既有建筑物横向净距设计为＞3倍洞径。