摘 要：以昆明市軌道交通 6 號(hào)線二期菊華站—東部汽車站區(qū)間盾構(gòu)在軟弱土層中下穿冶金居民小區(qū)為背景，分別以既有建筑物變形、既有建筑物結(jié)構(gòu)受力、管片受力為分析指標(biāo)，通過數(shù)值計(jì)算研究不同隧道-既有建筑物凈距條件下盾構(gòu)施工對地表既有建構(gòu)筑物的影響，研究結(jié)論對于軟弱土層中盾構(gòu)下穿既有建構(gòu)筑物合理凈距的確定有一定參考意義。

關(guān)鍵詞：地鐵;盾構(gòu)隧道;建筑物;隧道-建筑物凈距;數(shù)值計(jì)算

中圖分類號(hào)：U455.43

0 引言

經(jīng)過多年的地鐵建設(shè)及相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)的積累，采用明挖法進(jìn)行地鐵車站開挖并利用盾構(gòu)進(jìn)行區(qū)間隧道掘進(jìn)已成為目前我國各大城市地鐵建設(shè)的基本模式。盾構(gòu)施工也已逐漸擺脫了用于軟土地層地鐵隧道修建的設(shè)定，應(yīng)用范圍不斷拓寬。但由于盾構(gòu)施工本身存在缺陷：刀盤開挖直徑與盾尾直徑之間的楔形開挖間隙不能立即填充補(bǔ)償;盾尾與管片之間的建筑間隙是通過同步注漿和二次注漿補(bǔ)償填充的，由于補(bǔ)償注漿受壓力、漿液性質(zhì)、注漿時(shí)機(jī)影響很大，補(bǔ)償注漿亦不能完全充填盾尾建筑空隙;盾構(gòu)推進(jìn)過程中盾殼與開挖面之間的剪切摩擦作用、超孔隙水壓的形成與消散、地下水滲流、盾構(gòu)機(jī)振動(dòng)等，使得盾構(gòu)施工不可避免地會(huì)產(chǎn)生地層損失，造成隧道上方的地層沉降[1-6]。如果隧道上方存在建構(gòu)筑物，地層變形累計(jì)傳到地表，使建筑物的基礎(chǔ)發(fā)生不均勻沉降，則有可能造成建筑物結(jié)構(gòu)功能性損壞或報(bào)廢[7-9]。

關(guān)于地層損失與地表沉降的關(guān)系，Peck[10]、Attewell[11]、劉建航[12]等從連續(xù)介質(zhì)理論出發(fā)，假定盾構(gòu)施工造成的地層損失體積與地表沉降槽體積一致，由此推導(dǎo)了用于預(yù)測盾構(gòu)施工地表沉降的公式。這些預(yù)測公式在實(shí)際工程中有一定的適用性[13-16]。但由于地層本身具有一定的自穩(wěn)能力，無論是現(xiàn)場實(shí)測、模型試驗(yàn)、數(shù)值計(jì)算結(jié)果均表明，盾構(gòu)施工造成的地層沉降量值是由盾構(gòu)開挖面向地表逐步遞減的[17-19]。故隧道下穿既有建構(gòu)筑物沉降控制除施工參數(shù)控制外，還與區(qū)間隧道與既有建筑物凈距有關(guān)。因此，研究隧道與既有建構(gòu)筑凈距對盾構(gòu)施工影響的敏感性，對于隧道線位確定、既有建構(gòu)筑物保護(hù)具有重要意義[20-21]。

本文以昆明市軌道交通6號(hào)線二期菊華站—東部汽車站區(qū)間盾構(gòu)下穿冶金居民小區(qū)為依托建立數(shù)值計(jì)算模型，研究不同隧道-既有建筑凈距對上部建筑物的影響規(guī)律。

1 工程背景

昆明市軌道交通6號(hào)線菊華站—東部汽車站區(qū)間自菊華站出站后先下穿金馬路，然后向北拐，依次下穿冶金住宅小區(qū)、市麗康時(shí)裝廠住宅樓、金馬正昌果品批發(fā)市場等建筑，最后進(jìn)入位于歸十路南側(cè)的1號(hào)盾構(gòu)井。本次計(jì)算涉及的冶金住宅小區(qū)為3棟6層磚混結(jié)構(gòu)建筑（建于上世紀(jì)八九十年代），設(shè)計(jì)使用壽命70年，為筏板基礎(chǔ)，與盾構(gòu)區(qū)間的平面位置關(guān)系如圖1所示。

區(qū)間場地范圍內(nèi)的軟弱地層從上到下依次為1-1雜填土、1-2素填土、4-2粉土、1-3黏土、3-3泥炭質(zhì)土、5-3粉砂和4-3粉土。

2 數(shù)值計(jì)算模型

本項(xiàng)研究的目的是探明不同隧道-既有建筑物凈距條件下盾構(gòu)施工對既有建筑物變形和受力的影響。根據(jù)既有建筑物實(shí)際情況，結(jié)合區(qū)間地質(zhì)概況，采用Midas GTS建立三維數(shù)值計(jì)算模型，如圖2所示，計(jì)算中考慮隧道與建筑物凈距分別為0.2D、0.5D、1.5D、2.5D等不同工況。

考慮邊界效應(yīng)對隧道施工的影響，模型尺寸為120m×80m×40m。地層、隧道均采用實(shí)體單元建模。隧道正上方冶金住宅小區(qū)層高為4m共6層，筏板基礎(chǔ)，梁、板、柱、墻均采用實(shí)體單元建模。在GTS軟件中，通過鈍化開挖輪廓范圍內(nèi)的土體并激活預(yù)設(shè)管片單元實(shí)現(xiàn)隧道開挖支護(hù)，通過在開挖面施加反向節(jié)點(diǎn)荷載，模擬盾構(gòu)對開挖面的平衡作用。實(shí)際隧道施工過程為逐環(huán)推進(jìn)，先進(jìn)行左線隧道掘進(jìn)，貫通后進(jìn)行右線隧道掘進(jìn)。

3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

數(shù)值計(jì)算中主要通過計(jì)算建筑物沉降和建筑物最大最小主應(yīng)力，來分析隧道-建筑物凈距對建筑物沉降的影響。既有建筑物沉降計(jì)算點(diǎn)如圖3所示。

（1）圖4為隧道-建筑物凈距0.2D、0.5D、1.5D、2.5D、4.0D等不同工況下，各計(jì)算點(diǎn)沉降隨盾構(gòu)開挖步序的變化情況?？梢钥闯?，盾構(gòu)穿越既有建筑物造成的建筑物沉降沿隧道縱向呈現(xiàn)階梯形，表明盾構(gòu)施工造成的建筑物沉降具有明顯的階段性，可分為穿越前沉降、穿越過程中沉降和穿越后沉降。從變化量值看，穿越過程中沉降最大。因此，實(shí)際施工中應(yīng)主要通過控制盾構(gòu)穿越過程中的掘進(jìn)參數(shù)來實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)施工影響控制。對比凈距0.2D、0.5D、1.5D、2.5D、4.0D幾種工況可以看出，隨盾構(gòu)-既有建筑物凈距的加大，各計(jì)算點(diǎn)沉降曲線逐漸變得平緩，基礎(chǔ)最大沉降量顯著減小;隨著隧道-既有建筑物凈距的增大，開挖擾動(dòng)經(jīng)地層擴(kuò)散后被明顯削弱，說明隧道-建筑物凈距對盾構(gòu)施工具有重要影響。

（2）圖5為不同隧道-既有建筑物凈距條件下，地表沉降沿計(jì)算斷面橫向分布情況（以圖2中y方向y = 40m斷面為地表沉降計(jì)算斷面）。從圖5中可以看出，隨隧道-既有建筑物凈距的加大，盾構(gòu)施工造成地表沉降槽逐漸變寬變淺，表明隨著隧道-既有建筑物凈距的加大，盾構(gòu)施工對地表和上部建筑的影響逐漸減小。

（3）圖6為建筑物最大沉降隨隧道-建筑物凈距的變化情況。可以看出，隨著隧道-建筑物凈距的加大，盾構(gòu)施工造成建筑物最大沉降明顯減小。根據(jù)昆明地區(qū)經(jīng)驗(yàn)，若以20mm作為建筑物沉降限值，則可知本工程隧道-建筑物合理凈距的控制值應(yīng)為1.65D左右。

（4）圖7為隧道-建筑物凈距為1.5D工況下，盾構(gòu)施工造成建筑物結(jié)構(gòu)應(yīng)力重分布的情況，其他工況情況與之類似。從圖7中可以看出，隧道開挖對建筑物的影響集中在建筑物基礎(chǔ)底部，卸載作用使建筑物基礎(chǔ)底部應(yīng)力分布不均，影響程度從建筑物基礎(chǔ)底部向建筑物上部衰減。

（5）圖8為既有建筑主應(yīng)力隨隧道-建筑物凈距的變化情況。從圖中8可以看出，既有建筑物最大最小主應(yīng)力隨隧道-建筑物凈距的變化是非線性過程，當(dāng)隧道-建筑物凈距大于1D時(shí)，主應(yīng)力隨開挖凈距的變化幅度較小。因此，從建筑結(jié)構(gòu)受力角度考慮，開挖隧道-建筑物凈距宜大于1D。

（6）圖9為隧道管片應(yīng)力挖隧道-建筑物凈距的變化情況。可以看出，整體上隨著隧道-建筑物凈距的加大，管片應(yīng)力增加。但可以明顯看出，隧道上方建筑物在隧道-建筑物凈距小的情況下對管片受力影響很大，管片應(yīng)力隨凈距變化波動(dòng)幅度很大。當(dāng)隧道-建筑物的凈距0.8D～2.5D時(shí)，管片應(yīng)力隨隧道-建筑物凈距的增加基本呈線性變化，可認(rèn)為上部建筑物荷載通過地層擴(kuò)散對隧道受力影響已經(jīng)很小，因此，從管片結(jié)構(gòu)受力合理性方面考慮，可認(rèn)為0.8D～2.5D是本工程合理凈距。

4 結(jié)論及建議

（1）隧道與既有建筑物之間夾層土體的厚度對于控制建筑物沉降具有重要作用，就本工程而言，當(dāng)隧道與建筑物凈距大于1.65D時(shí)，盾構(gòu)施工造成建筑物最大沉降可控制在20mm以內(nèi)。

（2）當(dāng)隧道與建筑物凈距大于1D時(shí)，隧道施工造成建筑物最大最小主應(yīng)力變化幅度較小，因此，可認(rèn)為當(dāng)隧道與建筑物基礎(chǔ)凈距大于1D時(shí)，盾構(gòu)施工對建筑物結(jié)構(gòu)受力影響較小。

（3）當(dāng)隧道與建筑物凈距處于0.8D～2.5D范圍時(shí)，上部建筑荷載經(jīng)過地層擴(kuò)散作用后對管片受力影響較小，管片應(yīng)力隨隧道-建筑物凈距的增加變化較小，故可認(rèn)為0.8D～2.5D凈距為隧道-建筑物合理凈距。

（4）數(shù)值計(jì)算表明地表建筑物沉降主要產(chǎn)生于盾構(gòu)穿越建構(gòu)筑物施工過程，因此，實(shí)際施工中還應(yīng)加強(qiáng)施工參數(shù)控制，及時(shí)注漿填補(bǔ)超挖空隙，通過減少地層損失來控制施工過程中的地層沉降。

參考文獻(xiàn)

[1] 竺維彬，張志良，林志元. 廣州地鐵土建工程工法應(yīng)用與創(chuàng)新[M]. 北京：人民交通出版社，2014.

[2] Fang Y， He C， Nazem A， etal. Surface settlement prediction for EPB shield tunneling in sandy ground[J]. KSCE Journal of Civil Engineering，2017（7）.

[3] 鄧如勇，汪輝武，戴兵，等. 蘭州地鐵1號(hào)線盾構(gòu)下穿黃河強(qiáng)透水地層施工安全性研究[J]. 鐵道建筑，2016（9）.

[4] 江英超，方勇，何川，等. 砂卵石地層盾構(gòu)施工滯后沉降形成的細(xì)觀研究[J]. 地下空間與工程學(xué)報(bào)，2015，11（1）.

[5] 張旭東. 重疊隧道上洞開挖面支護(hù)與注漿壓力對下洞隧道的影響分析[J]. 現(xiàn)代城市軌道交通，2018（7）.

[6] 賈艷飛. 地鐵交疊隧道夾角對隧道施工影響的數(shù)值分析[J]. 現(xiàn)代城市軌道交通， 2018（8）.

[7] 宮志群. 地鐵盾構(gòu)區(qū)間隧道施工風(fēng)險(xiǎn)分析及評價(jià)[D]. 天津：天津大學(xué)，2006.

[8] 路平，耿艷，張穩(wěn)軍，等. 平行隧道穿越形式對砌體建筑變形的影響研究[J]. 隧道建設(shè)（中英文），2019（1）.

[9] 胡新朋，孫謀，王俊蘭. 盾構(gòu)隧道穿越既有建筑物施工應(yīng)對技術(shù)[J]. 現(xiàn)代隧道技術(shù)， 2006， 43（6）.

[10] ATTEWELL P B， YEATES J， SELBY A R. Soil Movements Induced by Tunnelling and Their Effects on Pipelines and Structures[M]. Glasgow：Blackie and Son Ltd.， 1986.

[11] 劉建航，侯學(xué)淵. 盾構(gòu)法隧道[M]. 北京：中國鐵道出版社，1991.

[12] 伊堯國，劉慧平，張洋華，等. 融合權(quán)重因子模型和深度學(xué)習(xí)方法的城市地面沉降危險(xiǎn)性分析[J]. 災(zāi)害學(xué)，2017，32（1）.

[13] 白應(yīng)華，段展鵬，趙欣，等. 深圳地鐵9號(hào)線某區(qū)間小半徑段地表沉降規(guī)律研究[J]. 湖北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)， 2019（1）.

[14] 林榮安，孫鈺豐，戴振華，等. 基于RS-SVR的上軟下硬地層盾構(gòu)施工地表沉降預(yù)測[J]. 中國公路學(xué)報(bào)，2018，31（11）.

[15] 曹鵬，方林，吳夢軍.? Peck公式在砂卵石地層盾構(gòu)隧道施工地表沉降預(yù)測中的應(yīng)用研究[J]. 五邑大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2018，32（3）.

[16] 王建秀，付慧仙，朱雁飛，等. 基于地層損失的盾構(gòu)沉降計(jì)算方法研究進(jìn)展[J]. 地下空間與工程學(xué)報(bào)，2010，6（1）.

[17] 薛曉輝，宿鐘鳴，孫志杰. 基于地層損失理論的盾構(gòu)隧道沉降分析及控制措施研究[J]. 科學(xué)技術(shù)與工程，2013，13（32）.

[18] 韓煊，王法，雷崇紅，等. 盾構(gòu)隧道施工引起的土層分層沉降規(guī)律實(shí)測研究[J]. 隧道建設(shè)（中英文），2017，37（4）.

[19] 衛(wèi)俊杰，周松，黃醒春. 復(fù)合地層盾構(gòu)施工土體分層沉降原位試驗(yàn)研究[C]//全國土木工程研究生學(xué)術(shù)論壇. 北京：清華大學(xué)，2008.

[20] 王文廣，張艷萍. 復(fù)合軟土地層盾構(gòu)施工分層沉降的分析[J]. 中國水運(yùn)（下半月），2018， 18（3）.

收稿日期 2019-04-04

責(zé)任編輯 朱開明