段常在（上海中宇工程建設(shè)技術(shù)有限公司，上海 200080 )

圍繞盾構(gòu)下穿導(dǎo)致既有建筑結(jié)構(gòu)的變形及穩(wěn)定性問題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者也進(jìn)行了一些有益的研究。Mili Ziano 等[1]對(duì)磚石建筑結(jié)構(gòu)建立二維仿真模型進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真分析，在隧道施工過程中，黏性土中磚石結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性會(huì)隨開挖過程而發(fā)生相應(yīng)變化，并因此繪制出磚石結(jié)構(gòu)建筑物在隧道開挖過程中相應(yīng)產(chǎn)生的地表沉降曲線。張海波[2]對(duì)西安地鐵盾構(gòu)隧道施工進(jìn)行了 FLAC 3D三維數(shù)值模擬研究，優(yōu)化了一系列重要施工參數(shù)，對(duì)實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)施工有較大指導(dǎo)作用。劉招偉等[3]以廣州地鐵 2號(hào)線為工程依托，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工掘進(jìn)過程和地表沉降規(guī)律進(jìn)行了數(shù)值模擬，并將模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，得出隧道盾構(gòu)與地表沉降的相互作用關(guān)系。

本文以武漢市軌道交通 8號(hào)線一期隧道盾構(gòu)下穿棚戶區(qū)項(xiàng)目為工程背景，采用基于有限差分理論的 FLAC 3D進(jìn)行數(shù)值模擬，研究大直徑盾構(gòu)下穿老舊棚戶區(qū)時(shí)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)綜合變形及其穩(wěn)定性變化規(guī)律。

1 大直徑盾構(gòu)開挖對(duì)地層擾動(dòng)機(jī)理

大直徑盾構(gòu)下穿老舊棚戶區(qū)開挖會(huì)對(duì)地層造成較大的擾動(dòng)，究其主要原因是盾構(gòu)在下穿施工過程中造成周圍巖土層的初始應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變、地層發(fā)生損失、土顆粒的固結(jié)和次固結(jié)等[4]，其中超大直徑盾構(gòu)下穿施工引發(fā)的周圍巖土層擾動(dòng)和發(fā)生破壞的重塑土再次產(chǎn)生固結(jié)是地層沉降的基本表現(xiàn)。超大直徑盾構(gòu)隧道在掘進(jìn)時(shí)周圍土體一系列力學(xué)特性會(huì)發(fā)生變化，主要表現(xiàn)為應(yīng)力和應(yīng)變狀態(tài)的改變，孔隙水壓力和土體總應(yīng)變改變導(dǎo)致了應(yīng)力狀態(tài)的總體變化，究其原因是土體受到土拱作用和開挖卸荷等的影響，隧道盾構(gòu)在開挖過程中周圍土體被擠壓引起地下水位產(chǎn)生變化從而導(dǎo)致孔隙水壓力產(chǎn)生變化。

盾構(gòu)機(jī)千斤頂?shù)臋M向推力致使盾構(gòu)機(jī)不斷向前掘進(jìn)，盾構(gòu)機(jī)的刀盤要克服掘進(jìn)過程中的阻力需要千斤頂提供足夠的推力，才可以繼續(xù)向前推進(jìn)，同時(shí)作用于盾構(gòu)機(jī)上的推力又成為反力，反向作用于土體，成為土體的附加應(yīng)力[5]。

盾構(gòu)機(jī)向前推進(jìn)過程中對(duì)土體的擠壓作用主要是：掘進(jìn)過程中土體對(duì)管片產(chǎn)生的阻力f1、作用于開挖臨空面的主動(dòng)土壓力f2、土體與盾構(gòu)機(jī)表面的摩擦力f3、盾構(gòu)機(jī)車架和表面之間的摩擦力f4、盾構(gòu)機(jī)尾部與管片之間的摩擦力f5等。如果千斤頂產(chǎn)生的總推力F≥f1+f2+f3+f4+f5，開挖臨空面的土體會(huì)經(jīng)歷加載過程產(chǎn)生彈塑性變形[6]。巖土體由于隧道盾構(gòu)掘進(jìn)而產(chǎn)生的影響范圍如圖 1 所示，其中虛線所示圓錐體表示土體擠壓擾動(dòng)的影響范圍：① 區(qū)土體應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)未產(chǎn)生變化，此時(shí)土體水平和垂直應(yīng)力分別用σh、σv表示；② 和 ④ 區(qū)域土體呈現(xiàn)的擠壓作用較大，出現(xiàn)了較大擠壓變形，在開挖過程中 ② 區(qū)σh和σv均略有增加，相比較而言④ 區(qū)σv基本沒有變化，只有σh呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)；圖中 ③區(qū)土體受到盾構(gòu)機(jī)刀盤不斷切削作用，其應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)變得十分復(fù)雜，如果在施工過程中沒有采取及時(shí)的支護(hù)措施，將會(huì)導(dǎo)致臨空面土體應(yīng)力得到釋放，水平向應(yīng)力值變小；相反如果在施工過程中土體得到相應(yīng)支護(hù)， 且支撐支護(hù)應(yīng)力過大時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致σh出現(xiàn)不同程度的增大。如果千斤頂產(chǎn)生的總推力F＜f1+f2+f3+f4+f5，盾構(gòu)機(jī)則不能推動(dòng)前方土體呈靜止?fàn)顟B(tài)，此時(shí)如果沒有對(duì)開挖土體的臨空面進(jìn)行相應(yīng)支護(hù)，土體應(yīng)力將會(huì)得到釋放，同時(shí)出現(xiàn)臨空面滑移的狀況。

圖1 盾構(gòu)前方土體擾動(dòng)區(qū)

2 工程背景

武漢地鐵 8號(hào)線一期工程某盾構(gòu)區(qū)間，下穿大量老舊棚戶區(qū)建筑結(jié)構(gòu)。盾構(gòu)區(qū)間采用一臺(tái)直徑 12.51m復(fù)合式超大泥水平衡盾構(gòu)機(jī)施工，盾構(gòu)機(jī)自車站始發(fā)，然后長(zhǎng)距離穿越高密集棚戶區(qū)，穿越總長(zhǎng) 754.62 m。盾構(gòu)機(jī)從車站以R=700m的半徑曲線始發(fā)，縱斷面坡度由平坡變?yōu)?2.7% 的下坡，掘進(jìn)地層為全斷面粉細(xì)砂地層。該棚戶區(qū)原定在掘進(jìn)前進(jìn)行拆除，但因種種原因拆除未果，盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)需嚴(yán)格控制地面沉降，確保安全下穿棚戶區(qū)建（構(gòu)）筑物。

3 三維數(shù)值仿真模擬

3.1 三維模型建立

本文以武漢地鐵 8號(hào)線某區(qū)間大直徑盾構(gòu)穿越老舊棚戶區(qū)為工程背景，采用基于有限差分理論的計(jì)算軟件 FLAC 3 D進(jìn)行三維建模，分別建立隧道軸線埋深 12 m、18 m、24 m的計(jì)算模型，采用直徑為 12.51m的超大直徑盾構(gòu)開挖，研究不同隧道軸線埋深對(duì)地表和棚戶區(qū)建筑結(jié)構(gòu)變形及其穩(wěn)定性影響機(jī)理。

隧道襯砌采用線彈性計(jì)算模型，同時(shí)考慮襯砌接頭對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響，襯砌結(jié)構(gòu)在計(jì)算時(shí)進(jìn)行了 0.2 的強(qiáng)度折減，密度取為 2 500 kg/m3，彈性模量為 30 GPa，泊松比為 0.25。模型中地下水位取地表以下 3 m，采用水土合算的方式進(jìn)行計(jì)算，地下水位以下土體計(jì)算重度采用浮重度進(jìn)行計(jì)算。土體本構(gòu)關(guān)系采用考慮塑性變形的 Drucker-Prager描述[9]，各層土體材料參數(shù)見表 1。模型尺寸范圍為 100 m×60 m×70 m（x軸×y軸×z軸），模型網(wǎng)格劃分如圖2 所示。

表1 各層土體物理力學(xué)參數(shù)表

圖2 計(jì)算網(wǎng)格模型

模型土體選用實(shí)體單元計(jì)算，襯砌選用殼單元，盾構(gòu)上部框架結(jié)構(gòu)梁和柱均選用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬。三維模型土體四周約束其法線方向的水平位移，底面邊界約束其豎向位移，土體上部為自由邊界。在模型正式計(jì)算之前首先對(duì)土體進(jìn)行地應(yīng)力清零，確保初始狀態(tài)接近真實(shí)應(yīng)力狀態(tài)[8-9]。

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

3.2.1 地層沉降

提取隧道貫通后各模型豎向位移云圖，將不同隧道軸線埋深的位移云圖進(jìn)行比較，如圖 3 所示。

通過計(jì)算可知，隧道軸線埋深為 12 m、18 m、24 m時(shí)，最大沉降值分別為 2.63 mm、1.90mm和 1.13 mm，巖土體最大隆起值分別為 0.105 mm、0.145mm和 0.204 mm。比較 3 組計(jì)算模型可得，3 組模型土體最大沉降值均出現(xiàn)在隧道斷面上部土體，且隧道軸線埋深越小，對(duì)隧道結(jié)構(gòu)及地表沉降產(chǎn)生的影響越大，隧道軸線埋深對(duì)巖土體隆起程影響不大。

圖3 位移云圖

3.2.2 管片應(yīng)力

提取隧道貫通后隧道縱向中間截面的管片最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力云圖，將不同隧道埋深的云圖進(jìn)行比較，3 種埋深的管片云圖如圖 4 ～圖 6 所示。

圖4 管片最大和最小主應(yīng)力（隧道埋深 12 m）

圖5 管片最大和最小主應(yīng)力（隧道埋深 18 m）

圖6 管片最大和最小主應(yīng)力（隧道埋深 24 m）

模型管片采用的混凝土型號(hào)為 C 40，隧道埋深 12 m時(shí)，管片的最大主應(yīng)力為 46.8 kPa，最小主應(yīng)力為 800 kPa；隧道埋深 18m時(shí)，管片的最大主應(yīng)力為 60.1 kPa，最小主應(yīng)力為 1 003.5 kPa；隧道埋深 24m時(shí)，管片的最大主應(yīng)力為 73.4 kPa，最小主應(yīng)力為 1 202.8 kPa。3 個(gè)模型均未產(chǎn)生拉應(yīng)力，最大主應(yīng)力及最小主應(yīng)力均在安全范圍內(nèi)。比較 3 個(gè)計(jì)算模型的最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力可以發(fā)現(xiàn)，隧道埋深越大，管片的最大主應(yīng)力及最小主應(yīng)力越大，說明管片所受的拉力及壓力就越大，當(dāng)埋深較大時(shí)，盾構(gòu)開挖時(shí)需注意管片的受力情況。

3.2.3 地表沉降

提取隧道貫通后各計(jì)算模型地表豎向位移值，將不同隧道軸線埋深地表沉降曲線進(jìn)行比較，如圖 7 所示。

圖7 地表沉降曲線

由圖 7 可以看出，地表沉降沿縱向變化規(guī)律呈近似 U 型分布，整體沉降值呈現(xiàn)為“兩頭大、中間小”的分布趨勢(shì)，最大沉降值出現(xiàn)在隧道中軸線埋深 12m時(shí)，大小為 5.38 mm。由于模型只對(duì)巖土體一部分進(jìn)行計(jì)算，故在邊界處存在邊界效應(yīng)，在計(jì)算邊界處地表沉降值也出現(xiàn)了較大的增幅。

3.2.4 建筑物沉降

本文模型隧道上部建筑為 2 層框架結(jié)構(gòu)，在進(jìn)行計(jì)算分析之前做如下假定。

（1）計(jì)算時(shí)忽略填充墻對(duì)框架結(jié)構(gòu)整體抗側(cè)剛度的影響，填充墻荷載折算為 10 kN/m2施加在梁上，樓板面荷載計(jì)算值取為 5 kN/m2。

（2）假定盾構(gòu)隧道在掘進(jìn)過程中結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)與周圍土體不發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，接觸面的位移為結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)和土體共同位移。

（3）現(xiàn)實(shí)情況中梁和柱之間為鉸接，模型中梁柱之間建立耦合約束方程來模擬位移的協(xié)調(diào)和彎矩的實(shí)現(xiàn)。

提取隧道盾構(gòu)掘進(jìn)過程中不同隧道軸線埋深框架結(jié)構(gòu)同一位置的沉降曲線，如圖 8 所示。

圖8 盾構(gòu)開挖過程中建筑結(jié)構(gòu)沉降曲線

通過分析可知，隨著掌子面中軸線與結(jié)構(gòu)距離的不斷增大，地表結(jié)構(gòu)的沉降值變化規(guī)律為：由緩慢增長(zhǎng)到迅速增大，最后逐漸趨于穩(wěn)定。比較圖 6 的 3 條曲線，隧道埋深越小，上部老舊棚戶區(qū)結(jié)構(gòu)沉降值越大，故當(dāng)隧道埋深較小時(shí)，在隧道盾構(gòu)開挖時(shí)需要對(duì)地表結(jié)構(gòu)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，避免產(chǎn)生較大變形保證安全。

4 結(jié) 語

本文主要介紹了盾構(gòu)開挖地層沉降機(jī)理和有限差分軟件FLAC 3D三維建模的相關(guān)內(nèi)容，其中主要介紹了大直徑隧道盾構(gòu)開挖過程中對(duì)周圍地層的擾動(dòng)機(jī)理，包括地層損失理論的相關(guān)論述、土體初始應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)發(fā)生改變的過程和影響因素。文章從地層沉降特征的視角深入研究了地表變形沉降機(jī)理和上部老舊建筑結(jié)構(gòu)沉降規(guī)律，針對(duì)隧道不同軸線埋深進(jìn)行了 FLAC 3D三維數(shù)值模擬，通過計(jì)算得出以下結(jié)論：

（1）土體最大沉降值均出現(xiàn)在隧道斷面上部土體，且隧道軸線埋深越小，對(duì)隧道結(jié)構(gòu)及地表沉降產(chǎn)生的影響越大，隧道軸線埋深對(duì)巖土體隆起程影響不大。

（2）隧道埋深越大，管片的最大主應(yīng)力及最小主應(yīng)力越大，說明管片所受的拉力及壓力就越大。當(dāng)埋深較大時(shí)，盾構(gòu)開挖時(shí)需注意管片的受力情況，盾構(gòu)下穿時(shí)管片未產(chǎn)生拉應(yīng)力，且最大主應(yīng)力及最小主應(yīng)力峰值均控制在安全范圍內(nèi)。

（3）地表沉降沿縱向變化規(guī)律呈近似 U 型分布，整體沉降值呈現(xiàn)為“兩頭大、中間小”的分布趨勢(shì)，最大沉降值出現(xiàn)在隧道中軸線埋深 12m時(shí)，大小為 5.38 mm。

（4）隨著掌子面中軸線與結(jié)構(gòu)距離的不斷增大，上部結(jié)構(gòu)的沉降值變化規(guī)律為：由緩慢增長(zhǎng)到迅速增大，最后逐漸趨于穩(wěn)定。隧道埋深越小，上部老舊棚戶區(qū)結(jié)構(gòu)沉降值越大，故當(dāng)隧道埋深較小時(shí)，在隧道盾構(gòu)開挖時(shí)需要對(duì)地表結(jié)構(gòu)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，避免產(chǎn)生較大變形保證安全。