摘 要：以昆明市軌道交通 6 號線二期菊華站—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，通過數(shù)值計算研究不同隧道-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)值計算

中圖分類號：U455.43

0 引言

經(jīng)過多年的地鐵建設(shè)及相關(guān)工程經(jīng)驗的積累，采用明挖法進行地鐵車站開挖并利用盾構(gòu)進行區(qū)間隧道掘進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償填充的，由于補償注漿受壓力、漿液性質(zhì)、注漿時機影響很大，補償注漿亦不能完全充填盾尾建筑空隙;盾構(gòu)推進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)機振動等，使得盾構(gòu)施工不可避免地會產(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，由此推導了用于預測盾構(gòu)施工地表沉降的公式。這些預測公式在實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)場實測、模型試驗、數(shù)值計算結(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)筑物保護具有重要意義[20-21]。

本文以昆明市軌道交通6號線二期菊華站—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)、市麗康時裝廠住宅樓、金馬正昌果品批發(fā)市場等建筑，最后進入位于歸十路南側(cè)的1號盾構(gòu)井。本次計算涉及的冶金住宅小區(qū)為3棟6層磚混結(jié)構(gòu)建筑（建于上世紀八九十年代），設(shè)計使用壽命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)值計算模型

本項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)值計算模型，如圖2所示，計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。

考慮邊界效應對隧道施工的影響，模型尺寸為120m×80m×40m。地層、隧道均采用實體單元建模。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)的土體并激活預設(shè)管片單元實現(xiàn)隧道開挖支護，通過在開挖面施加反向節(jié)點荷載，模擬盾構(gòu)對開挖面的平衡作用。實際隧道施工過程為逐環(huán)推進，先進行左線隧道掘進，貫通后進行右線隧道掘進。

3 數(shù)值計算結(jié)果分析

數(shù)值計算中主要通過計算建筑物沉降和建筑物最大最小主應力，來分析隧道-建筑物凈距對建筑物沉降的影響。既有建筑物沉降計算點如圖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，各計算點沉降隨盾構(gòu)開挖步序的變化情況?？梢钥闯觯軜?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，實際施工中應主要通過控制盾構(gòu)穿越過程中的掘進參數(shù)來實現(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，各計算點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，開挖擾動經(jīng)地層擴散后被明顯削弱，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，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力隨隧道-建筑物凈距的變化是非線性過程，當隧道-建筑物凈距大于1D時，主應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為隧道管片應力挖隧道-建筑物凈距的變化情況?？梢钥闯觯w上隨著隧道-建筑物凈距的加大，管片應力增加。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，管片應力隨凈距變化波動幅度很大。當隧道-建筑物的凈距0.8D～2.5D時，管片應力隨隧道-建筑物凈距的增加基本呈線性變化，可認為上部建筑物荷載通過地層擴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，當隧道與建筑物凈距大于1.65D時，盾構(gòu)施工造成建筑物最大沉降可控制在20mm以內(nèi)。

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

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

（4）數(shù)值計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，實際施工中還應加強施工參數(shù)控制，及時注漿填補超挖空隙，通過減少地層損失來控制施工過程中的地層沉降。

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收稿日期 2019-04-04

責任編輯 朱開明