唐海玥，靳炳強

(1.北京城市學院，北京 100083；2.中鐵二十四局集團 浙江工程有限公司,浙江 杭州 310009)

城市地鐵隧道施工過程中會引起地表沉降，并產(chǎn)生一定寬度沉降槽，為了分析城市地鐵盾構(gòu)隧道施工因素對地表建筑物沉降的影響，國內(nèi)部分學者進行了相關(guān)研究，主要有：李澤榮[1]、金建峰[2]等結(jié)合某隧道施工，采FLAC3D軟件建立地鐵盾構(gòu)施工過程的模型，并對開挖及變形進行仿真模擬，系統(tǒng)分析研究了盾構(gòu)施工過程中引起的土體位移情況，并對對影響土體變形因素進行了分析；李超人[3]、郭樂[4]等結(jié)合某雙線隧道施工，利用數(shù)值模擬和現(xiàn)場測試方法研究了盾構(gòu)施工過程中建筑物及地表沉降變形特征，并根據(jù)同一建筑物不同部位的沉降差判定施工過程中建筑物安全性。丁萬勝[5]、邱明明[6]等采用室內(nèi)模型試驗和FLAC3D數(shù)值分析軟件相結(jié)合的方法，在模型隧道縱、橫向設(shè)置位移監(jiān)測點，監(jiān)測地面沉降隨開挖過程的變化規(guī)律，結(jié)果表明：沉降量隨隧道深度的增加而減小，隨掘進的進行而增加橫向沉降量在隧道正上方最大，等等。本文主要采用大型有限元軟件ABAQUS軟件模擬城市地鐵盾構(gòu)隧道開挖誘發(fā)地表沉降規(guī)律，并針對開挖推進距離、開挖面支護以及地表建筑物剛度條件對古建筑地表沉降影響進行了詳細分析，以期研究結(jié)果可為類似工程提供參考和借鑒。

1 工程概況

某城市地鐵隧道工程采用盾構(gòu)法施工，隧道中心埋深約20.3 m，隧道在該穿越區(qū)內(nèi)主要為黃土，隧道某段上方為一古建筑物。其中雜填土主要以粘性土為主，并含有少量的礫石和灰?guī)r，黃土呈現(xiàn)出黃褐色，其中含有少量的云母片和碎石。隧道外徑為6.5 m，管片設(shè)計厚度為0.5 m，每隔1.5 m一環(huán)，隧道埋深在18.6～21.9 m范圍內(nèi)。

2 數(shù)值建模

2.1 模型建立

采用大型有限元軟件ABAQUS軟件進行模擬計算。隧道模型建立要考慮開挖影響范圍，一般地下工程影響范圍為3～5倍洞室內(nèi)徑，由圖1所示，為隧道數(shù)值模型圖。建立模型時x軸取100 m，y軸沿隧道軸線方向取90 m，z軸取60 m，隧道埋深取20.0 m。除上邊界外，模型其它邊界均設(shè)有法向約束并進行位移約束，文中采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型。隧道洞徑外徑為6.5 m，盾構(gòu)全長90 m，每隔1.5 m一環(huán)，共60環(huán)。隧道管片厚度為0.5 m，混凝土標號為C50，彈性模量取34.5 GPa。該研究區(qū)段內(nèi)主要為黃土，表1為其巖體物理力學參數(shù)。

圖1 數(shù)值模型圖

表1 巖體的物理力學指標Table1 Physicalandmechanicalindicatorsofrockmass巖土層密度/(kg·m-3)體積模量/GPa剪切模量/GPa泊松比內(nèi)摩擦角/(°)粘聚力/MPa黃土16506.562.850.292523

2.2 監(jiān)測點布置

隧道施工過程中，為及時了解隧道開挖支護后各類參數(shù)變化情況，一般會在施工過程中布置多個監(jiān)控點。監(jiān)測分為兩類，一是位移監(jiān)測，主要為了掌握圍巖變形情況；二是應(yīng)力監(jiān)測，主要監(jiān)測錨桿、錨索以及殼體等軸力大小。不管是位移監(jiān)測還是應(yīng)力監(jiān)測，其目的均為實時掌握支護效果，以便快速處理施工中出現(xiàn)的各種問題，保證隧道施工過程安全。該隧道位移監(jiān)測點分別布置在拱頂、拱肩以及拱腰上，如圖2所示，主要監(jiān)測拱頂沉降位移和周邊收斂的位移，通過對位移監(jiān)測數(shù)據(jù)的收集、處理和分析來保證隧道施工過程中的安全可靠。

圖2 現(xiàn)場監(jiān)測點布置

3 數(shù)值結(jié)果分析

3.1 現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

如圖3所示，為各監(jiān)測點監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線圖。各監(jiān)測點在初期位移變化速率較快，到達某時間段以后，變化緩慢并最終趨于穩(wěn)定。以拱頂沉降為例，在初期變化速率較大，從1～3 d，拱頂沉降平均速率為2.16 mm/d，累計沉降量為6.18 mm。從4～30 d，拱頂沉降速率略有減緩，此時間段內(nèi)平均下降速率為0.57 mm/d，從30～60 d，拱頂沉降基本趨于穩(wěn)定，為22.81 mm，表明圍巖變形基本趨于穩(wěn)定。此外，上測點和下測點收斂位移穩(wěn)定值分別為15.25、8.14 mm。

圖3 現(xiàn)場監(jiān)測點位移-時間曲線

表2為各監(jiān)測點現(xiàn)場監(jiān)測位移與數(shù)值模擬位移對比表，由表2可知，對于拱頂沉降、上測點周邊收斂位移和下測點周邊收斂位移，實測數(shù)據(jù)分別比數(shù)值模擬數(shù)據(jù)大5.41%、13.21%和10.15%，由于現(xiàn)場施工條件比數(shù)值模擬更為復(fù)雜，且現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬數(shù)據(jù)相差最大不超過15%，故結(jié)果是合理的，也說明數(shù)值模擬比較可靠。

表2 各測點數(shù)據(jù)對比Table2 Comparisonofdataofvariousmeasuringpoints監(jiān)測點現(xiàn)場監(jiān)測位移/mm數(shù)值模擬位移/mm拱頂22.8121.64上測點周邊收斂15.2513.47下測點周邊收斂8.147.39

3.2 施工誘發(fā)古建筑物地表沉降分析

施工過程中，誘發(fā)古建筑物地表沉降的因素有很多，不同施工條件下，地表沉降也存在差異。如圖4所示，為盾構(gòu)施工中單次不同推進尺寸下的地表沉降曲線，文中推進距離(T)分別取6、9、15、18 m進行分析。由圖4可知，改變盾構(gòu)施工推進距離，基本不會改變沉降槽的寬度，地表的最大沉降將略微發(fā)生變化。推進距離為6、9、15、18 m對應(yīng)的最大地表沉降值分別為16.22、16.49、17.31、17.83 mm，相對于推進距離為6 m時，T取9、15、18 m時的地表最大沉降分別增大了1.7%、6.7%、9.9%。綜上可知，增大盾構(gòu)推進距離會增大古建筑物地表最大沉降值，但是增大幅度有限，當推進距離增大為原來的3倍時，古建筑物地表最大沉降增大幅度低于10%。

圖4 不同推進尺寸下古建筑物地表沉降曲線

如圖5所示，為盾構(gòu)施工中不同開挖面支護力下的古建筑物地表沉降曲線，文中不同開挖面支護力(P)分別取0、0.5P0、1.0P0、1.5P0進行分析(文中P0是盾構(gòu)開挖面中點的靜止土壓力，該值取120 kPa)。由圖5可知，改變盾構(gòu)施工開挖面支護力，地表沉降槽的寬度基本不發(fā)生改變，地表的最大沉降將發(fā)生變化。開挖面支護力為0、0.5P0、1.0P0、1.5P0對應(yīng)的最大地表沉降值分別為13.08、12.63、11.66、10.92 mm，相對于開挖面支護力為0時，P取0.5P0、1.0P0、1.5P0時能使地表最大沉降分別降低了3.4%、10.9%、16.5%。綜上可知，增大盾構(gòu)開挖面支護力會明顯減小地表最大沉降值，因此施工過程中可以適當采取增大開挖面支護力的方法來減小古建筑物地表沉降。

圖5 不同開挖面支護力下古建筑物地表沉降曲線

圖6 地表不同結(jié)構(gòu)剛度下地表沉降槽曲線

隧道上方是天然地表和有建筑物存在時，會改變隧道開挖引起的地表沉降值和沉降槽寬度，這一點已被很多學者提到過[7-10]，為了研究建筑物不同結(jié)構(gòu)剛度下地表沉降槽和沉降值變化規(guī)律，模擬中土體上部設(shè)計帶有結(jié)構(gòu)剛度的古建筑物，該古建筑物寬度為60 m，縱向長度與模型長度一致，通過改變其彈性模量來近似模擬不同結(jié)構(gòu)剛度條件。如圖6所示，將城市地鐵盾構(gòu)施工中地表不同結(jié)構(gòu)剛度下的地表沉降曲線繪制出，文中不同結(jié)構(gòu)剛度(K)分別取0、100、1 000、10 000 MPa進行分析。由圖6可知，改變不同結(jié)構(gòu)剛度，地表沉降槽的形狀將發(fā)生改變，地表的最大沉降也同樣發(fā)生較大的變化。只考慮剛度體范圍內(nèi)，增大結(jié)構(gòu)剛度，會使得地表沉降槽寬度減小，但是地表沉降將發(fā)生較大的變化。結(jié)構(gòu)剛度為0、100、1 000、10 000 MPa對應(yīng)的最大地表沉降值分別為23.17、21.45、19.87、17.46 mm，相對于結(jié)構(gòu)剛度為0時，K取100、1 000、10 000 MPa時的能使地表最大沉降分別降低了7.4%、14.2%和24.6%。綜上可知，城市地鐵隧道上方存在古建筑物能明顯減小地表最大沉降值，但地表沉降槽寬度也相應(yīng)增加，因此施工過程中若盾構(gòu)上方存在古建筑物，應(yīng)進行特殊考慮。

4 結(jié)論

主要采用大型有限元軟件ABAQUS軟件模擬城市地鐵盾構(gòu)隧道開挖誘發(fā)古建筑物地表沉降規(guī)律，并針對開挖推進距離、開挖面支護以及地表建筑物剛度條件對古建筑物地表沉降影響進行了詳細分析，得到以下結(jié)論：

a.拱頂沉降、上測點周邊收斂位移和下測點周邊收斂位移，實測數(shù)據(jù)分別比數(shù)值模擬數(shù)據(jù)大5.41%、13.21%和10.15%，這與現(xiàn)場施工條件比數(shù)值模擬更為復(fù)雜有關(guān)，且現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬數(shù)據(jù)相差最大不超過15%，故結(jié)果是合理的，也說明數(shù)值模擬比較可靠。

b.增大盾構(gòu)推進距離會加大古建筑物地表最大沉降值，但是增大幅度有限，當推進距離增大為原來的3倍時，古建筑物地表最大沉降增大幅度低于10%；增大盾構(gòu)開挖面支護力會明顯減小古建筑物地表最大沉降值，因此施工過程中可以適當采取增大開挖面支護力的方法來減小古建筑物的沉降。

c.盾構(gòu)上方地表存在古建筑物能明顯減小地表最大沉降值，但地表沉降槽寬度也相應(yīng)增加，因此施工過程中若盾構(gòu)上方存在古建筑物，應(yīng)進行特殊考慮。