傅一棟

（中國鐵建十六局集團有限公司 北京 100018）

1 前言

在城市化快速發(fā)展的進程中，地表交通早已不堪重負，地鐵成為解決這一問題的主要手段。地鐵建設難免會出現(xiàn)區(qū)間下穿既有建（構）筑物，地鐵區(qū)間建設對前期建設的建（構）筑物難免產(chǎn)生影響［1－2］，甚至影響其安全使用，對其影響進行分析研究非常必要。

1965年Peck［3］等通過對大量原位監(jiān)測數(shù)據(jù)分析得出地表沉降曲線與類似于正太分布的函數(shù)曲線，并提出地表沉降橫向分布公式，即“Peck公式”。1980年，日本學者竹山喬［4］，在原位監(jiān)測基礎上，對有限元分析結果進行修正，得出估算地表沉降的公式。1982 年 Attewell和 Woodman等［5－7］假設地層在變形過程中不存在體積變化，并推導出隧道推進方向的縱向沉降曲線公式。李進軍、孔秋珍［8－10］等采用數(shù)值模擬分析盾構掘進對鄰近建筑物的影響［11］。

2 模型建立及計算參數(shù)

（1）模型概況

選取合肥地鐵1號線葛望區(qū)間下穿三層框架結構為研究對象，依據(jù)圣維南計算原理，模型尺寸X軸方向取左、右隧道軸線向外約5D（D為隧道直徑）距離，為78 m；Y軸方向（隧道軸線延伸方向）取260 m；Z軸方向（豎向）取40 m。拱頂距離地表覆蓋層厚度取12 m，拱底向下土層深度取22 m。開挖隧道直徑D＝6.28 m，管片厚度0.3 m，環(huán)寬度1.5 m，注漿層厚度0.14 m。左隧道中心與右隧道中心間距為18 m。

在模擬過程中，每次開挖掘進長度選兩個管片的寬度3 m設置為一個開挖施工步，盾構隧道總共進行40個施工步，先掘進左線，再掘進右線，開挖掘進總長度為120 m。

數(shù)值計算模型網(wǎng)格劃分見圖1，核心土、等代層網(wǎng)格劃分見圖2和圖3。

圖1 有限元三維數(shù)值模型

圖2 核心土網(wǎng)格劃分

圖3 等代層網(wǎng)格劃分

（2）計算參數(shù)

場地地層共分為5層，自上而下依次為人工雜填土、黏土1、黏土2、黏土3、強風化泥質(zhì)砂巖。圍巖服從摩爾－庫倫本構模型，主要物理力學參數(shù)見表1。

表1 三維模型土層相關參數(shù)

盾構管片、漿液等代層、盾殼均服從線彈性本構關系，具體參數(shù)見表2。

表2 盾構隧道支護結構參數(shù)

3 模擬結果分析

（1）地表沉降分析

在左、右線掘進不同距離的情況下，地表沉降與隧道軸線距離的變化曲線見圖4。

圖4 觀測斷面隨盾構掘進沉降曲線

由圖4可看出，在左、右線隧道掘進過程中均存在不同程度的隆起情況。由于上部建筑物荷載影響，左線沉降量較右側(cè)沉降量大；距離建筑物較遠的地表沉降較小，距離建筑物較近的地表沉降較大；沉降槽范圍在距左線隧道中線16 m范圍內(nèi)；左線掘進結束后，兩隧道之間偏右線地表沉降在右線掘進過程中明顯加大。

豎向位移趨勢相同，量值差別較小。而在盾構開挖面前方1倍盾體長度以外，地表和拱頂豎向位移變化趨勢逐漸分離，拱頂位移變化率明顯大于地表，原因在于在盾構掘進過程中，開挖面土壓力由盾構機土倉壓力平衡，擠壓效應明顯。在掘進30 m處，拱頂與地表沉降達到最大。

（2）建筑物沉降模擬結果分析

上部建筑物沉降隨盾構掘進距離的關系曲線見圖5?？梢钥闯錾喜拷ㄖ锘A沉降過程由3個平穩(wěn)段和2個劇變段組成。隧道左、右線先后通過建筑物時，其基礎的沉降值都會有一次比較大的增量發(fā)生，且有明顯的二次沉降，對比兩條隧道通過后的曲線，左線對上部建筑物沉降的影響更大。

圖5 上部建筑物沉降隨盾構掘進距離關系曲線

4 影響因素分析

（1）隧道與建筑物相對位置影響分析

上部建筑物與盾構隧道的相對位置關系見圖6。盾構區(qū)間與上部結構的偏心比e0為建筑中心和隧道軸線距離e與建筑物長度一半的比值。

圖6 隧道與建筑物相對位置關系（單位：mm）

在e0不同的情況下，盾構下穿地表沉降槽曲線見圖7。地表最大沉降量隨e0的增大而降低，并且地表的最大沉降量有向建筑物偏移方向移動的趨勢；在盾構隧道開挖掘進的范圍處于建筑物基礎下方時，地表的最大沉降量明顯大于隧道上部沒有建筑物荷載時的最大沉降量；但是當e0＝1.5時，隧道最大沉降量與上部無建筑物時基本一致，但沉降槽的寬度有所增大。

圖7 x=0斷面地表沉降與隧道距離關系

（2）注漿壓力影響分析

選取 0.3 MPa、0.2 MPa、0.4 MPa 三個不同注漿壓力值進行數(shù)值模擬對比分析。

當注漿壓力從0.2 MPa增加至0.3 MPa時，最大沉降量減少14.5%；注漿壓力從0.3 MPa增加至0.4 MPa時，沉降量減少13.3%。說明增大注漿壓力有利于控制地表的沉降變形。

（3）掘進順序影響分析

不同掘進順序下，建筑物下伏隧道先掘進對上部建筑物的影響要小于后掘進，約減少沉降18%。

5 原位測試

在垂直隧道軸線方向10 m、40 m、70 m、100 m處設置4個監(jiān)測斷面，見圖8。

圖8 沉降測點布置平面

（1）地表沉降監(jiān)測分析

4個監(jiān)測斷面地表最大沉降基本分布在左、右線之間，略偏向建筑物一側(cè)，最大沉降為8.8 mm。

（2）建筑物沉降監(jiān)測分析

隧道上覆建筑物沉降監(jiān)測結果見圖9。

圖9 上覆建筑物沉降歷時曲線

可以看出：在盾構掘進過程中建筑物首先呈現(xiàn)小幅隆起，在盾構通過后呈現(xiàn)沉降并持續(xù)近一個月?？拷淼乐行某两抵德源笥谶h離隧道中心測點的沉降值。后行隧道掘進建筑物會發(fā)生二次沉降，約占總沉降的30%。

（3）模擬與監(jiān)測結果對比分析

由圖10可知，數(shù)值模擬值與原位監(jiān)測沉降分布規(guī)律基本一致，原位監(jiān)測結果略大于數(shù)值模擬結果，二者誤差率最大為9.6%。

圖10 監(jiān)測斷面沉降量與模擬結果對比

6 結束語

（1）在隧道掘進過程中左、右線均存在不同程度的隆起，受上部建筑物荷載的影響，左線沉降量較右線沉降量大；距離建筑物較近的地表沉降遠大于較遠地表點沉降；沉降槽范圍分布在距左線隧道中線16 m范圍內(nèi)。

（2）在盾構開挖面前方1倍盾體長度以內(nèi)，地表和拱頂豎向位移基本一致，以后變化趨勢逐漸分離，拱頂位移變化率明顯大于地表，距離開挖面約30 m后沉降值達到最大。

（3）建筑物沉降經(jīng)歷3個平穩(wěn)段和2個劇變段。隧道左、右線先后通過建筑物時，建筑物沉降值都會有一次比較大的增量發(fā)生，且有明顯的二次沉降，左線對上部建筑物沉降的影響更大。

（4）隨e0的增大地表最大沉降量逐漸降低，當e0＝1.5時，隧道最大沉降量與上部無建筑物時基本一致，但沉降槽的寬度有所增大。

（5）先掘進建筑物下伏隧道、增大注漿壓力有利于控制建筑物沉降。