摘要：為了降低砂卵石地層盾構施工對鄰近建筑物的影響程度，文章基于Midas GTS NX有限元軟件構建模型，對不同頂推力、注漿壓力和漿液強度下盾構鄰近建筑物變形規(guī)律進行分析。結果表明：建筑物的沉降變形和水平位移隨著頂推力增大而逐漸增大，隨著注漿壓力和漿液強度增大而逐漸減??；頂推力越小，注漿壓力和漿液強度越大，建筑傾斜率越?。划敹軜嬊Ы镯斖屏?10 kPa、注漿壓力為190 kPa時，建筑的沉降變形相對較小，并宜選擇強度高的注漿材料。

關鍵詞：砂卵石地層；頂推力；注漿壓力；漿液強度；建筑變形；有限元模型；傾斜率

中圖分類號：U455.3+9

0 引言

地鐵對于緩解城市交通擁堵具有重要意義，近些年來我國加大了地鐵建設的規(guī)模和投入，一大批地鐵建設項目正在規(guī)劃建設中。盾構施工因其擾動小、效率高、受外界環(huán)境影響小等優(yōu)點，已成為地鐵建設的主要施工方法［1-2］。

在盾構施工過程中，不可避免地會對地層和鄰近建筑物產(chǎn)生影響，特別是在地層條件復雜的地區(qū)，對鄰近建筑物變形的影響更大［3-4］。砂卵石作為一種力學極其不穩(wěn)定的地層，當盾構機在砂卵石地層中進行開挖掘進時，地層的反應是非常靈敏的，原有的相對穩(wěn)定或者平衡的狀態(tài)極容易被盾構施工所打破［5］，形成地層的損失和圍巖擾動，進而導致地面沉降甚至塌陷，同時造成地面既有建筑物的傾斜變形，嚴重的會危及建筑安全。因此，有必要在砂卵石地層盾構施工時，采取一定的控制措施，如控制掘進速度、采取注漿手段等，其中控制盾構施工參數(shù)是最主要的技術手段［6-8］。

本文在前人研究經(jīng)驗和理論基礎上，采用有限元分析法，探討不同盾構施工參數(shù)下，砂卵石地層盾構施工對既有鄰近建筑物變形的影響規(guī)律，以期能為類似地質(zhì)條件下的地鐵盾構施工提供借鑒。

1 工程概況

廣州地鐵21號線某區(qū)間段全長954.2 m，采用土壓式平衡盾構法施工，管片的外/內(nèi)徑為6.4 m/5.8 m，管片的厚度為0.3 m，盾構每次推進距離為3.2 m（2個管片長度）。沿線主要既有建筑物包括JF商業(yè)大廈、JHA大酒店、XL學校、YC文化宮、YC立交橋、CL小區(qū)、CLY小區(qū)等。工程區(qū)主要為沖積平原地貌，整體為第四系松散地層，自上而下分為雜填土、黏土、粉質(zhì)黏土和泥質(zhì)粉砂巖夾卵石層，盾構隧道位于泥質(zhì)粉砂巖夾卵石層中，褐紅色，層狀結構，遇水易軟化，失水易開裂，局部風化裂隙發(fā)育。

本文以盾構穿越JF大廈為例。該建筑共有7層，為框架結構，基礎采用6 m深的樁筏板，縱向和橫向樁間距分別為5 m和3 m，地鐵盾構隧道與最外側樁之間的間距為10 m，兩個隧道的中心間距為14 m，隧道的埋深為14.8 m，在大廈旁邊2 m處，有一條埋深為3 m的供水管。地鐵盾構隧道與JF大廈位置關系見圖1。

2 模型構建

2.1 本構模型

利用Midas GTS NX有限元模型構建盾構隧道及建筑物模型，模型建立采用摩爾-庫倫準則，模型的長度為80 m，寬度為79 m，厚度為19 m。雜填土、黏土、粉質(zhì)黏土、泥質(zhì)粉砂巖夾卵石層、建筑物、注漿層采用3D實體單元；建筑物筏板、盾構外殼、管片、給水管采用2D單元；建筑物立柱樁采用1D單元。模型采用以六面體單元為主、四面體單元為輔的混合網(wǎng)格生成網(wǎng)格，將模型劃分為24 439個網(wǎng)格單元和13 680個節(jié)點單元，見圖2。在模擬過程中，考慮建筑物自重所產(chǎn)生的自重應力，由于埋深較淺，只考慮隧道上半部分自重所產(chǎn)生的應力場。

2.2 參數(shù)選取

各地層土體主要參數(shù)根據(jù)設計院地勘報告進行合理選取，見表1。建筑物和隧道主要結構的材料和屬性情況見表2。在模擬過程中，為了簡化計算，將樓板、上部結構和柱視為無重力混凝土，且不考慮墻的影響。

2.3 工況設計

本文主要探討盾構頂推力、注漿壓力、注漿液強度（漿液彈性模量）等3種施工參數(shù)對JF大廈變形的影響。盾構頂推力分別設計100 kPa、110 kPa、120 kPa和130 kPa 4種工況，注漿壓力分別設計110 kPa、150 kPa、190 kPa和230 kPa 4種工況，注漿液強度（彈性模量）分別設計5 GPa、10 GPa、15 GPa、20 GPa 4種工況。

3 結果分析

3.1 頂推力的影響

不同頂推力作用下JF大廈的沉降值和水平位移變化規(guī)律見圖3。從圖3中可知：隨著盾構掘進長度的增加，不同頂推力下建筑物最不利位置處的沉降值和水平位移逐漸增大，且不同頂推力下的變形量差異在逐漸增大，相同掘進長度下，千斤頂推力越大，建筑物的沉降變形和水平位移越大；在100 kPa、110 kPa、120 kPa、130 kPa頂推力下，當盾構掘進長度為80 m時，最不利位置處的沉降變形分別為4.9 mm、4.95 mm、5.1 mm和5.85 mm，水平位移分別為3.2 mm、3.4 mm、3.6 mm和4.05 mm；當頂推力≤120 kPa時建筑最不利位置處的變形量基本相等，當頂推力gt;120 kPa后建筑最不利位置處的變形量開始明顯增大。因此，在實際盾構施工過程中，應將千斤頂推力（掘進壓力）設置在合理大小。

3.2 注漿壓力的影響

不同注漿壓力下JF大廈的沉降值和水平位移變化規(guī)律見下頁圖4。從圖4中可知：隨著盾構掘進長度的增加，不同注漿壓力下建筑物的沉降變形和水平位移逐漸增大，且不同注漿壓力下的建筑物變形差異在掘進長度為40～60 m時最大，在掘進初期和掘進過后差異較小，相同掘進長度下，注漿壓力越大，建筑物的沉降變形和水平位移越小；在110 kPa、150 kPa、190 kPa、230 kPa注漿壓力作用下，當盾構掘進長度為80 m時，最不利位置處的沉降變形分別為5.2 mm、5.1 mm、5.1 mm和5.1 mm，水平位移分別為3.6 mm、3.5 mm、3.6 mm和3.6 mm。由此可見，注漿壓力對建筑變形的影響較小。

3.3 漿液強度的影響

不同漿液強度下JF大廈的沉降值和水平位移變化規(guī)律見圖5。從圖5中可知：隨著盾構掘進長度的增加，不同將液強度下建筑物變形在逐漸增大，且差異值也隨盾構掘進長度逐漸增加；相同盾構掘進長度下，漿液強度越大，沉降變形和水平位移越??；在5 GPa、10 GPa、15 GPa、20 GPa漿液強度下，當盾構掘進長度為80 m時，最不利位置處的沉降變形分別為5.2 mm、5.2 mm、3.2 mm和2.1 mm，水平位移分別為3.6 mm、2.6 mm、1.65 mm和1.7 mm，說明漿液強度對于建筑物變形的影響幅度在不斷減?。划敐{液彈性模量gt;15 GPa后，漿液強度對于建筑物橫向變形有明顯的影響，對于盾構側穿之后的變形則沒有明顯影響。

3.4 建筑傾斜率與盾構施工參數(shù)的關系

根據(jù)數(shù)值模擬結果，對建筑物最不利位置處的差異沉降和傾斜率進行計算，結果見圖6。從圖6中可知：隨著頂推力的增大，JF大廈的差異沉降和傾斜率逐漸增大，當頂推力為100 kPa、110 kPa、120 kPa、130 kPa時，建筑傾斜率分別為0.031%、0.032%、0.036%和0.042%；當頂推力由100 kPa增加至110 kPa時，建筑傾斜率僅僅增加了0.001%；當頂推力從110 kPa增加至120 kPa后，建筑物傾斜率增加了0.004%；當頂推力從120 kPa增加至130 kPa后，建筑傾斜率增加了0.006%。因此，應將盾構千斤頂推力控制在110 kPa最為合理。隨著注漿壓力和漿液彈性模量的增大，建筑物的沉降差異和傾斜率逐漸減小，當注漿壓力gt;190 kPa之后，建筑物傾斜率基本保持不變，均為0.042%。因此注漿壓力應控制在190 kPa，漿液強度的增加會不斷降低建筑物的傾斜率，在盾構施工時應盡量選用強度更高的注漿材料。

4 結語

本文利用數(shù)值模擬方式，對砂卵石地層下不同盾構施工參數(shù)影響下的鄰近建筑變形規(guī)律進行了研究，得出如下結論：

（1）隨著頂推力的增大，建筑物的沉降變形和水平位移逐漸增大；隨著注漿壓力和漿液強度的增大，建筑的沉降變形和水平位移逐漸減小；注漿壓力相對頂推力和漿液強度，對建筑變形的影響較小。

（2）建筑差異沉降和傾斜率隨著頂推力增大而增大，隨著注漿壓力和漿液強度增大而逐漸減小。

（3）為盡量減小建筑的變形，宜將盾構千斤頂推力控制在110 kPa，注漿壓力控制在190 kPa，宜選擇強度高的注漿材料。

參考文獻

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收稿日期：2023-10-16

作者簡介：覃健世（1988—），工程師，研究方向：道路與橋梁工程。