徐奥妮, 姜春琳

(解放军理工大学国防工程学院, 江苏南京 210007)



隧道盾构施工对地面建筑影响分析

徐奥妮, 姜春琳

(解放军理工大学国防工程学院, 江苏南京 210007)

文章结合某隧道施工工程，研究分析盾构施工对地面五层规则框架式老旧砖混建筑结构的受力与变形情况，利用ANSYS创建三维地面建筑结构、地层和隧道一体化模型，研究在单线盾构推进过程中地面砖混建筑结构的差异沉降以及墙、板的应力与沉降的变化规律。

隧道；盾构施工；差异沉降；数值模拟；砖混结构

1　隧道盾构施工对周围建筑物影响的研究现状

目前关于隧道盾构施工对周围建筑物影响的研究并不多，大部分学者是通过有限元来模拟分析。孔秋珍(2007)[1]、葛世平(2008)[2]和姜忻良(2008)[3]运用有限元软件 ANSYS三维有限元模拟，研究计算了盾构法地铁隧道穿越建筑物时对地面上部建筑物自身沉降和内力的影响。当隧道穿越处于地面沉降槽凹凸区上部建筑时，上部建筑底部受压、顶部受拉，对其引起的长期沉降进行了预测。魏纲(2009)[5]和何永礼(2010)[6]针对隧道下穿地面建筑时的围岩稳定问题，分析了不同的建筑尺寸、建筑位置、建筑荷载在不同的埋深和围岩条件下地面建筑对隧道的影响规律。当建筑与隧道的相对位置不同时，隧道对建筑的影响大小也不同。徐明(2014)[7]对盾构隧道施工过程中数个地表沉降监测断面和多栋房屋的沉降情况进行系统的现场监测，揭示出房屋刚度对房屋自身变形有很大影响，不考虑房屋刚度得到的沉降预测结果可能与实际情况相差较大；同时，采用能够考虑土体小应变刚度特性的数值模拟，进一步揭示隧道开挖过程中房屋刚度对地表下方深层土体变形的影响，并讨论这种复杂的隧道开挖一土体一房屋相互作用的机制。张杨(2015)[8]通过分析南昌市轨道交通2号线一期工程某标段区问隧道影响的工程实例，对既有老式建筑的地基和主体结构的变形进行预测，以避免盾构施工时发生安全事故，同时也为类似工程施工提供理论依据和实践经验，以确保周边环境的安全和盾构隧道顺利施工。

2　盾构隧道施工中地面房屋结构安全性的分析

2.1盾构隧道-基础-地面房屋结构一体化建模

本文采用数值分析结合现场实测的方法进行分析，以现场实测数据为基础和前提，得到岩石的基本力学参数，建立符合实际情况的ANSYS三维有限元模型，分析在盾构施工等各种效应的影响下上部建筑的位移和应力分布规律，并由此判定上部建筑、周围土体和盾构隧道的稳定性，以此作为评价地铁下穿建筑物稳定性评价的依据。通过数值分析，综合评价地铁下穿建筑物的稳定性，得到有益的规律，为工程快速安全施工提供有力支持。

为研究盾构隧道施工中地面房屋结构安全性，分析围岩和建筑物的应力、变形规律，建立三维数值模型进行计算。在建模过程中对计算区域作了以下假定：依据相关文献,隧道开挖会对周围3～5 倍范围(即相对开挖断面宽度而言)产生影响，为减小边界效应的影响，根据隧道开挖影响范围的大小，沿隧道的走向(纵向Z轴)取50 m，与隧道正交的水平方向(横向X轴)取90 m，竖直方向(Y轴)取70 m，隧道埋深20 m。围岩、围岩加固层、建筑物采用Solid45单元，衬砌支护结构采用Shell63单元。除去建筑物外的所有线条分成10份，大多数围岩采用六面体8结点单元模拟，建筑物以及与建筑物相接触的那一部分围岩采用四面体4节点单元模拟，隧道支护结构采用壳单元模拟。计算模型的边界条件是以上部为自由边界，其余各侧面和底面为法向约束边界。具体模型见图1～图3。

图1　隧道开挖三维模型

图2　三维网络划分

图3　隧道主体

根据隧道工程地质勘察报告，并参照JTG D70-2004《公路隧道设计规范》，得到土体与支护结构、房屋结构的物理力学参数，如表1所示。

2.2盾构掘进中房屋墙、板应力及沉降变化规律

隧道按2.5 m、5 m、10 m等3种施工步进行开挖，加上加载初始地应力，共分为6个施工步。房屋距离开挖洞口沿着Z轴方向10 m,距离隧道主体竖直方向20 m。

表1　围岩和支护结构物理力学参数

为了分析墙板应力应变变化规律，取5层房屋模型的3个具有代表性的节点进行分析。其中墙点取2层中点和4层中点2个点，这2点的节点号是83 755和84 499,分别定义为①号和②号(图4)。而板则是取顶层楼板中点进行分析，节点号为85 570(图5)。取的点可能不能很好地反应整体的应力应变规律，但是在局部仍然具有参考价值。

图4　墙正面节点

图5　板俯视面节点

2.2.1墙板沉降变化分析

当施工步为2.5 m时墙体的应变变化明显比板的要小，但是两者的变化趋势是一致的，都是逐渐减小，且会出现波动。墙的沉降变化大概在14.5～14.9 mm之间，而板的则是15.4 mm，并且趋于平稳。当施工步为5 m时，板和墙的沉降基本一致，都是在15.2 mm左右，而且呈线性减小。当施工步为10 m时，板和墙的沉降随着隧道的推进与时间呈线性增加，墙的沉降在15.4 mm左右，而板的沉降则明显比墙的小，大约在15 mm左右。综上3种情况，可以看出施工步越小，房屋的各种性能越稳定，应尽量选择合适的施工步去施工。

2.2.2墙板应力变化分析

由模拟数据可知，各个施工步的应力变化曲线与沉降变化曲线基本一致，故不多加讨论。

2.3盾构掘进中房屋差异沉降分析

差异沉降一般是指同一结构体中相邻的两个基础沉降量的差值，是反映土木工程结构地基的变形特征的重要指标。如果差异沉降过大，就会使相应的上部结构产生额外应力，当超过一定限度，将会产生裂缝、倾斜，甚至破坏。

砌体结构主要受差异沉降的影响，当地表的差异沉降很大时，会在砌体内部产生很大的拉应力，而砌体结构的抗拉能力较低，会导致结构开裂甚至破坏[9]。隧道在掘进过程中，地表上各点的竖向位移的变化趋势基本上是一致的。由于分3种施工步，本次分析仅取施工步为5 m进行分析。当盾构下穿上部建筑时，开挖的第3～5开挖步，整个地表迅速下沉，最大下沉量为 15.4 mm，即隧道下穿上部建筑时地表处于快速下沉阶段；而当隧道开挖结束时，地表处于平稳状态，既不下沉也不隆起的状态，地表变化不大；在整个的开挖过程中，地表的最小沉降为12.2 mm，而最大沉降值为-15.4 mm，最大沉降值满足工程的允许沉降值10～20 mm的控制标准，因此不需要对上部建筑基础进行加固处理。

取断面(z=0、z=15 m)上的地表各个关键点分析盾构掘进中房屋差异沉降的变化。由于房屋相对于土体比较稳定，所以沉降变化都不大。当施工步为2.5 m时，z=0，由地表沉降图可以看出，沉降随时间变化呈线性变化，具体变化不大，基本在15.3 mm左右。当z=10 m时，可以明显的看出，沉降趋势与z=0时相同，只不过沉降减小了1.3 mm，此时房屋的差异沉降为1.3 mm。可能是由于在施工步的情况下，隧道已经穿过房屋，隧道反弹导致沉降减少。

目前在实际工程中，一般规定盾构法施工引起的允许地面沉降值为30 mm。数值计算表明，盾构隧道开挖过程中，隧道周围土体经历先挤压后应力释放的过程，而最终沉降趋于平稳基本维持在15 mm，符合要求。

2.4地表围岩应力变化规律分析

随着隧道施工的进行可知围岩应力发生重新分布，待稳定后逐渐趋于稳定。通过对隧道不同施工步开挖的分析研究，可以得到，围岩的竖向应力最终与开挖时间形成线性变化。而房屋周围的地表产生的应力明显比距离房屋远处要大很多，说明隧道在穿越地表建筑物时，会明显的产生差异变化。所以当隧道穿越建筑物时，要特别注意地应力的变化。加强房屋下地层的加固，以免产生房屋应力的过度变化，导致裂隙的产生。

而不同的施工步也会产生不同的地应力的变化，随着施工步的增加地应力变化也相应的增大，这就要求在隧道推进时，不要一次推进过大，过大的开挖会产生大的应力差异变化。适中的推进速度，不仅可以减小应力的变化，而且还可以很好地稳固地层。

3　结论

本文通过对地下隧道建设以及地上5层老旧建筑的三维模拟，得到了一系列结果，分析总结了盾构施工过程中周围土体的变形规律，分析了地铁隧道开挖对下穿建筑物的影响，得到如下结论。

简化的上部建筑-地层-隧道三维一体化建模，对其进行的数值分析和实际情况较为吻合，可以作为实际工程设计和施工的依据；对隧道开挖过程中影响上部建筑物稳定性的因素以及判断尺度进行分析，得出地表沉降是判定主要依据，而房屋裂缝、倾侧等是地表沉降在房屋破坏上的体现；在现有的技术条件下，盾构隧道开挖对上部建筑的会产生影响，但是可以保证上部建筑的安全使用；处于安全的考虑，需要对上部建筑采取一定的稳定性控制措施，可以采用桩基托换、建筑物本体加固等措施，保证建筑结构的稳定。

本文存在的不足之处有：建筑模型较为简化，没有考虑砌体结构的各项异性与脆性破坏，和实际情况不相符，需要进一步完善；实际工程中，土体瞬时沉降的同时还伴随着排水固结沉降，还有待于进一步改善；需要考虑盾构管片接头的转动效应和盾尾部位注浆材料在施工中由液态向固态转化的凝固过程，较好地反映盾构隧道各施工阶段的力学性态和变形形态，使结果更接近实际施工情形还需要作进一步的研究。就分析而言，对本研究的模拟主要是通过各个监测点的差异沉降和内力即应力应变的变化来确定其稳定性的，对建筑物的刚度以及抵抗变形的作用并没有进行充分考虑，会导致实验模拟数据存在一定的不合理性。

[1]孔秋珍，谢锋.城市浅埋隧道施工对地面房屋影响的数值计算[J]．重庆交通大学学报：自然科学版，2007(26)：30-34.

[2]葛世平，廖少明.地铁隧道建设与运营对地面房屋的沉降影响与对策[J]．岩石力学与工程学报，2008，27(3)：550-556.

[3]姜忻良，贾勇．地铁隧道施工对邻近建筑物影响的研究[J]．岩土力学，2008(11)：3047-3052.

[4]于宁，朱合华.盾构施工仿真及其相邻 影响的数值分析[J]．岩土力学，2004，25(2)：293-296.

[5]魏纲，裘新谷.邻近建筑物的暗挖隧道施工数值模拟[J]．岩土力学，2009，30(2)：547-552.

[6]何永礼．地面建筑对下穿隧道围岩稳定的影响研究[D]．徐州：中国矿业大学，2010.

[7]徐明，邹文浩，章龙管.房屋刚度对隧道开挖引起的土体变形的影响[J].岩土力学与工程学报，2014，33(4)；839-847.

[8]张杨，林本海，牛九格.地铁盾构隧道施工对既有老式建筑的影响分析[J].广东土木与建筑，2015(4)；56-60.

[9]王涛，徐日庆.隧道施工对邻近砌体结构影响的数值分析[J].地下空间与工程学报，2008，5(6)；47-50.

徐奥妮(1992～)，女，在读硕士研究生，研究方向为防灾减灾工程与防护工程。

姜春琳(1992～)，女，在读硕士研究生，研究方向为防灾减灾工程及防护工程。

U455.43

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[定稿日期]2016-03-09