张惠兰

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉 430063)

1 引言

近年来，我国轨道交通得到了迅猛的发展，地铁线路已延伸城市地下各个角落，同时随着城镇化建设的快速发展以及充分利用土地考虑，在已建地铁上部施做建筑物是不可避免的，而地面建筑物的施工将必然会对已有的隧道造成一定的影响。由于建筑物施工和隧道施工并不同步，此时存在两种情况:一是隧道后于邻近建筑物施工，此时隧道的施工对已有建筑物产生影响;二是隧道先于邻近建筑物存在，此时地面建筑物的施工将必然会对已有的隧道造成一定的影响。对于隧道施工对地表及邻近建筑物的影响，国内外已研究的非常多［1～4］;而对于建筑物施工对地表及其下部隧道的位移、内力等的影响国内外研究的较少。因此，论文以某地铁工程为背景，考虑建筑物楼层荷载的不同位置和建筑物楼层荷载的不同大小两种工况对地表的水平位移、竖向位移和隧道周围特征点的水平位移和竖向位移以及隧道管片结构的轴力和弯矩的影响。

2 数值分析

2.1 工程概况

某地铁区间盾构隧道，衬砌外径6000 mm，内径5400mm，管片宽度1500mm，厚度300 mm，每环6片错缝拼装。衬砌环采用通用环的组合形式。隧道所处地层由地表至下依次为素填土、粉质黏土、砾质黏性土、砂质黏性土、全风化岩、强风化岩、中风化岩、微风化岩。其间没有明显的不良地质现象。

2.2 数值计算模型

采用二维平面应变模型，计算盾构隧道开挖后的围岩及管片力学分布规律。土体采用平面应变单元，摩尔库伦理想弹塑性本构模型;管片采用梁单元，线弹性模型。模型尺寸90×42m(X×Y)，计算模型如图1所示。

图1 数值计算模型

2.3 地层参数

模型土层由地表至下依次为杂填土、粉质黏土、含碎石粘土、粉质粘土和基岩层，围岩和支护结构物理力学参数如表1所示，盾构管片为C50钢筋混凝土预制件，考虑到施工过程中错缝搭接强度损失，盾构管片强度折减0.25［5～6］。

表1 围岩和支护结构物理力学参数

2.4 边界条件

(1)位移边界:模型左右边界固定水平位移，底部边界固定竖向位移和水平位移，上部边界为地表自由面［7］。

(2)载荷边界:取每层房屋单位面积的总荷载为10 kN/m，作用区域18m，楼层的高度考虑为8层楼。则作用在每平方米房基上的荷载为80kN/m。

(3)应力释放系数:在隧道开挖时定义应力释放系数，根据工程经验，开挖时应力释放0.4，支护完成后释放0.6。

2.5 模拟工况

(1)不同载荷作用位置工况。为了分析载荷作用于地表不同位置对盾构隧道的影响，以左右隧道中心连线的中垂线(以下均简称“中心线”)为起始零点，建筑物宽度为18m，定义建筑物中心与中心线的距离为“载荷偏移距离”，用字母P表示，以P=0作为为工况1，然后将建筑物依次向右移动3m，依次命名为工况2、工况3、……、工况10(此时载荷左边界与右隧道右端水平距离9m)。

(2)不同载荷作用力工况。为了分析载荷作用于地表不同位置对盾构隧道的影响，以工况5(载荷中心距离对称轴12m)作用位置为基准，调整载荷大小，依次设置20kN/m、40kN/m、60kN/m、80kN/m、100kN/m，并依次命名为工况Ⅰ、工况Ⅱ、工况Ⅲ(同工况5)、工况Ⅳ、工况Ⅴ。

(3)隧道周围特征点。为了更细致比较隧道围岩的具体变形规律，设置特征点进行数据统计分析。

3 建筑物载荷位置对地表及隧道的影响

3.1 对地表位移的影响

3.1.1 水平位移。从图2可以看出:(1)在无荷载作用时，地表水平位移最大绝对值约为7.85mm，而在60kPa建筑荷载作用下，地表水平位移最大绝对值约为13.15mm，表面建筑物载荷显著增大了地表水平位移。(2)随着载荷偏移距离的增加，地表左右侧的水平位移不再对称分布，表明当载荷偏向一侧隧道时，该侧地表水平位移将增大，而另一侧将有所减小。(3)随着载荷偏移距离继续增加，至远离隧道开挖范围一定距离时，地表左右侧的水平位移又逐渐趋于对称分布，表明当建筑载荷偏离距离增加到一定程度时，其对地表的水平位移影响很小。

图2 10种工况下的水平位移曲线图

3.1.2 竖向位移。从图3可以看出:(1)在无荷载作用是，地表最大沉降为20mm，在中心线处，最小沉降为0.45mm，而在60kPa建筑荷载作用下，最大沉降为44mm，左右两侧出现地面隆起约0.91mm。(2)随着载荷偏移距离的增加，最大沉降点发生位置随之向右侧偏移，且最大沉降量逐渐减小，如工况5条件下，最大沉降约为30.69mm，发生在右隧道拱顶上方对应地表点;表明当载荷偏向一侧隧道时，地表最大沉降点也会随之偏移，且最大沉降量会随之减小，同时在两侧远中心线处的地表会出现轻微隆起现象。

图3 各工况下的竖向位移曲线图

3.2 对隧道周围特征点位移的影响

3.2.1 水平位移。水平位移主要集中在隧道两腰上，主要位移趋势是向隧道内收缩。载荷作用下的右隧道水平位移较大，且两腰对称分布，而远离载荷作用的左隧道水平位移值相对较小，且左腰小于右腰。从图4可以看出:(1)左隧道左拱腰水平位移随着建筑载荷偏移距离的增加而逐渐减小，最终趋于定值;右隧道左拱腰水平位移则随建筑载荷偏移距离的增加先保持一段平稳，而后逐渐减小后趋于定值，其位移整体要比左隧道拱顶大。(2)左隧道右拱腰水平位移随着建筑载荷偏移距离的增加而逐渐增大，而后趋于定值;右隧道右拱腰水平位移随着建筑载荷偏移距离的增加先减小后增大，最终趋于定值。P=21以内，左隧道拱底水平位移均大于右隧道;而P=21以外二者水平位移基本一致。

图4 各工况下隧道特征点水平位移曲线

4.2.2 竖向位移。从图5可以看出:(1)左、右隧道拱顶位移均为负值，表现为拱顶下沉。左隧道拱顶竖向位移随着建筑荷载偏移距离的增加而逐渐增大，在P=15m以后趋于定值;右隧道拱顶竖向位移随着建筑荷载偏移距离的增加先减小后增大，最终趋于定值。(2)左、右隧道拱底位移均为正值，表现为拱底隆起。左右隧道拱底的位移随着建筑载荷偏移距离的增加而基本保持平稳，右隧道位移要大于左隧道的。(3)左隧道左拱腰和右拱腰的竖向位移均为负值，在P=0时，左拱腰最大位移为-8mm，右拱腰最大位移为-15mm;随建筑载荷偏移距离的增加逐渐增大，最终趋于零。

图5 各工况下隧道特征点竖向位移曲线

5 建筑物载荷大小对地表及隧道的影响

5.1 对地表位移的影响

5.1.1 水平位移。从图6可以看出:(1)隧道开挖后地表的水平位移呈正弦曲线分布，左侧部分为正向位移，右侧部分为负向位移，均向中心线靠拢，且在各隧道上方偏移中心线一段距离处出现极值。(2)随着建筑物载荷的增加，左侧部分的地表水平位移减小，且极值点向右偏移;右侧部分的地表水平位移增大，且极值点也向右偏移。且当载荷较大(大于80kPa)时，右侧地表水平位移出现极值后迅速增大，而后出现部分正向位移，且随着载荷的增大而增大，如载荷由80kPa增加到100kPa时，右侧反转的正向位移由约1mm增加到3.7mm。

图6 各工况下的水平位移曲线图

5.1.2 竖向位移。从图7可以看出:地表竖向位移随着建筑载荷的增大而增大，沉降极值点也逐渐向右侧偏移，而右侧P=20后的地表位移基本保持不变，故导致沉降槽曲线随着载荷的增大逐渐不对称。

图7 各工况下的竖向位移曲线图

5.2 对隧道周围特征点位移的影响

5.2.1 水平位移。水平位移主要集中在隧道两腰上，主要位移趋势是向隧道内收缩。载荷作用下的右隧道水平位移较大，且两腰对称分布，而远离载荷作用的左隧道水平位移值相对较小，且左腰小于右腰。从图8可以看出:(1)左隧道的拱顶、拱底和右拱腰均随着建筑载荷的增加而增大，且大致呈线性变化，三者斜率也基本一致;而左拱腰则随着建筑载荷的增加而减小;也呈线性变形，斜率与右拱腰一致。(2)右隧道拱顶水平位移随着建筑载荷的增加而增大，由0增加到约30mm，为负向位移;拱底水平位移基本保持不变;左拱腰的水平位移随着建筑载荷的增加而增大，由50mm增加到70mm，且为正向位移;右拱腰的水平位移随着建筑载荷的增加而增大，由38mm增加到120mm，且为负向位移。

图8 各工况下左隧道特征点水平位移曲线

5.2.2 竖向位移。竖向位移主要以拱顶下沉和拱底隆起为主要特征，两帮也表现为一定程度的下沉，但相对较小。从图9可以看出:(1)左隧道的拱顶、拱底和左右拱腰的竖向位移随着建筑载荷的增加基本保持不变，拱顶和左右拱腰为增大，拱底为减小。(2)右隧道拱顶、拱底和左右拱腰的竖向位移均随着建筑载荷的增加而增加，其中拱底为正向位移，其余均为负向位移。其中拱顶增幅最大，左右拱腰增幅次之，拱底增幅最小。

图9 各工况下左隧道特征点水平位移曲线

6 结论

基于建筑载荷在隧道上方作用的不同位置和不同大小工况，分析了地铁隧道盾构开挖以后的地表、管片拱顶、管片拱底和左、右拱腰的位移和变形分布规律以及各指标随着隧道开挖施工步的变化规律，得出以下结论:

(1)随着建筑载荷的偏移距离的增加，远离建筑物一侧的地表水平位移逐渐减小，而靠近建筑一侧的地表水平位移先增大后减小，当建筑载荷偏移隧道P=21m(约两倍隧道直径)以上时，地表水平位移趋于无荷载时的分布情况。

(2)随着建筑载荷大小的增加，地表水平位移逐渐增大，但当载荷偏向隧道一侧时，远离建筑物一侧的地表水平位移随载荷增大而减小，靠近建筑物一侧的地表水平位移随建筑载荷的增大而增大，且当建筑物载荷增到80kPa以上，在P=21m处水平位移出现反向。

(3)随着建筑载荷的偏移距离的增加，地表最大沉降值逐渐减小，且最大沉降点先向载荷偏移方向移动，而后当建筑载荷偏移大于P=12m时，最大沉降点背离载荷偏移方向移动。

(4)随着建筑载荷大小的增加，地表最大沉降值逐渐增大，且最大沉降点向载荷偏移方向移动，在建筑载荷偏移P=21m以上时，地表沉降点迅速减小，各载荷大小情况下相差不大。

［1］葛卫娜，梁青槐.隧道开挖对周围建筑物造成的损害及治理措施［J］.华北科技学院学报，2005，2(3):84～86.

［2］Peek R B.Deep exeavations and tunneling in soft ground［A］.Proceeding of 7th Intemational Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering［C］.MexicoCity:State of the Art Report，1969，225 ～290.

［3］Sagaseta C.Analysis of undrained soil deformation due to ground loss［J］.Geoteehnique，1987，37(3):301 ～320.

［4］Verruijt A，Booker J R.Surface settlements due to deformation of a tunnel in an elastic half plane［J］.Geoteehnique，1996，46(4):753～756.

［5］姜忻良，赵志民.盾构施工引起土体位移的空间计算方法［J］.华中科技大学学报(城市科学版)，2005，22(2):1 ～4，12.

［6］张海波，殷宗泽，朱俊高.盾构法隧道施工的精细模拟［J］.岩土力学，2004，25(增):280 ～284.

［7］施成华，彭立敏，刘宝深.浅埋隧道开挖对地表建筑物的影响［J］.岩石力学与工程学报，2004，23(19):3310～3316.