盾构隧道施工对周边建筑物影响数值计算分析

吴强 傅了一

【摘要】本文对深厚软土地基地铁盾构隧道施工引起地面沉降及邻近建筑物的变形规律开展了三维有限元模拟研究，通过对不同加固工况的对比研究，分析不同加固措施对盾构施工引起变形的控制效果。结果表明，在不采取加固措施的条件下盾构隧道施工将引起地面的较大沉降变形，同时会是邻近建筑物的沉降超过规范允许值。通过洞内加固的措施可以较好地控制地基变形及建筑物的沉降，且具有较好的经济性。

【关键词】盾构隧道施工

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.27.

1、引言

盾构施工过程中，原来处于稳定状态的地层中，开挖隧道将导致地层周围土体原始应力状态发生改变，使周围土体出现卸载、加载等复杂的力学行为，土体的极限平衡状态受到破坏，从而对土体产生扰动，引起地层变形。

已有的研究结果表明，盾构法隧道施工时地层移动的规律有明显的三维空间特征，这类三维空间变形有其形成过程。以隧道轴线上方地表点的时程变形曲线为例，由图1可将地层移动的行程过程概括为四个阶段：前期变形、盾构通过时的变形、盾构脱离后的变形和后续阶段的变形，任意点的总变形量为四个阶段发生的变形量之和。因此，有必要建立三维模型来分析盾构隧道开挖对建筑物的影响。

拟建杭绍城际铁路香衙区间风井至衙前站区间隧道需近距离侧穿众多地面建筑物，盾构邻近施工将对周边建筑物产生的影响。若控制措施不当，将使建筑产生过大的不均匀沉降，从而对建筑结构安全产生威胁。根据设计成果，以盾构隧道施工对某住宅楼的影响为例进行计算分析，对盾构施工过程中的加固及沉降变形控制措施进行分析研究，为实际施工提供参考。该住宅楼主要以5层砖混结构，根据现场调查推测基础主要采用沉管灌注桩，图2是该幢住宅楼与盾构隧道之间的横断面的相互位置关系。本次计算分析采用大型岩土有限元分析软件FLAC3D对双线盾构隧道小净距侧建筑物进行仿真分析，同时对盾构隧道内、外加固措施进行了模拟。

2、有限元模型

2.1 模型概况

根据盾构隧道与建筑之间的关系以及施工加固措施建立三维分析模型，共67366个单元，如图3所示，Y方向为隧道轴线方向，Z轴为深度方向，X轴为宽度方向。模型X方向长120 m，Y方向宽100 m，Z方向深40 m。为了提高计算速度，沿横向距离隧道轴线方向越远网格越稀疏，同样沿竖向距离隧道底部越远网格越稀疏。土体各侧面分别设垂直于该侧面的水平约束，底面设竖向约束，上表面自由。隧道土层至上而下分别是杂填土、粘质粉土、淤泥质粘土、淤泥质粉质粘土、粉质粘土、粉质粘土夹粉土和全风化凝灰岩，采用Mohr-Coulomb理想弹塑性模型进行模拟。

2.2 计算工况

为了综合分析不同加固措施下盾构施工对临近建筑物的影响，本报告对三种不同工况进行了数值模拟分析，分别是：

（1）盾构正常施工，不采取加固措施;

（2）施工前采取洞内加固措施，通过预注浆在隧道周边形成一圈3m的加固圈;

（3）施工前采取洞外加固措施，通过在建筑物進行袖阀管预加固。

2.3 计算结果分析

不同工况下盾构隧道掘进过程中地面的沉降变形规律如下图所示，从图中可以看到，随着盾构隧道的不断掘进，地基竖向和水平向的变形逐渐累积增加。不同工况之间的对比结果表明，随着加固措施的增加，对盾构施工引起的沉降变形的控制效果也更好。不同工况下周边建筑的最新沉降量和最大差异沉降如表1所示。从图中可以看到在不采取加固措施条件下盾构隧道掘进过程中会使建筑物产生超过规范允许的沉降变形。

结论：

本文通过三维有限元模拟不同工况下盾构隧道施工对周边建筑的影响规律，研究结果表明，工况二和工况三的加固措施均能满足建筑物变形控制要求，考虑实际施工的可行性和减小地表扰动的需要，使用洞内加固措施来对该建筑物进行保护，并在施工过程中应及时对房屋进行监测、检测，防止事故的发生，以满足工程建设经济性和安全性的要求。

参考文献：

[1]任益飞.盾构隧道二次深孔注浆技术对周边建筑物保护的研究与应用[J].西部探矿工程，2015.

[2]姜忻良， 崔奕， 赵保建.盾构隧道施工对邻近建筑物的影响[J].天津大学学报，2008，41（6）：725-730.