盾构隧道旁穿既有建筑物的地表沉降数值分析

陈福星，刘纪峰

(三明学院建筑工程学院,福建三明365004)

盾构隧道旁穿既有建筑物的地表沉降数值分析

陈福星，刘纪峰

(三明学院建筑工程学院,福建三明365004)

为分析某区间盾构隧道施工对临近既有6层住宅楼地表沉降的影响，采用FLAC3D进行了三维数值模拟。计算结果表明：盾构隧道近距离旁穿既有6层住宅楼时，隧道轴线上方地表计算最大沉降值为5.9 mm，住宅楼基础的计算最大沉降值为3.2mm，基础最大计算差异沉降为2mm。在盾构机正常工作，并确保满足土压平衡、管片拼装正常与及时壁后注浆等措施的情形下，盾构施工该区间隧道能满足沉降控制标准的要求。

盾构隧道；旁穿既有建筑物；地表沉降；数值分析

为缓解日益凸显的交通拥挤问题，近年来国内各大城市争相开展地铁隧道建设工作，由于具有可全天候施工、地层适应能力强、对环境影响相对较小等突出优点，盾构法隧道施工越来越受到各地铁隧道建设单位的青睐。但由于所处的环境复杂，尤其是碰到盾构旁穿建筑物等情况时，盾构施工导致的地层变形尤其是地表沉降大小会直接影响到旁穿的建筑物的安全，因此常常需要对被旁穿建筑物的地表沉降进行预测以便采取针对性的预防措施。刘波等[1-2]利用数值模拟分析了管片负环拆除对环境的影响和北京地铁暗挖隧道的稳定性；李涛等[3]用数值模拟和工程实测方法对双线盾构顺序下穿铁路箱涵的地层沉降进行了研究；刘纪峰等[4-5]采用数值模拟分析了暗挖隧道旁穿对建筑物的影响；Zhang Chengping等[6]采用FLAC3D进行了地铁盾构隧道引起的地层变形和沉降数值模拟分析。上述研究取得了较好的效果，可为类似工程参考借鉴。某盾构隧道需穿近距离旁穿已经倾斜的既有建筑物，需要严格控制盾构隧道穿越时该区间的地表沉降，采用FLAC3D对该区间隧道施工对地表沉降的影响进行数值模拟分析。

1　工程概况

某区间隧道直径为6 m，埋深10.8 m，根据岩土工程勘察报告，该区间自上而下各土层分布和主要性质详见表1。该隧道区间在K12+ 15.0～K12+80段北侧为某公司职工6#住宅楼，住宅楼沿地铁线路走向方向布置，该住宅楼结构形式为6层砖混结构，6#楼住宅楼距隧道结构水平距离8 m（详见图1）；由于先期在该楼南侧近距离施工其它地下工程，已引起该建筑物向南产生了一定倾斜（结构顶部倾斜约3 cm）。盾构区间施工此段时需要控制差异变形，确保该建筑物的安全。

图1职工住宅楼基础与隧道位置关系示意图

2　FLAC3D模型概述

数值分析模型横截面示意图如图2所示。本模型建模基于如下考虑:隧道管片外径为D=6000 mm，管片结构顶部覆土厚度按照7.8 m选取。模型宽度包括楼房基础宽度在内，计算模型的宽度取为12D（模型宽度足以满足沉降影响范围要求），下边界以隧道之下3D为界，计算时采用弹塑性模型，土体破坏准则为摩尔-库仑准则。左右边界条件视为链杆支座，下边边界条件视为铰支座[7-8]。

图2 FLAC3D数值分析模型横剖面示意图

模拟方法：岩土体在自重和荷载作用下固结沉降，达到平衡，而后进行开挖，并计算一定的时步来分析盾构隧道开挖对建筑物的影响。因缺乏该楼原始设计资料，楼房作用于其基础（埋深按2m估算）的应力参考《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）估算，按100 kPa计算，按照区间隧道总平面图标注的尺寸范围（建筑物基础外围按长40 m，宽15 m估算），简化为矩形均布荷载。计算时此均布荷载由基础传递作用于地基上。对于地铁隧道的钢筋混凝土管片，采用实体弹性壳体单元模拟，衬砌材料参数选取如下：管片厚度0.3m，弹性模量30GPa，管片宽度1.2 m，泊松比0.2，注浆等效层弹性模量取4.5 MPa，泊松比0.3，土体应力释放度设置为0.5[9-10]。

由于隧道附近建筑基础沉降是关心的重点，因此邻近隧道处网格划分较密，该模型尺寸长为108 m，宽78 m，高为31.4 m，计算模型如图3所示。

图3盾构隧道对附近住宅楼影响的FLAC3D数值模型网格

3　模拟结果分析

盾构机掘进隧道时，可能引起建筑物的不均匀沉降。如果不均匀沉降差值较大，将造成建筑物的倾覆，带来极大的危害[10]。

由图4隧道开挖对附近住宅楼影响的模型竖向沉降等值线三维视图可知，模型边界处最大沉降发生在隧道衬砌（管片）顶部，最大沉降值12.22 mm，隧道轴线上方位置的计算地面沉降值在4～6mm范围。

隧道开挖引起住宅楼位置处地层竖向沉降横剖面等值线图与住宅楼位置处地层位移矢量如图5～6所示。图5～6表明：隧道衬砌（管片）顶部土体最大沉降为12.98 mm；隧道轴线上方地表最大沉降值为5.9 mm。住宅楼基础的最大计算沉降值为3.2 mm。图5表明在住宅楼基础位置，隧道开挖会引起不均匀沉降，虽然差异沉降不大，但仍需引起重视。

隧道开挖引起住宅楼基础处横剖面地表沉降曲线见图7，可见基础位置处地基土存在一定差异沉降；基础最大差异沉降计算值为2 mm。

图4隧道开挖对附近住宅楼影响的模型竖向沉降等值线三维视图

图5隧道开挖引起住宅楼位置处地层竖向沉降横剖面等值线图

图6隧道开挖引起住宅楼位置处地层位移矢量图

图7隧道开挖引起住宅楼基础处横剖面地表沉降曲线注：图中纵坐标为沉降值，横坐标表示水平距离

4　结论

为分析某区间隧道盾构法施工对地表沉降影响，采用国际上广泛应用于隧道工程计算的优秀数值分析软件FLAC3D进行了三维数值分析。计算表明：

（1）隧道在既有6层住宅楼附近穿过时，隧道轴线上方地表计算沉降最大值为5.9 mm；住宅楼基础的计算沉降最大值为3.2 mm，基础最大计算差异沉降为2 mm；

（2）因缺乏计算所需的6层住宅楼相关的设计资料，只能对基础结构参数及荷载作合理简化。数值计算表明：在盾构机正常工作，并确保满足土压平衡、管片拼装正常与及时壁后注浆等措施的情形下，盾构施工该区间隧道能满足沉降控制标准的要求。

［1］刘波，黄俐，金光玲．地铁盾构施工负环管片安全拆除条件及实例研究［J］．中国安全生产科学技术，2012（3）：38－75．

［2］刘波，曹波，刘芳，等．北京地铁暗挖隧道变形监测与稳定性数值分析［J］．地下空间与工程学报，2011，7（3）：518－525，540．

［3］李涛，刘波，朱连华，等．双线盾构顺序下穿铁路箱涵的实例研究［J］．太原理工大学学报，2013，44（3）：373－377．

［4］刘纪峰，张会芝．盾构隧道旁穿建筑物地层沉降的数值模拟分析［J］．建筑科学，2011，27（9）：31－36．

［5］刘纪峰，陈福星，张会芝．双线暗挖隧道沿线建筑物墙体开裂分析［J］．河南科技大学学报：自然科学版，2015（3）：59－64．

［6］ZHANG CHENGPING，LILIM IN，SONG HAORAN，et al．Numerical analysisofmetro tunneling－induced stratum deformation and settlement by using FLAC3D［C］//International Conference on Intelligent Computation Technology and Automation，2010：817－820．

［7］Itasca Consulting Group，Inc．FLAC3D（Fast lagrangian analysis of continua in 3Dimensions）User Manuals Version 2．1，Minneapolis，2002．

［8］康寅，孙付峰，程都，等．注浆加固技术在隧道下穿建筑物过程中的应用［J］．青岛理工大学学报，2013，34（2）：21－26．

［9］LIU BO，HAN Y．A FLAC3D－based subway tunneling－induced ground settlement prediction system developed in China［C］//Proceedings of the 4th FLAC International Symposium，2006．

［10］刘纪峰，崔秀琴，刘波．考虑水－土耦合的盾构隧道地表沉降试验研究［J］．中国铁道科学，2009，30（6）：38－45．

（责任编辑：朱联九）

Numerical Analysis of Ground Surface Settlem ent Induced by Shield Tunnel under Crossing on Existing Building

CHEN Fu-xing,LIU Ji-feng
(College of Civil Engineering and Architecture,Sanming University,Sanming 365004,China)

In order to analyze the influence of the shield tunnel excavation on the ground surface settlement of the existing 6-stories residential building,the three dimensional numerical simulation is carried out by FLAC3D.The calculation results show that:When shield tunnel under crossing on the 6-stories residential building,themaximum calculating ground surface settlementabove the tunnelaxis is 5.9mm.themaximum calculating settlementof the residentialbuilding foundation is 3.2mm,and themaximum calculating differential settlement is 2mm.The interval shield tunnel construction canmeet the settlementcontrol standard requirementswhen the shieldmachine and the soil pressure balance,segmenterection and ground timely groutingmeasures are allunder normalworking conditions.

shield tunnels;under crossing on existing building;ground surface settlement;numericalanalysis

U 456.3

A

1673-4343（2015）06-0093-04

10．14098／j．cn35－1288／z．2015．06．019

2015－08－08

国家级大学生创新创业训练计划项目（201311311007）；福建省科技计划重点项目（2012Y0062）

陈福星，男，福建莆田人，大学生。主要研究方向：土木工程。通讯作者：刘纪峰，男，河南沈丘人，副教授。主要研究方向：城市地下工程。