盾构隧道施工引起的临近地表建筑物沉降研究

代君贾强

(1.山东建筑大学土木工程学院，山东济南250101；2.建筑结构加固改造与地下空间工程教育部重点实验室，山东济南250101)

0 引言

21世纪以来，我国的地铁建设已经进入了快速发展时期。盾构法因其地层适应性强、速度快、安全性高等优点[1]，逐步成为城市地铁工程建设中的主要形式。然而，隧道的盾构开挖[2]过程及后期固结沉降导致地表不同程度的沉降变形，引起其上及邻近建筑物开裂、倾斜或坍塌[3]。因此，合理地分析预测盾构施工对邻近建筑物沉降的影响，划定隧道明显影响区域，加强对区域内建筑物的监测和采取必要措施，对保护建筑物具有重要意义[4]。

目前关于盾构施工对临近建筑物沉降影响的研究方法主要有随机介质法、解析法和数值分析法[5]。其中，数值分析法可以充分考虑地层的复杂多样性，并且能够模拟盾构隧道施工步骤，因此国内外专家学者广泛研究应用。Jenck等[6]运用FLAC3D软件，充分考虑地层损失，分析了建筑物刚度对地表沉降的影响，显示建筑物存在区域地面沉降有明显变化，有必要对此区域采取加固措施。Tang等[7]采用三维数值分析法，研究了不同隧道开挖长度对横向与纵向地表沉降的影响，分析得出在开挖面后方约20 m处纵向地表沉降达到稳定状态。魏新江等[8]采用数值分析法，模拟临近不同位置处建筑物各种工况下的盾构开挖表明，隧道轴线与建筑物中心线的水平距离与隧道外径的比值为0.5～2时，产生较大的地面沉降。彭畅等[9]运用ABAQUS对双线盾构施工产生的邻近框架结构沉降进行了模拟，发现建筑物附近的地表沉降随着建筑物层数的增加而增大，并且随着隧道的开挖，建筑物由于基础沉降不均匀可能在其垂直面和水平面内产生扭转变形。魏纲等[10]采用MIDAS-GTS软件，研究了建筑物不同层数及隧道不同水平距离情况下隧道施工引起的建筑物附加沉降的情况，发现在盾构机穿越建筑物的过程中，地表沉降逐渐增大后趋向稳定，并且沿隧道前进方向建筑物产生短期的不均匀沉降。上述文献研究了盾构施工引起既有建筑物地基沉降的普遍性规律，但岩土问题地域性很强，济南市市区泉脉分布众多，而地铁的建设需求就是要缓解市区的交通压力。因此，出于保泉护泉的要求，针对济南地区地铁隧道工程区地质条件，通过数值分析确定地铁盾构施工产生的沉降影响范围，对既有建筑的保护具有重要意义。

目前，济南市所规划的多条地铁线路正在建设。M3线沿线大部分分布在经十路附近，出于保泉护泉的需要，地铁设计的埋置深度较浅；而R2线沿线已经越过了泉脉影响范围，所以埋置深度相对较大，2条线路在济南市众多地铁线路中具备典型性。文章依托济南市轨道交通R2线及M3线沿线地质盾构穿越某既有框架结构的工程背景，考虑盾构施工中的重要参数对地表沉降的影响进行了ANSYS数值分析，得到了具有适用性的沉降影响范围，为地铁施工期间临近建筑物的监测和保护提供依据。

1 工程概况

济南市轨道交通R2线贯穿济南西部和东部主城区，连接了西部新城核心区、老城区、高新区、唐冶新城，是缓解东西向交通压力的交通骨干线路。M3线连接经十路沿线商业区、济南奥体副中心、唐冶等片区，是济南市轨道交通第二轮建设规划的重要线路。

R2线及M3线的地铁隧道为双线并行的分离式隧道，分左、右线2孔。2线均采用盾构法施工，刀盘直径为6.81 m、盾构机长为8 m、衬砌每环宽为1.5 m、厚为0.35 m。选取该区域内常见的6层钢筋混凝土框架结构作为数值分析的对象。该建筑物地上6层，层高为3 m、柱距为8 m。A轴柱为最靠近隧道的一跨柱，称为近隧端柱；C轴柱为最远离隧道的一跨柱，称为远隧端柱。柱下独立基础，基底尺寸为2 m×2 m，埋深为2 m。建筑物中心线距2隧道中心线0 m处的平面位置如图1所示。

图1 框架建筑物平面及盾构隧道示意图/mm

2 有限元模型建立

2.1 基本假定

(1)假设计算范围内的土层为均质水平层[11]，且土体为各向同性连续的弹塑性材料。

(2)不考虑地下水渗透效应和时间的影响。

(3)框架与基础，基础与土体交界面符合变形协调原理[12]。

2.2 模型的建立

采用ANSYS软件建立有限元模型。虽然在实际工程中，隧道对地面建筑物的影响十分复杂，但是考虑到建筑物纵向与隧道的走向基本一致，并且其纵向延伸长度远远大于横向，可以将其简化为平面应变问题，因此采用二维有限元模型进行模拟。为了更好地消除边界效应对模型的影响，根据Peck公式[13-14]估算单孔沉降槽宽度约为48 m，故整个横断面模型在水平、竖直方向分别取120、50 m。土体的本构模型[15]采用D-P模型。二维模型的左、右边界设置水平固定约束，限制其水平位移；底部边界设置竖向固定约束[16]，限制其竖向位移；上部边界为地表，设为自由面。选取R2线西二环沿线某典型地质以及M3线沿线奥体西站某典型地质作为分析对象，其相应的土工参数见表1、2。

表1 R2线所选典型地质土工参数表

表2 M3线所选典型地质土工参数表

采用平面实体单元Plane42模拟土体和建筑物基础，采用梁单元Beam3模拟衬砌管片和建筑物。框架建筑物梁板柱的弹性模量为30 GPa，泊松比为0.2，密度为2 500 g/cm3。建模时楼、地面活荷载取2.0 kN/m2[17]，屋面活荷载取0.5 kN/m2。双线盾构隧道直径为6.4 m，衬砌按照线弹性材料加以考虑，材料为C30混凝土。整个二维模型的节点数为2 106，单元数为 2 055。其中，M3线隧道埋深为3.5 m、净距为5.6 m、建筑物中心线距2隧道中心线20 m处数值模型的横断面如图2所示。

R2线隧道埋深为24.5 m、隧道间净距为5.6 m、建筑物中心线距2隧道中心线为16 m的二维模型和M3线隧道埋深为3.5 m、净距为10.2 m、建筑物中心线与2隧道中心线重合时的二维模型的网格剖分图，如图3所示。

图2 M3线所选工况的模型横断面及边界约束图/mm

图3 R2线、M3线二维计算平面网格剖分图

模拟时采用ANSYS中的单元生死技术，包括(1)杀死衬砌单元；(2)再杀死开挖的土体单元，释放节点力；(3)激活衬砌单元，将剩余的节点力全部释放。

3 结果与分析

随着盾构机不断向前掘进挖土，盾尾部的钢筋混凝土管片逐渐组拼形成衬砌环。在此过程中，周围的土体会因为填充盾尾空隙形成涌向隧道的移动趋势，造成建筑物周围地面的沉降变形。为了充分研究地表沉降的具体影响范围，分别针对埋深较大的R2线和埋深较浅的M3线所选地质，设计了在大、小净距下改变建筑物中心线至2隧道中心线距离的每组12个工况，建筑物中心线至2隧道中心线的距离依次为 0、4、8、12、16、20、24、28、32、36、40、44 m。参照2条线路实际的埋深和隧道间净距，拟确定R2线埋深为24.5 m、M3线埋深为3.5 m；大净距为10.2 m、小净距为5.6 m。

经分析，得到开挖前后建筑物地表沉降值，其中R2线小净距下建筑物中心线距2隧道中心线为24 m时的沉降云图如图4所示。相邻柱距沉降值相减得到沉降差。

图4 R2线小净距下建筑物中心线距2隧道中心线为24 m时沉降云图

按照GB 50007—2011《建筑地基基础设计规范》[18]规定，框架结构相邻柱基沉降差的允许值在中低压缩性土和高压缩性土中分别为0.002l和0.003l，其中l表示相邻2个柱基中心的距离。由于该既有建筑物已经建成多年，土层压缩已经稳定，所以可以将其视为中低压缩土分析，取0.002l(l=8 m)，即16 mm作为此建筑物地基变形的允许值。由于此建筑物在横向(垂直于隧道开挖方向)分布3排立柱，所以分别取近隧端(A轴)和远隧端(C轴)相邻2柱基进行分析。

参照R2线一期确定的标准规范，双线隧道间净距小于一倍盾构外径时定义为小净距，反之定义为大净距。

3.1 R2线临近地表建筑物沉降分析

3.1.1 小净距下地表沉降规律

选取隧道埋深为24.5 m、净距为5.6 m作为典型工况，分析小净距情况下相邻柱基沉降差如图5所示。远、近隧端2侧相邻柱基间地表的沉降差变化趋势相同，均表现为先增大后减少的趋势。相比于远隧端，近隧端在小净距情况下的相邻柱基间沉降差比远隧端大，且在建筑物中心线距离2隧道中心线6～17 m范围内超过规范限值，此范围内的建筑物原则上应进行必要的安全性鉴定。远隧端因其距离隧道较远，加之R2线隧道埋置较深，对地表扰动较小，所以其相邻柱基间沉降差全部位于限值以下，整体偏安全。

图5 R2线小净距条件下相邻柱基间沉降差变化曲线图

3.1.2 大净距下地表沉降规律

选取R2线隧道埋深为24.5 m、净距为10.2 m作为典型工况，分析大净距情况下的地表沉降差，如图6所示。在大净距条件下，远、近隧端相邻柱基间地表的沉降差变化趋势与小净距条件相同。远隧端依旧全部位于规范限值以下，近隧端沉降差仍然比远隧端大。近隧端侧在建筑物中心线距离2隧道中心线10～23 m范围内超过限值。此影响范围相较于小净距条件下扩大了约6 m。

图6 R2线大净距条件下相邻柱基间沉降差变化曲线图

3.1.3 地表沉降影响范围经验公式

值得注意的是，虽然在上述R2线2种不同净距条件下，建筑物中心距离2隧道中心线0～6 m及0～10 m范围内的相邻柱基间沉降差并未超过限值，但是由于数值分析得出其区域范围内的地表沉降较大，因此也要将此范围区段纳入隧道施工的主要影响范围。在数值模拟得到的大、小净距地表沉降影响范围的基础上，结合北京市和广州市等既有城市地铁盾构隧道周边影响分区，提出了济南市地铁R2线盾构法开挖过程扰动影响范围的经验公式及极限值，由式(1)表示为

式中:L1为R2线地表沉降影响范围上限值，m；H为隧道埋置深度，m；S为隧道间净距，m；D为盾构隧道外径，m。

为了验证经验公式的准确性，将R2线盾构隧道施工参数代入公式，与数值分析结果进行对比，见表3，其中H为 24.5 m、D为 6.4 m、小净距S为5.6 m、大净距S为10.2 m。由表3可知，数值模拟的影响范围上限值与带入经验公式所得到的计算值基本吻合。主要影响范围的分布如图7所示。

表3 R2线的影响范围上限对比验证表

图7 R2线主要影响范围分布图

3.2 M3线临近地表建筑物沉降分析

3.2.1 小净距下地表沉降规律

M3线选取埋深为3.5 m、净距为5.6 m作为典型工况，分析浅埋小净距情况下的地表沉降规律如图8所示。近隧端在8～20 m范围内，建筑物相邻柱基间沉降差超过规范限值；远隧端全部位于限值以下且变化幅度不大。相比于隧道埋深较大的R2线小净距条件，可以看出在净距一定时，M3线的相邻柱基间地表沉降差略小，出现这种结果的原因是因为M3线沿线主要穿越黄土、黏土、强风化石灰岩等，其土质的整体的弹性模量比R2线偏高，土质良好，不易发生变形所致。由此可见，沿线地质也是影响地表沉降的重要因素。

图8 M3线小净距条件下相邻柱基间沉降差变化曲线图

3.2.2 大净距下地表沉降规律

选取埋深为3.5 m、净距为10.2 m作为典型工况来分析浅埋大净距情况下的地表沉降规律如图9所示。在浅埋大净距条件下，远、近隧端相邻柱基间沉降差随着2隧道中心线至建筑物中心线水平距离的变化趋势与浅埋小净距条件相同。远隧端全部位于限值以下，近隧端侧在12～23 m范围内超过规范限值，比浅埋小净距下的影响范围扩大了约3 m。其相邻柱基间沉降差比隧道埋深较大的R2线大净距条件下相邻柱基间沉降差略小，说明沿线地质对地表沉降具有重要影响。

图9 M3线大净距条件下相邻柱基间沉降差变化曲线图

3.2.3 地表沉降影响范围经验公式

由数值分析得出，2种不同净距条件下，M3线建筑物中心距2隧道中心线0～8 m及0～12 m范围内的地表沉降较大，因此也要将此范围区段纳入重点关注区域，且浅埋下大净距条件下的地表沉降影响范围更广，小净距条件下相邻柱基间地表沉降差更大。在M3线隧道埋深较浅的情况下，无论是大、小净距，都比隧道埋置较深的R2线相邻柱基间沉降差要略小。结合既有城市的地铁盾构隧道周边影响分区，提出了济南市地铁M3线盾构法开挖过程扰动影响范围的经验公式及极限值，由式(2)表示为

式中:L2为M3线地表沉降影响范围上限值，m。

为了验证M3线经验公式的准确性，将M3线盾构隧道施工参数代入式(2)，与数值分析结果进行对比，见表4，其中H为3.5 m、D为6.4 m、小净距S为5.6 m、大净距S为10.2 m。由表4可知，数值模拟的影响范围上限值与带入经验公式所得到的计算值偏差不大。主要影响范围的分布如图10所示。

表4 M3线的影响范围上限对比验证表

图10 M3线的主要影响范围分布图

4 结论

文章通过选取济南市典型地铁线路，分析了R2线和M3线沿线地质盾构施工过程中的净距以及2隧道中心线至建筑物中心线的水平距离等参数对地表沉降范围的影响，主要得到以下结论:

(1)2种不同埋深条件下，建筑物远、近隧端2侧相邻柱基间地表的沉降差均随着2隧道中心线与建筑物中心线水平距离的增大呈现出先增大后减小趋势。远隧端相邻柱基间沉降差全部位于限值以下，而近隧端侧沉降差较远隧端侧更为明显，从而能更好地作为确定地表沉降影响范围的依据。

(2)当隧道埋深一定时，大净距与小净距条件下分别对应的地表沉降影响范围和相邻柱基间地表沉降差显著。相比于R2线条件，可以看出在净距一定时，M3线条件下的相邻柱基间地表沉降差偏小。由此可见，地质也是影响地表沉降的重要因素。

(3)基于济南市地铁盾构隧道的施工参数及既有城市地铁盾构隧道的影响分区范围提出的R2线、M3线的盾构法的经验公式计算出的开挖过程扰动影响范围与数值模拟得出的影响范围值基本吻合。