盾构下穿高层结构相互影响及方案优化研究

郭亮

摘 要：针对成都地铁盾构隧道下穿高层建筑的实际工程案例，通过三维数值模拟结果及现场实测数据对比分析表明，高层建筑物及盾构隧道应力与变形均在规范允许范围内。模拟盾构隧道与高层建筑 6 种不同竖向净距下穿的工况，结果表明：随着隧道与筏板基础距离减小，高层建筑沉降及倾斜呈现先增大后减小的趋势，且均远小于规范允许值。同时提取数值模拟得到的管片内力及变形数据，与荷载-结构法计算的管片内力及变形数据进行对比分析，表明随着隧道与筏板基础距离减小，盾构隧道弯矩、计算裂缝宽度及隧道变形呈先增大后略微减小的趋势，且均满足规范要求，管片结构安全。

关键词：地铁;盾构隧道;数值计算;高层建筑;管片内力及变形

中图分类号：U231+.3

1 研究背景

随着中心城区地铁线网加密，区间隧道下穿高层建筑物的情况不可避免。盾构下穿高层建筑风险主要在于 2 方面：①盾构掘进开挖土体造成建筑物地基松散，引起高层建筑沉降及整体倾斜过大，影响建筑物正常使用，甚至危及楼房安全;②高层建筑物施加在地基上的超载较大，将显著增加地基中的附加应力，超载引起的附加应力传递至盾构管片上将增加管片的内力，若超载过大，可能导致管片开裂，影响隧道长期运营安全。已有文献多从隧道侧穿高层建筑或下穿多层建筑施工过程中对建筑物基础及上部结构的影响角度开展相关研究[1-5]，对于盾构隧道下穿对结构高度100 m左右的高层建筑的影响及高层建筑超载对盾构隧道影响的相关探索较少。文章针对成都地铁盾构隧道穿越高层建筑物筏板基础的情况，采用数值模拟及现场实测对比分析的方法，研究盾构下穿时高层建筑的变形、盾构管片的内力及变形情况。模拟盾构隧道在不同埋深位置下穿高层建筑的多种计算工况，探索高层建筑变形、地铁盾构隧道结构的承载力及变形等方面的规律，以期对类似地层中盾构隧道穿越高层的可行性、穿越位置及埋深提供参考和借鉴。

2 工程概况及地质概况

2.1 工程概况

成都地铁大源—民乐区间左线隧道下穿、右线隧道侧穿某高层建筑，该高层建筑为地上20层地下2层钢筋混凝土框架结构，高度96.6 m，办公用途，筏板基础，筏板厚度2.5 m，基础底面埋深约8.7 m。盾构隧道外径6 m，内径5.4 m，隧道埋深约17.9 m，左线隧道与建筑物筏板基础底垂直距离约9.2 m，盾构隧道与高层建筑平面关系如图1所示。

2.2 地质概况

该场地范围地势较平坦，地貌单元为岷江水系二级阶地。场地范围内地层自上而下依次为第四系全新统人工填土（Q4ml）、第四系上更新统粉质黏土及砂卵石（Q3al+pl）、白垩系上统风化泥岩（K2g）。盾构隧道位于中风化泥岩地层中，建筑物筏板基础坐落于砂卵石层中。盾构隧道与建筑物及地层剖面关系如图2所示。盾构隧道下穿建筑物处地下水位埋深约10 m，属于孔隙潜水。

3 盾构下穿高层建筑结构受力及变形规律分析

3.1 模型建立

采用 MIDAS GTS程序对该工程进行数值模拟，本模型采用位移边界条件，其中底部为固定边界，限制模型水平和竖直方向的位移;模型周边限制水平方向的位移;模型上部取至地表，为自由边界。模拟区域沿隧道横向取109.7 m，沿隧道纵向取150 m，深度取至地面以下44.4 m。高层建筑基础为筏板基础，采用实体单元进行模拟，建模过程中对该基础赋予钢筋混凝土结构的物理力学参数。根据盾构施工对隧道周围土层影响大小的不同，对模型中各地层网格划分为疏密程度不同的结构单元。三维计算模型如图 3所示。

土体假定为弹塑性材料，选择修正摩尔-库伦模型作为土体本构模型。由于土体破坏大多以剪切破坏为主，修正摩尔-库伦屈服准则模型能够准确反映土体的破坏形式，而且简单实用，在工程实践中已得到广泛应用。管片、高层建筑基础及上部结构等构件均假定为弹性材料。

根据地质勘查报告及相关规范，数值模拟计算所需的材料物理力学参数如表1所示。三维数值分析中，涉及一些关键技术如下。

（1）地层、筏板基础及隧道采用实体单元模拟，盾构管片、地下室侧墙及建筑物框架采用结构单元模拟，其中盾构管片与地下室侧墙及上部结构板墙采用二维壳单元模拟，建筑物框架结构柱采用一维梁单元模拟。

（2）盾构法隧道施工中，在隧道开挖阶段与支护阶段分别定义应力释放系数，盾构隧道开挖前高层建筑物全部施做完成，并以此作为隧道开挖分析的初始阶段，根据相同地层的工程经验，应力释放系数取 0.3。

（3）土体开挖采用杀死单元格的方式进行模拟，土体开挖后进行应力释放，同时在掘削面施加顶进压力，根据现场情况，计算中采取盾构机推力为地层侧压力，取0.28 MPa。

（4）模型不考虑地下水的影响。

3.2 高层筏板基础变形计算与实测结果对比分析

现场在隧道穿越范围内的建筑物地下室内布置了6 个沉降监测点（S1～S6），测点布置示意如图4所示。

根据计算结果，表2列出了建筑物沉降监测点位移及整体倾斜值，并与现场实测结果进行对比。

根据GB 50007-2011《建筑地基基础设计规范》[6]，考虑建筑物建设及使用过程中已发生的变形及倾斜，建议高層建筑物整体倾斜控制值取1.5‰。图5、图6分别为建筑物沉降及整体倾斜历时曲线，下穿过程中最大沉降速率约为0.25 mm/天，可以看出盾构下穿高层建筑引起的基础沉降、沉降速率及整体倾斜均较小，满足规范要求。结合现场实测数据，可以看出数值模拟结果与现场实测数据基本吻合，数值模拟可以反映实际施工情况。

3.3 盾构管片受力及变形规律分析

盾构完成穿越后，隧道管片大主应力最大值及小主应力最小值沿隧道纵向变化曲线如图7所示，拱顶沉降及拱底隆起最大值沿隧道纵向变化曲线如图8所示。

参考文献

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收稿日期 2019-12-26

责任编辑 胡姬