上软下硬复合地层中盾构下穿既有建筑物受力性能研究

董立波

（中国水利水电第一工程局，吉林长春 130033）

盾构法已成为修建隧道中一种重要的施工方法，具有安全性高、振动小和施工速度快等优点[1-2]。我国地铁多建设在沿海地区，然而这些地区土层具有典型的“上软下硬”特点。在该地层中盾构机掘进施工难度大，且容易使得上部软土地层发生塌陷，导致既有邻近建筑物产生不利影响[3-5]。因此，研究上软下硬复合地层中盾构掘进施工对既有建筑的影响具有重大意义。刘重庆[6]针对厦门地铁1号线上软下硬地层条件下盾构掘进施工引起的地表沉降进行了研究，结果表明，该地层地表沉降受硬层比的影响较为显著；吴全立[7]以深圳地铁上软下硬地层盾构下穿既有隧道为工程背景，采用网格分析法对盾构施工风险进行评估，划分出盾构施工中各层级的风险；陈庆章[8]以广州地铁12号线盾构下穿建筑群为例，介绍了复杂地层中盾构下穿既有建筑物的施工关键技术。本文利用MIDAS GTS有限元软件，分析盾构掘进施工中既有上部建筑物和盾构管片的变形规。

1 工程概况

深圳市宝安区区间线路呈南北走向，线路出福永站后，沿福州大道前行，由于线路周边环境主要为市政道路、居民生活区和工业厂房。因此，本区间段采用盾构法施工时，需下穿既有11号线福永站，下穿和侧穿同富社区和多栋工业厂房。下穿社区厂房5处，层高3～7层，桩体直径为0.4～0.5 m，根据以上分析，盾构在掘进施工时不可避免会对紧邻既有建筑物造成影响。为此，依据盾构掘进施工方案，分析盾构下穿既有上部建筑物的影响。

2 有限元分析模型

2.1 材料参数

模型中土层、盾构管片和邻近建筑物均采用三维实体单元，盾构壳采用二维板单元，建筑桩基采用一维梁单元。其中，土层采用修正的摩尔-库仑本构模型，建筑物和盾构管片均采用弹性本构模型。根据地勘资料显示，本工程所在土层自上而下分别为淤泥土、砂土和花岗岩，具有典型的“上软下硬”特点。

2.2 荷载的施加和边界

为更好地模拟盾构掘进过程，在掌字面施加600 kPa荷载用于模拟顶推力，在管片与土体开挖临空面上施加均布荷载300 kPa，用于模拟注浆时所产生的灌浆压力。

盾构掘进示意图如图1所示。

图1 盾构掘进示意图

边界条件：（1）左右边界约束X向的平动位移；（2）模型前后边界约束法向的平动位移（因前后边界并非垂直于某一轴，故边界定义时，遵循法向设置原则，在软件中通过调整节点坐标系后，施加对应法向约束）；（3）模型底部边界约束X、Y、Z向的平动位移；（4）模型顶部面为地表面，不施加任何约束。

2.3 施工工况模拟

计算工况汇总如表1所示。

表1 计算工况汇总

计算模型采用全映射网格划分，最终划分的网格节点45 736个，单元个数42 853个，本次分析共41个工况，含2个盾构掘进施工前工况及39个盾构施工过程工况。盾构隧道初始掘进面设为0。此次分析主要在于评价新建盾构隧道开挖对既有建筑结构的影响，考虑的是盾构隧道施工引起的增量位移，故对既有建筑结构施工引起的位移和初始应力场引起的位移进行清零[9]。既有建筑与盾构空间关系如图2所示。

图2 既有建筑与盾构空间关系图

3 计算结果分析

3.1 拱顶沉降分析

盾构掘进过程中拱顶沉降模拟结果曲线如图3所示。

图3 拱顶沉降曲线

由图3可知，现场实际监测拱顶最大沉降为17.1 mm，有限元模拟得出拱顶最大沉降为17.5 mm，表明本文建模方法正确。在盾构掘进施工时，由于隧道处土体被挖空，有明显的卸荷作用。因此土体先产生较大沉降，盾构管片安装不断推进，土体沉降趋于平稳。

3.2 地表沉降分析

盾构掘进施工中不同断面地表沉降如图4所示。

图4 不同断面地表沉降曲线

由图可知，现场实际监测地表最大沉降7.9 mm，有限元模拟得出地表最大沉降为9.1 mm，基本与实际相符合。在无建筑物断面位置，地表沉降曲线基本呈现出正态曲线分布，当有建筑物分布时，由于结构几何尺寸大、整体刚度大，故结构分布区间基本呈线性分布，随后极速减小。

3.3 盾构管片分析

盾构施工全过程管片结构最大主应力云图如图5所示。

图5 盾构掘进S28管片结构最大主应力云图

盾构机向前掘进过程中，管片结构最大主应力的数值和分布区域逐步向前推进。管片最大主应力均为压应力，远小于C30混凝土抗拉强度强度1.57 MPa，说明管片结构安全。

4 结语

（1）掘进模拟过程的地层最大竖向地层位移17.5 mm，位于隧道拱顶位置处。在盾构掘进施工时，由于隧道处土体被挖空，有明显的卸荷作用。土体先产生较大的沉降，盾构管片的安装不断推进，土体沉降趋于平稳。（2）地表最大沉降9.1 mm，在无建筑物断面位置，地表沉降曲线基本呈现正态曲线分布，有建筑物分布时，结构几何尺寸大、整体刚度大，结构分布区间基本呈线性分布，随后极速减小。（3）盾构机掘进过程中，管片结构最大应力逐渐向前推进，管片最大压应力远小于C30混凝土抗拉强度，管片结构安全。