盾构地铁下穿房屋段隧道三维有限元分析

余奕辰, 李晨阳, 杨 涛

(1. 眉山市东坡区住房和城乡建设局, 四川眉山 620000; 2. 成都轨道交通集团成都地铁运营有限公司, 四川成都 610000; 3. 重庆交通大学土木工程学院, 重庆 400000)

1 工程概况

某盾构地铁是某市地铁建设中的线路之一，大致呈东西走向。区间线路分左右线，下穿房屋段如图1所示，隧道埋深为10.5～18 m如图2所示，隧道位于地下水位线以下，主要从砾砂、粉质黏土及全风化-微风化花岗岩带穿过，局部穿越软土地层、砂层以及软硬不均的特殊地层；上部建筑主要为3～15层既有建筑。由类似工程经验，下穿既有建筑隧道施工引起的地表沉降会对上部既有建筑造成损害，并且图1中15层建筑与8层建筑位于最小埋深段，结构对施工引起的地表沉降更为敏感。为保证隧道施工正常进行，必须采取相应的地表沉降控制措施。

图1 房屋与隧道平面

图2 地质剖面(单位:m)

为了控制地表沉降，本文采用线间注浆加固，即对开挖隧道外1 m范围进行注浆加固。

2 模型建立

区间隧道最小线间距为20 m，TB 10003-2016由于《铁路隧道设计规范》规定开挖隧道影响范围为2D～5D(D为开挖直径，本文盾构直径为6 m)，取计算模型大小为48 m×75 m×50 m，地层采用摩尔-库伦本构模型。建模中地层和结构的物理力学参数如表1所示。

表1 地层与结构物理力学参数

下穿既有建筑隧道开挖造成隧道-房屋基础-结构三者之间相互作用，要获得可靠结果必须采用与结构传力形式相近的模型。为此，对数值模型分析进行说明：

(1) 既有建筑物楼板采用2D板单元；柱采用1D梁单元，并将柱和板的容重设为0，通过对桩顶施加集中力以模拟上部结构对地基的传力。为保证上部结构整体刚度不变，其弹性模量与截面特性与实际相同。

(2) 盾构外壳、管片均采用2D板单元，由于管片位于开挖土体外，盾构外壳位于注浆层外，故用析取命令生成。

(3) 对模型底部施加竖向约束与水平约束，左右两侧施加水平约束。

(4) 在施工处置中，注浆加固通过改变加固区域的弹性模量，从而改变地层应力释放路径并减少隧道开挖对周围地层扰动，最终减少地表沉降。

为了保证计算模型网格共用节点耦合与网格见疏密良好过渡，采用网格生成顺序：生成桩柱网格—生成开挖隧道、注浆层、线间加固区网格—生成加固筏板网格—生成隧道穿越地层网格—生成加固筏板地层—生成剩余地层网格。最终共生成152 979个单元，26 359个节点。具体模型如图3和图4所示。

图3 数值模拟模型

图4 隧道与上部建筑空间关系

3 结果分析

考虑2种工况：①不采取加固措施直接施工工况进行计算分析；②对隧道进行线间加固，进行分析。

3.1 应力分析

(1)隧道开挖后不仅仅造成开挖处地层应力损失，还会影响到周围土体的应力水平，其范围大概在7 m左右，如图5～图7所示。其影响范围与地表沉降范围一致，如图8所示。

(2)地层应力损失在开挖处最大，并沿隧道前进方向逐渐减小。随着开挖进行，地层应力重新分布，之前应力损失地层的应力稍有增大，但总体小于未开挖时地层的应力水平。这与现实是相符的：因为开挖后，随即施作盾构管片使开挖洞室具有一定的自承能力，并且由于地层沉降，上部建筑物对地层的作用力也不断调整并使新施加的管片结构承担应力，从而造成应力增加的现象。

综上，地表的沉降是因为开挖隧道后，土体应力得到释放从而造成了开挖底的隆起与开挖顶部的沉降，由于成槽效应自然就波及到上部地层，进而引起建筑物的不均匀沉降。

3.2 沉降分析

(1) 未采取加固：整体最大沉降量为71.8 mm，在隧道底部发生最大隆起量20.99 mm。15层建筑最大不均匀沉降为56.1 mm；8层建筑最大不均匀沉降为20 mm。根据GB 50007-2011《建筑地基基础设计规范》5.3.4条规定：工业与民用建筑相邻柱基的沉降差允许值为0.002l(即10 mm)，其中l为相邻柱基中心距离；高耸结构基础的倾斜允许值为0.006。在盾构施工完成后其不均匀沉降与基础倾斜均超过规范所允许值所以有必要进行加固处理,结果如图9所示。

图9 未加固时地层沉降

(2)线间加固：整体最大沉降量为10.3 mm，在隧道底部发生最大隆起量6.9 mm。15层建筑最大不均匀沉降为5.99 mm；8层建筑最大不均匀沉降为2.1 mm。加固后结构基础最大倾斜为10-5，根据GB 50007-2011《建筑地基基础设计规范》5.3.4条规定：工业与民用建筑相邻柱基的沉降差允许值为0.002l(即10 mm)，其中l为相邻柱基中心距离；高耸结构基础的倾斜允许值为0.006。所以此次加固符合要求能满足上部房屋的正常使用,结果如图10所示。

图10 加固后地层沉降

4 结论

(1) 盾构法隧道在施工过程中，沉隆范围主要发生在隧道开挖中心线11 m范围内。该范围沉降槽大概占到总体积的60%，是盾构施工沉隆反应最严重的区域。距隧道开挖中心线11～25 m范围为次要沉隆区，其沉降值大多在4～8 mm。

(2) 盾构隧道施工引起上部建筑物沉降的主要原因是隧道开挖引起桩底持力层地层应力释放。应力释放引起桩底持力层的沉降，使得房屋桩基和上部地表桩周土体下沉。

(3)如不采取加固措施，盾构施工引起的最大地层沉降量为71.8 mm；隧道底部最大隆起量为20.99 mm。15层建筑最大不均匀沉降为56.1 mm；8层建筑最大不均匀沉降为20 mm，不符合规范要求。

(4) 线间注浆加固能够有效地控制地层沉隆，加固后整体最大沉降量为10.3 mm，最大隆起量为6.9 mm。而建筑物最大不均匀沉降为5.99 mm，满足规范要求。