小净距盾构隧道施工诱发邻近建筑物沉降分析

李国鹏 王瑞 赵晓薇，3 汪优

1.中铁（上海）投资集团有限公司，上海 200126；2.中南大学 土木工程学院，长沙 410075；3.中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，长沙 410075

受周边环境限制，地铁隧道需要不断减小隧道间距以适应地下环境，而小净距隧道施工对地层扰动较大，对邻近建筑物的影响也更明显［1-2］。

20 世纪70 年代日本铁道技术学会发表了有关隧道间距影响的研究报告［3］，并在80 年代末出版的地下工程近接施工指南中明确了并行公路隧道中心距离的取值［4］。中国对于小净距隧道的研究及建设始于20世纪80年代，招宝山公路隧道是中国第一座小净距隧道，其隧道净距小于0.28D（D为隧道洞径）［5］。

21 世纪初，随着地铁大量兴建，有关小净距隧道的研究由公路、铁路隧道向地铁隧道转移。线路两侧大量建筑物桩基础与地铁隧道较近，因此地铁隧道盾构施工引起的地层损失，可能造成邻近建筑物不均匀沉降。文献［6-7］通过数值模拟分析了砂卵石地层中盾构施工对邻近建筑物基础的影响。文献［8］通过数值模拟及模型试验分析得出，当隧道与桩的距离小于桩直径的3～5倍时，桩基承载力开始削弱。

既有研究表明隧道开挖对周边建筑物产生的影响主要表现在基础沉降、承载力降低和建筑物倾斜。本文通过现场监测及数值模拟分析，研究小净距三线并行盾构隧道施工对邻近建筑物沉降的影响。

1 工程概况

1.1 线路情况

南通轨道交通1 号线一期全长39.46 km，分4 个标段。线路沿既有道路行进，地下管线及桩基础密集。研究区段为3标段孩儿巷站—环城东路站区间隧道通过金恒佳苑1栋以及汉庭酒店（以下简称建筑物1、建筑物2）的100 m 范围。该区段为三线并行隧道，均为单圆隧道。隧道采用土压平衡盾构法施工。隧道开挖直径为6.44 m，管片宽为1.2 m，外径6.2 m，内径5.5 m。

研究区段线路埋深8.9～ 9.9 m，三条隧道净距为（0.4～ 0.8）D，属于典型的小净距隧道。隧道围岩为Ⅵ级。线路穿越两建筑物处隧道净距为（0.4～ 0.6）D。建筑物1 高50 m，距线路水平距离最小处为11.3 m（1.8D），桩基础长12.1 m；建筑物2 高18 m，距线路水平距离最小处为6.7 m（1.1D），桩基础长22.2～ 28.3 m。

1.2 地质情况

隧址区地处长江下游冲积平原，地势平坦，地面海拔4～ 6 m。沿线发育第四系地层，在勘探深度内自上而下划分为7层，各层性质差异较大。

2 现场沉降监测

2.1 监测点布设

选择研究区段建筑物1 及建筑物2 进行沉降监测。建筑物1 紧邻北线，建筑物2 紧邻南线。在建筑物四角沿外墙每10～ 15 m 布置一个监测点，每侧不少于3 个测点，如图1 所示。参考GB 50007—2011《建筑地基基础设计规范》每日监测一次沉降，量测精度为 ± 0.5 mm。平均沉降控制值为200 mm，倾斜度控制值为0.003。监测自研究区段隧道掘进开始，至施工结束。

图1 建筑物沉降监测点布置（单位：m）

2.2 建筑物基础沉降监测结果

三条隧道在开挖过程中引起的两栋邻近建筑物沉降变化曲线见图2。可知：①三条隧道施工引起了周边建筑物沉降和倾斜。建筑物1、建筑物2最大沉降分别为2.50、2.36 mm。建筑物2 距线路比建筑物1近，但两栋建筑物沉降接近。原因是：建筑物2 桩长（22.2～ 28.3 m）约为建筑物1桩长（12.1 m）的2倍，因此其稳定性更强。②建筑物1、建筑物2最大沉降差分别为1.58、3.76 mm，即两栋建筑物已经出现不均匀沉降，建筑物倾斜。

图2 两栋邻近建筑物的沉降变化曲线

两栋邻近建筑物的倾斜率变化曲线见图3。可知：建筑物2 最大倾斜率为0.000 26，小于控制值0.003；建筑物1倾斜率基本小于建筑物2。

图3 两栋邻近建筑物倾斜率变化曲线

3 小净距隧道盾构施工数值模拟

3.1 计算模型及参数

针对三线盾构隧道施工引起的邻近建筑物沉降问题开展数值模拟分析。计算模型见图4。

图4 计算模型（单位：m）

模型中地层分为7层，高31.0 m。隧道埋深9.9 m。建筑物1有256根桩，桩长12 m，桩径0.6 m，桩与隧道最小间距为13.9 m；建筑物2 有116 根桩，桩长25 m，桩径0.6 m，桩与隧道最小间距为9.0 m。三条隧道直径均为6.2 m，管片厚均为0.35 m，隧道净距均为2.3 m。

根据两栋建筑物位置，为避免受边界效应影响，模型宽取136 m，两侧各盈余25 m 以上。网格划分时对隧道开挖部分、衬砌及桩基处均进行加密。模型共划分为3.0 × 106个节点，1.7 × 107个单元。

沿隧道轴线方向（y轴）1、28、55、82、109 m 处依次布置5 个监测断面（断面1—断面5）。建筑物沉降监测点及地表沉降监测断面布置如图5 所示。此外，还监测了两栋建筑物各6 根桩的沉降及x方向位移。6 根桩分别位于建筑物的四个边角点及长边中心下方。

图5 建筑物沉降监测点及地表沉降监测断面布置

桩与土层的接触关系采用库伦剪切模型模拟，桩及桩周土之间设置接触面，实现桩土间的挤压与滑移。接触面与桩基单元、土体单元共节点，并被离散为三角形网格。桩顶与承台单元节点绑定、桩底与土体单元节点绑定，以避免发生沙漏破坏。桩侧接触面法向刚度及切向刚度均为3.0 × 108kN/m，黏聚力为42.6 kPa，内摩擦角为21°，抗拉强度为1.0 × 107kPa［9］。根据设计文件及地勘资料确定地层参数，见表1。

表1 地层参数

3.2 开挖顺序

开挖前进行地应力平衡，平衡后将网格节点位移及速度清零，保留应力状态并在此基础上进行开挖计算。开挖结束后将衬砌由弹塑性本构模型更新为弹性本构模型以模拟混凝土。同时开始下一步开挖计算。每一条隧道循环开挖92次，完成开挖。首先从小里程向大里程开挖南线，然后从小里程向大里程开挖北线，最后自大里程向小里程开挖中间停车线。

3.3 计算结果分析

1）地表沉降

三条隧道不同开挖阶段地表沉降曲线见图6。

图6 三条隧道不同开挖阶段地表沉降曲线

由图6（a）—图6（c）可知：随着南线开挖，五个断面依次出现地表沉降，沉降槽宽度约为40 m（6.4D），已经涵盖了南侧建筑物2。开挖到52 m 时，55 m 处（断面3）已经发生地表沉降，82 m处（断面4）还未发生地表沉降，表明隧道开挖会造成地表纵向差异沉降。纵向差异沉降会造成路面应力不均匀分布及横向裂缝，因此在地铁盾构开挖过程中除了要密切关注两侧邻近建筑物的沉降外，对路面结构的开裂状况也应予以重视。

由图6（d）—图6（f）可知：北线开挖引起的隧道轴线上方地表沉降略小于南线，两者叠加引起的沉降槽呈偏W形，与文献［8，10-12］研究结果一致。

由图6（g）—图6（i）可知：中线贯通后中部断面3处最终地表沉降达到8.4 mm，比北线贯通时断面3 最大沉降（4.8 mm）增大了75%。

三条隧道开挖完成后断面3地表沉降模拟及现场监测结果对比见图7。可知：①现场监测值基本分布于模拟曲线附近，表明模拟结果能够反映现场实际情况。②断面3处北线开挖引起的最大沉降比南线开挖完成时有所增加但不显著，这是由于南线附近土体在施作衬砌后应力已恢复平衡。中线开挖引起的地表沉降远大于南线和北线。这是由于中线在两侧线路开挖完成后，对中隔岩柱进行施工，破坏了南北线衬砌后已恢复的应力平衡状态。③南线开挖引起的地表沉降槽横向宽度约为5.5D，北线开挖后沉降槽宽度增至8.0D，此时沉降范围已经涵盖了两栋建筑物。中线开挖完成后沉降槽宽度为8.0D，并未增大。

图7 三条隧道开挖完成后断面3 地表沉降数值模拟及现场监测结果对比

2）建筑物沉降及倾斜

以距隧道较近的建筑物2 为例，分析不同工况建筑物2桩基础沉降。图8中隐藏了土层①、②、③-1，以便观察盾构推进及开挖完成时部分衬砌情况。其中向上为正东方向，向左为正北方向。

图8 三个隧道不同开挖阶段建筑2桩基础沉降（单位：mm）

由图8（a）—图8（c）可知：南线开挖第一步时，建筑物2 西北侧出现0.128 mm 的沉降；随着南线推进，建筑物2北侧沉降不断增大，沉降范围逐渐向东延伸。南线开挖结束时建筑物2 南北两侧沉降差已经达到1.288 mm。

由图8（d）—图8（f）可知：在北线开挖过程中建筑物2 北侧沉降进一步增大；北线贯通后建筑物2 北侧沉降最大达到1.59 mm，南北侧沉降差为1.26 mm。

由图8（g）—图8（i）可知：中线开挖完成时建筑物2 南北侧沉降差为1.75 mm，说明随着三条隧道施工沉降差逐步增大，建筑物底部产生倾斜。

3）邻近桩位移

邻近建筑物的沉降及倾斜主要原因是隧道开挖引起的地层损失扰动了下部桩基础。为进一步分析三条隧道开挖对邻近桩的影响规律，选取建筑物2 北侧距隧道最近的一根桩，绘制其沉降及水平位移沿埋深变化曲线，见图9。其中：L为桩长；d为开挖面距桩的距离，到达桩前为负，通过桩后为正。

由图9（a）可知：桩的沉降自桩顶向桩底递减，随着开挖面靠近，沉降逐渐增大，即使开挖面通过一定距离，沉降依然在继续增长。当开挖面到达桩时（d=0），桩顶、桩底沉降分别为0.60、0.36 mm。

由图9（b）可知：①随着开挖面靠近，桩身发生了不同程度的水平位移。桩顶及桩底水平位移朝向隧道，桩中部（0.20L～ 0.65L）则远离隧道。②在0.20L、0.65L处水平位移不随开挖面距桩距离的改变而产生显著变化。

对比分析图9（a）及图9（b）可知：开挖面位置一定时，桩顶沉降大于水平位移，桩底沉降与水平位移接近。如d=0 时，桩顶沉降为0.60 mm，水平位移为0.19 mm；桩底沉降为0.36 mm，水平位移为0.40 mm。

图9 建筑物2桩沉降及水平位移沿埋深变化曲线

南线隧道开挖过程中桩顶沉降及桩底水平位移随d的变化曲线见图10。可知：由于盾构施工d=-6D时桩顶开始沉降，d=-4D时桩底产生水平位移。随着开挖面继续靠近，桩顶沉降和桩底水平位移逐渐增大，但水平位移及沉降的最大值均未出现于开挖面到达桩时，开挖面通过桩一段距离后桩顶沉降和桩底水平位移才逐渐达到最大值。当d=0 时桩顶沉降为0.57 mm，桩底水平位移为0.41 mm。开挖面通过桩2D后桩底水平位移逐渐稳定至0.55 mm，开挖面通过桩6D时桩顶沉降逐渐稳定至0.95 mm。

图10 南线隧道开挖过程中桩顶沉降及桩底水平位移随d 的变化曲线

4 结论

1）后行线（北线）开挖引起的隧道轴线上方地表沉降略小于先行线（南线），两者叠加引起的沉降槽呈偏W 形。中线在两侧线路开挖完成后，对中隔岩柱施工，会破坏两侧线路施作衬砌后恢复的应力平衡状态，进一步加大地表沉降。

2）先行线开挖引起的沉降槽横向宽度约5.5D，后行线开挖后沉降槽宽度增至8.0D。中线开挖虽然导致总沉降增大，但沉降槽宽度与双线开挖完成时相比并未增大。

3）隧道开挖引起的地层损失导致邻近桩在水平方向及竖向均产生位移。开挖面位置一定时，桩顶沉降大于水平位移，桩底沉降与水平位移接近。随着开挖面靠近，桩顶沉降和桩底水平位移逐渐增大，开挖面通过桩2D后桩底水平位移逐渐趋于稳定，开挖面通过桩6D后桩顶沉降逐渐趋于稳定。随着开挖面接近，桩顶及桩底水平位移朝向隧道，桩中部则远离隧道。