地铁盾构掘进对地表及建筑物沉降的影响研究——以深圳地铁16 号线为例

梁子杰，刘红军，张宇杰

（五邑大学 土木建筑学院，广东 江门 529020）

深圳人口密度大、汽车的保有量高，地上交通已不堪重负，亟需大力发展地铁来缓解城市的交通压力、带动经济向更优的方向发展. 盾构法具有对周围土体扰动小、易于控制沉降、施工过程安全等优点，是沿海地区地铁施工的常用方式[1]. 城市的管廊工程通常埋深小，又紧邻周边建筑物，因此需要采用现场监测和数值模拟相结合的方法研究地铁盾构掘进引起的地表和建筑物沉降问题.

对于地铁盾构掘进引起的地表沉降问题，刘俊生等[2]建立三维数值分析模型，并将计算结果与现场实测结果进行对比分析，研究了双线盾构穿越引起的地表沉降变形规律和相互扰动机理. 代君等[3]对盾构隧道施工引起的临近地表沉降进行了数值分析. 杨修等[4]建立数值模型模拟分析，并与监控量测结果对比，研究盾构施工引起围岩扰动的变形情况. 娄平等[5]利用数值模拟软件建立有限元模型，研究叠线隧道掘进过程中横剖面上土体移动规律以及地表沉降规律. Lee 等[6]建立了在软黏土地层中隧道开挖的三维有限元模型，并分析了不同开挖过程所造成的地表位移. Thomas 等[7]对软土地区土压平衡盾构施工进行分步开挖数值模拟，并考虑了土压平衡、盾尾注浆、管片安装等对地表沉降的影响.

对于地铁盾构掘进引起的建筑物沉降问题，荆敏等[8]通过分析大量的地表和建筑物监测数据，得到了福州软土地层变形和建筑物沉降的规律. 关永平[9]采用有限元软件建立近接既有建筑物隧道施工的二维模型，研究了不同隧道与建筑物的水平间距、基础埋深以及土层参数等关键参数对建筑物变形的响应规律. Jenck 等[10]采用数值计算软件模拟了隧道掘进工程，研讨了建筑物自身刚度对隧道周围地表变形产生的作用. 胡佳[11]采用有限元计算和现场监测相结合的方法，分析了盾构施工扰动对建筑物及基础结构的影响规律. 任建喜等[12]以在富水圆砾地层的盾构双线隧道先后通过邻近建筑物为研究背景，通过现场监测和数值计算方法，对双线隧道施工引起地表及既有建筑物变形规律进行研究. Melaki 等[13]对隧道开挖过程中建筑物、隧道和土层间相互作用进行研究，结果表明，建筑物的刚度、宽度和重量对土层位移分布影响较大. Liu 等[14]建立三维有限元模型研究盾构开挖过程对地层和建筑物的影响，并与现场监测数据比较，以验证模型的正确性.

尽管很多学者对盾构掘进引起的地表沉降和建筑物沉降进行了研究，并取得了不错的成果，但是由于地下工程的区域性，关于深圳地区地铁盾构掘进引起的地表和建筑物沉降的研究不是很多.深圳地区地层松软、施工环境与条件通常比较复杂，地铁盾构掘进对附近地表与建筑物的影响仍然是亟待研究的问题. 本文拟以深圳地铁 16 号线龙东村站—龙南站区间为背景，利用有限元软件MIDAS GTS NX 建立盾构掘进的三维数值分析模型，将数值模拟结果与现场监测数据进行对比，分析盾构掘进引起的地表沉降与建筑物沉降.

1 工程背景

1.1 工程概况

深圳市城市轨道交通16 号线（龙东村站—龙南站）起于龙南站东端，止于龙东村站西端. 其中龙南站为地下双层岛式站台车站，龙东村站为带站后渡线的地下二层岛式站台车站. 本区间设计起点为龙南站东端结构内缘，里程为Y(Z)K22 + 906.621 4；设计终点为龙东村站西端结构内缘，里程为YK23 +850.163 2(ZK23 +851.367 9)；右线长943.514 8 m，左线长944.746 5 m. 采用盾构法进行施工.

本区间上层覆土主要为：＜1 - 4＞杂填土、 ＜5 - 1 - 2＞淤泥质粉质黏土、 ＜6 - 1 - 3＞粉质黏土、＜8 - 3 - 3＞粉质黏土、 ＜31 - 4 - 12＞微风化灰岩.

杂填土 ＜1 -4 ＞：青灰色，稍密，稍湿，含建筑垃圾、生活垃圾、块石、碎石等，均匀性差，多为欠压密土，结构松散，具强度较低、压缩性高、荷重易变形等特点，工程性质差.

淤泥质粉质黏土 ＜5 - 1 - 2＞：灰黑色，流塑至软塑，土质不均，以黏性土为主，含砾石和有机质.

粉质黏土 ＜6 - 1 - 3＞：灰黄色、灰白色，可塑至硬塑，土质不均，以黏性土为主，含砂粒和砾石.

粉质黏土 ＜8 - 3 - 3＞：黄褐色、灰褐色，可塑至硬塑，土质不均，含水量较高，由砂岩风化残积而成，以黏性土为主，含砂粒和砾石，含大量风化碎屑，遇水易软化.

微风化灰岩 ＜31 - 4 - 12＞：青灰色、灰白色，隐晶质结构，中厚层状构造，节理裂隙发育，锤击声响，岩芯多呈6～25 cm 柱状及短柱状，局部呈块状.

本区间的地表水主要为松散岩类孔隙水和裂隙岩溶水. 松散岩类孔隙水主要赋存于填土、卵石中，粉质黏土中因含砂粒、局部还含砾石，故也含水，但水量较小. 该层水主要由大气降水补给，也有侧向径流及越流补给，以蒸发、侧向径流、人工开采方式排泄. 裂隙岩溶水主要赋存于石炭系石磴子组灰岩裂隙和溶洞中，水量丰富，透水性和富水性因裂隙和溶洞的发育程度、贯通度、地形条件等而变化，因第四系残积土、冲洪积土层的渗透系数比基岩小，故裂隙岩溶水表现出一定的承压性，主要接受侧向径流及越流补给，以侧向径流、人工开采方式排泄.

1.2 监测点布置

地表主要位置每隔20 m 布置监测断面，每个监测断面布设11 个监测点，在轴线外侧监测点间距依次为3 m、5 m、5 m，建筑物在四周布置监测点，在盾构到达前1 周开始监测，直至盾构通过监测断面土体变形逐渐稳定，部分监测点布置如图1 所示.

图1 监测点布置图（单位：m）

2 数值模拟模型

2.1 基本假定

1）假定所有土层均为弹塑性，且同一土层的土体均为各向同性材料；

2）假设管片为线弹性材料，且管片之间的连接为刚性连接；

3）假设模型中的岩土层符合莫尔-库伦准则；

4）假定初始地应力计算只考虑土层自重应力及地表建筑物的自重作用；

5）为了简化模型，在模型的计算中忽略地下水的渗透作用.

2.2 模型的建立

采用 MIDAS GTS NX 软件建立三维数值分析模型进行模拟计算，盾构隧道内径5.4 m、外径6.0 m，管片厚度0.3 m，每一环管片宽度1.5 m，隧道埋深18 m，左右隧道中心线的距离为15 m. 建筑物的尺寸为20 m × 1 0 m × 1 8 m ，建筑物梁采用0.6 m ×0.3 m的矩形截面，建筑物板板厚为0.12 m，建筑物柱采用0.6 m ×0.6 m的矩形截面，建筑物桩长14 m，直径1 m，梁板柱桩材料为C30 混凝土. 在使用有限元软件MIDAS GTS NX 建立隧道模型时，土层模型范围一般取隧道直径的3～5 倍（取3 倍宽度时边界效应对隧道的影响在10%以下，而5 倍宽度时影响为3%以下[15]），本文确定模型的尺寸为80m×60m×50m，三维模型示意图如图 2 所示. 岩土层材料特性选择莫尔-库伦模型，结构材料特性选择弹性模型. 根据深圳地铁16 号线龙东村站—龙南站区间地铁隧道岩土工程勘察报告可获取岩土体的基本物理力学参数，得到如表1 所示的计算所需参数. 盾构机盾壳材料为钢，管片材料为C50 混凝土，隧道材料参数如表2 所示. 模拟时为了消除边界效应，模型边界条件均采用位移边界条件，上边界为自由面，侧边限制水平位移，底边限制水平和竖向位移.

图2 三维模型示意图

表1 岩土物理力学指标

表2 隧道材料参数

2.3 施工阶段的定义

1）初始地应力

实际工程中，盾构掘进是原状土体在自重和其他地表恒活载作用下已经固结沉降完成的状态下进行的. MIDAS GTS NX 软件在定义施工阶段时设有位移清零选项，可将当前施工阶段计算的位移清零而仅保留土层应力，并以此作为后续施工的初始状态.

2）开挖过程的模拟

初始地应力之后，就可以利用软件的单元激活与钝化功能进行盾构开挖施工模拟，根据实际工程中右线先行、左线跟进的施工原则逐环开挖，具体开挖过程如下：

第一步开挖，钝化第一环的开挖土及注浆单元，激活相应的盾壳单元和管片单元，对开挖面土体表面施加均布的掘进压力以此模拟盾构机的顶推过程.

第二步开挖，钝化第二环的开挖土及注浆单元，激活相应的盾壳单元和管片单元，对开挖面土体表面施加均布的掘进压力以模拟盾构机的顶推过程. 同时，钝化第一步开挖的盾壳单元，激活注浆单元及相应的注浆压力，以此模拟第一环的盾构注浆过程.

第三步开挖，同前，进行第三环开挖和第二环盾尾注浆. 同时钝化掉施加于第一环的注浆压力，以此模拟注浆压力消散的过程.

依照以上步骤依次进行，从开挖土体到注浆压力消散为一个循环. 如此循环下去直至右线开挖完毕，之后，按照同样的方式对左线进行开挖模拟.

3 数值模拟结果与现场监测数据对比分析

3.1 盾构掘进对地表沉降的影响

根据实际工程右线先行、左线跟进的施工原则，对以上所建模型进行盾构开挖模拟，得到如图3～4 所示的盾构开挖竖向位移云图，地表监测点模拟与实测沉降曲线对比如图5 所示. 由图5 可知，地表横向沉降曲线分布规律基本一致，地表最大沉降值出现在右线隧道中心线处，该地层中地铁盾构掘进引起地表沉降的模拟结果与现场实测数据基本一致.

图3 K23+785 断面竖向位移云图

图5 地表横向监测点沉降模拟值与实测值对比图

右线开挖时地表横向沉降规律：1）右线隧道中心线处地表沉降最大，其沿右线隧道中心线向周边逐渐减小. 2）右线开挖完，K23 +785断面现场实测地表最大沉降位于右线隧道中心线处，值为17.285 mm；模拟结果最大值也位于右线隧道中心线地表处，值为15.531 mm，二者相差1.754 mm. 3）K23 +765断面现场实测结果与模拟结果相差为1.614 mm. 现场实测结果和模拟结果存在一定误差，原因是施工现场受多种因素影响，地质条件和施工情况十分复杂，模拟时未考虑所有的因素.

左线开挖时地表横向沉降规律为：1）右线隧道中心线处地表沉降最大，但不再左右对称，地表横向沉降曲线呈现多峰形态，这是由于左线的开挖使得地表沉降发生了叠加效应. 2）左线开挖完，K23 +785断面现场实测地表最大沉降位于右线隧道中心线地表处，值为22.747 mm，而模拟结果地表沉降最大值也位于右线隧道中心线处，值为22.043 mm，二者相差0.704 mm. 3）K23 +765断面现场实测结果与模拟结果相差1.074 mm.

图4 K23+765 断面竖向位移云图

3.2 盾构掘进对建筑物沉降的影响

掌子面是盾构开挖不断向前推进的工作面，盾构开挖时，需要在掌子面前后布置监测点进行监测. 建筑物监测点模拟与实测沉降曲线对比如图6 所示. 右线开挖时，建筑物监测点JC1-1、JC1-2沉降随盾构掘进过程呈现整体下降的趋势，模拟值与监测值接近，这是因为建筑物距离盾构右线较远，盾构开挖引起的土体变形对建筑物影响较小. 左线开挖时，监测点 JC1-1 实测最大沉降值为2.731 mm，模拟最大沉降值为2.429 mm，二者相差0.302 mm；监测点 JC1-2 实测最大沉降值为2.689 mm，模拟最大沉降值为2.411 mm，二者相差0.278 mm；模拟结果与实测结果基本一致. 建筑物监测点JC1-1、JC1-2 沉降随盾构掘进过程先下降，当左线盾构到达建筑物监测点时，监测点逐渐开始隆起，在左线盾构通过后，建筑物测点沉降值逐渐趋于稳定，造成这一现象的原因是盾构掌子面前方的土体受到盾构掘进压力的作用，土体发生挤压变形，建筑物隆起，在盾构掌子面后方的土体，由于盾构不断推进，管片与注浆层之间有间隙，土体发生沉降而引起建筑物沉降.

图6 建筑物监测点纵向沉降模拟值与实测值对比图

4 结论

本文以深圳地铁16 号线龙东村站—龙南站区间盾构掘进为背景，通过数值模拟和现场监测相结合的研究方法，利用有限元分析软件MIDAS GTS NX 在粉质黏土层条件下，对双线隧道盾构掘进引起的地表沉降和建筑物沉降规律进行了深入的研究，主要得出以下结论：

1）右线先行、左线跟进进行盾构掘进，右线开挖完，地表最大沉降值位于右线隧道中心线处，左线开挖完，地表最大沉降值也位于右线隧道中心线处.

2）单线盾构掘进引起的地表横向沉降曲线均是单峰形态，双线盾构掘进引起的地表横向沉降曲线往往会呈现出双峰或多峰等形态.

3）右线盾构开挖时，建筑物监测点沉降随盾构掘进过程呈现整体下降的趋势；左线盾构到达建筑物监测点时，建筑物监测点逐渐开始隆起，在左线盾构通过后，建筑物监测点沉降值逐渐趋于稳定.

4）本文将现场监测数据与有限元模拟结果进行对比分析，探究了盾构掘进对地表和建筑物产生变形的过程与原因，二者规律基本一致. 该研究可对深圳今后的地铁建设提供指导意义，并且对类似于深圳土质的其他城市地铁建设具有参考价值.

5）现场监测数据与有限元模拟结果之间存在一定的误差，主要是由于施工现场地质条件和实际工况十分复杂，模拟时未能将所有因素考虑在内. 应在本文基础上进一步考虑掘进压力、注浆压力、管片刚度等因素对地表和建筑物变形的影响，使研究更加全面深入.