盾构法电力隧道沉降对邻近建筑物影响研究

于 唯，屠 越，王小龙

（1.国网江苏省电力有限公司 南京供电分公司，江苏 南京 210098；2.江苏科能岩土工程有限公司，江苏 南京 211102）

随着我国城市建设的不断推进和发展，对电力的需求显得尤为突出，为推进城市供电设施建设，保障安全、持续、可靠供电，必然需要对电力基础设施投入大量的资源。然而随着土地价格攀升，城市空间密集化，城市人口和车辆的不断增加造成地面拥堵，并且市区内架空线送电方式将逐步淘汰，转为地下输送等一系列现象，向地下空间发展已经成为今后城市建设的必然趋势。在这种趋势下，国内已实施了多种工法的电力专用隧道，包括明挖法和各种非开挖工法。其中明挖法使用最多，工程经验丰富；盾构法因其自动化程度高、对周边环境影响小等优点迅速发展。但是盾构施工过程中容易对周边地层产生扰动，引起地层的应力释放和调整，从而危及邻近既有建筑物的安全。

鉴于此，国内外专家和学者进行了大量研究。本文总结已有研究，依托南京市望江-莫愁220kV线路工程，利用有限元软件Midas／GTS NX 建立三维模型。通过建立不同建筑物基础形式、隧道与既有建筑物的水平距离、盾尾壁后注浆效果、掌子面推力的计算模型，分析其在盾构施工过程中对邻近既有建筑物的影响。最后，提出盾构施工过程中进行安全控制的建议，为后期实际隧道安全施工及监测提供参考。

1 工程概况

为改善南京河西地区电网结构，拟建设望江-莫愁220kV 线路工程，采用盾构法施工。盾构隧道路径全长1 085m，隧道埋深14～18m，支护采用预制混凝土管片，管片外径为3m，内径为2.5m，标准环管片环宽1m。

本项目位于城市中心地段，两侧房屋密集，且多为1995 年拆迁安置房，基础形式包括桩基础和筏板基础，建筑年代久远，故对变形控制要求较高。沿线地基土层的埋藏条件和分布特征及隧道施工埋深如图1 所示。盾构隧道施工所在地层为淤泥质粉质黏土层，该层呈软塑、饱和状态，开挖面以上涵盖杂填土、素填土和粉质黏土，其中隧道轴线与建筑物的最短垂直距离为11.5m。

图1 地层条件及隧道施工与建筑物位置关系

2 三维有限元模型建立和模型验证

2.1 模型建立和参数取值

本文选取2 个典型断面进行分析。为确保分析结果不受边界约束的影响，模型尺寸需足够大，避免边界对开挖的影响，整体三维模型如图2 所示。第一个断面两侧建筑物均为银城花园小区，故命为DC-2 和DC-8 用以区分，其中建筑物DC-2 为桩基础，基础埋深25m，建筑物DC-8 为筏板基础，基础埋深1.5m，层高均为7层，隧道轴线距离建筑物DC-2 和DC-8 水平距离均为11.5m。第二个断面两侧为宏图香榭里小区（DC-18）和金舟花园小区（DC-23），基础形式均为桩基础，基础埋深均为25m，建筑物DC-18 层高为7 层，距离隧道轴线水平距离为17m，建筑物DC-23层高为9 层，距离隧道轴线水平距离为13.9m。

图2 三维几何模型建立

综合考虑运算效率和精度，建筑物基础、衬砌、隧洞开挖部分因受力复杂进行适当加密。根据地质报告，两个断面附近地层分布较为均匀，假设土体厚度按均匀设置，采用摩尔-库伦本构模型，结构、基础和管片采用线弹性模型，模型中桩基础采用等刚度转换成地下连续墙进行分析。结合周边环境调查报告和岩土工程地勘报告，建模参数取值如表1 所示。

表1 材料参数取值一览表

2.2 模型验证

为验证本文三维数值模型的可靠性与准确性，选取已施工完成的南京地铁7 号线古平岗路站-福建路站区间左线盾构隧道穿越邻近建构筑物为实例，对现场实测得到的沉降监测数据与有限元得到的模拟数据进行汇总、对比分析。验证项目盾构线路总长864.434m，隧道线路埋深约15.52～25.07m，盾构隧道外径6.2m，内径5.5m，管片衬砌厚度0.35m，环宽1.2m。盾构穿越地层主要位于粉质黏土层，其上分别为粉砂、素填土、杂填土，其下为中风化砂岩。

盾构区间开挖至150～180 环时，盾构左线侧穿建筑物X-7（镇江路6 号诊所），该建筑物为7层砖混结构，基础形式为条形基础，埋深2.3m，左线盾构隧道轴线距离建筑物最短水平距离约为9.6m，如图3 所示。

图3 盾构隧道左线与X-7建筑物相对位置关系

由于建模方式、本构模型、施工工况等与2.1 节基本一致，建筑物自重荷载按照实体折算，故直接给出模拟结果。现选取几个具有代表性的测点，包括地表沉降监测点DB24-09，建筑物沉降测点JCJ77 在不同盾构环数下变形结果，以及DB24 断面各测点的最终沉降值进行对比分析，结果如图4 所示。

图4 数值模拟结果与实测结果对比

从沉降对比曲线可以看出，地表沉降和建筑物沉降均随盾构施工的前进，沉降值增大，各类沉降监测点的实际变形曲线与模拟结果较为接近，但是我们发现部分地表沉降监测点和建筑物沉降监测点出现向上隆起的现象，其原因可以分为以下几点：施工时出土不平衡，刀盘对前方土体有挤压作用，致使前方土体和建筑物上移；壁后注浆量过大也会挤压周围土体，出现隆起现象；现场大量机械行驶和盾构施工产生的振动等因素在某种程度上也会影响地表和建筑的变形。然而数值模拟过程存在一定程度的简化，不存在超挖和欠挖，故变形较为平缓且均呈现下降的趋势。其中DB24-09 最终沉降值为5mm，模拟结果为4.2mm，相对误差仅为16%，JCJ77 最终模拟结果较实际沉降值小0.5mm，相对误差为10%，绝对误差均控制在1mm 以内。

综上所述，利用MIDAS／GTS NX 可以较为真实的模拟盾构隧道施工对周边环境的影响，选取的参数、本构模型和边界条件较为合理，结果较为可靠，可作为本项目研究的参照依据。

3 计算结果与分析

由于现场还未施工，无法得到相应的盾构施工环数。故首先我们定义本模型中盾构施工起点为0 环，盾构施工终点为80 环，即本模型中一共模拟施工80 环。第一个断面中当盾构施工至15～67 环范围内，隧道侧穿两边建筑物，第二个断面中当盾构施工至15～65 环范围内，隧道侧穿两边建筑物，如图5 所示。

图5 两个断面相对位置示意图

3.1 盾构施工对不同基础形式的影响

第一个断面两侧建筑物分别DC-2 和DC-8，距离开挖面水平距离均为11.5m，其中建筑物DC-2 为桩基础，建筑物DC-8 为筏板基础。提取两侧建筑物随盾构掘进步数不断增加产生的最大变形整理如图6 所示。由图中可以看出，建筑物DC-2 最大总位移为1.8mm，建筑物DC-8 最大总位移为2mm。不同基础形式随盾构施工前进的变化趋势较为接近，当盾构掘进至建筑物断面中部附近时，变形速率达到峰值，可合理确定盾构掘进速度，确保匀速、缓慢掘进。筏板基础较桩基础变形略微大一些，但均在规范规定的安全范围内，建筑物能保持其稳定性。

图6 不同基础形式建筑物最大变形与掘进步数的关系

3.2 盾构施工对不同建筑物水平距离的影响

在图2 中，断面DC-2、DC-18 和DC-23均为桩基础，且桩长相同，与隧道线路的水平距离分别为11.5m、17m、13.9m。现将各建筑物随盾构掘进步数不断增加产生的最大变形整理如图7 所示。

图7 不同水平距离建筑物最大变形与掘进步数的关系

由图中可以看出，距离盾构隧道线路最远的建筑物DC-18 最大总位移最小，为1.3mm；距离盾构隧道线路最近的建筑物DC-2 最大总位移最大，为1.8mm；DC-23 最大总位移达到1.4mm。说明建筑物最大变形与盾构线路水平距离呈负相关，随着水平距离的增大，建筑物最大变形出现递减的趋势，故在线路设计过程中，应选择合理的线型。同时，由两个断面的变形情况可以看出，盾构掘进至建筑物断面中部时，均出现最大变形速率，此时应加强施工监测，实时反馈指导施工确保既有建筑物安全。

3.3 不同注浆效果对建筑物变形影响分析

在数值模拟中，我们将盾尾空隙的大小、注浆填充程度用一个均值的、等厚的等代层来模拟实际注浆过程中的质量和注浆效果。本文选取等代层弹性模量E分别为1Pa（模拟盾尾空隙不注浆），15MPa（模拟盾尾空隙填充率为50%），30MPa（模拟盾尾空隙完全填充）来分析其对支护结构以及建筑物变形的影响关系。

因2 个模型得到的规律大体一致，故以第一个断面为例进行分析，得到3 种注浆效果下的位移云图，将管片变形和建筑物最大变形整理后如图8 所示。结果表明：注浆效果对管片变形能产生一定的直接影响，管片变形由16.4mm 上升至24.2mm。由于隧道-土体-基础-建筑物之间相互作用是一个复杂的问题，建筑物受注浆效果的影响较弱，但也产生变形增大的趋势。值得注意的是，虽然管片沉降并未超过规范规定的报警值，但是施工过程中会产生各种各样的不可测因素，并且数值模拟结果偏理性化，应慎重对待。因此在施工过程中建议采用同步注浆工艺，禁止采用即时注浆，避免注浆不及时导致盾尾附近土体失去原来的平衡；合理设定注浆压力和注浆量；合理设定注浆点位，建议全环点位注浆。

图8 不同弹性模量管片和建筑物最大变形曲线

3.4 不同开挖面支护压力对建筑物变形影响分析

保持其他条件不变的前提下改变掌子面推力大小，本文中原始地层土体侧压力为177.4kPa，通过大量的模型试算我们选取开挖面支护压力比分别为0.46（81.9kPa)和0.62（109.2kPa)来研究开挖面稳定性及对建筑物变形的影响关系。

同样以第一个断面为例，得到不同支护压力下开挖面的位移云图，将开挖面变形和建筑物变形整理后如图9 所示。可以看出：开挖面变形随支护压力的减小迅速增大，呈“陡增”式上升，当支护压力比为0.46（支护压力为81.9kPa）时，开挖面最大变形达到83.5mm，是原始地层支护压力下变形的8 倍，严重超出规范规定的变形范围内。而建筑物变形因隧道-土体-基础-建筑物之间变形传递机制的复杂性依旧表现出较弱的变化趋势，但均出现不同程度的增加。故需要设定合理的开挖面支护压力，严格控制开挖面土舱压力波动范围；可采取适当措施增大管片刚度，减小隧道结构受力变形，如适当增大管片厚度、增大配筋、增设环间抗剪键等。

图9 不同支护压力下的开挖面和建筑物最大变形

4 结论

以南京市望江-莫愁220kV 线路工程的盾构施工为研究对象，运用有限元软件Midas／GTS NX 建立了考虑隧道-土体-基础-建筑物之间相互关系的三维数值模型，并以实际工程为背景对本文三维模型的可靠性和准确性进行验证。通过选取不同因素分析盾构施工对支护结构和既有邻近建筑物的变化规律，提出了施工过程中需要注意的一些合理建议，最后，得出以下结论。

1）本文采用MIDAS／GTS NX 可以较为真实的模拟盾构隧道施工对周边环境的影响，选取的参数、本构模型和边界条件较为合理，相对误差控制在16%以内。

2）不同建筑物基础形式随盾构施工前进的变化趋势接近，桩基础最大位移为1.8mm，筏板基础最大位移为2mm，相同水平距离下筏板基础较桩基础变形略微大一些，相同基础形式下建筑物最大变形与盾构线路水平距离呈负相关，盾构施工至邻近建筑物断面中部时，变形速率达到峰值。

3）注浆效果对管片变形能产生直接影响，当注浆效果低于一定限值时，管片变形显著增大，由于隧道-土体-基础-建筑物之间相互作用的复杂性，建筑物受注浆效果影响较弱，但仍呈现变形增大的趋势。

4）开挖面变形随支护压力的减小呈“陡增”式上升，当支护压力比为0.46 时，开挖面变形增至原始地层变形的8 倍，严重超出规范规定的范围，建筑物变形呈缓慢增加趋势。

5）由于该线路工程并未施工，后续可根据现场实测数据对本模型进行进一步的验证和优化。