双线TBM下穿建筑物变形与控制技术研究

李善明 秦大伟 柳华荣 戴旭

摘  要：采用有限元软件建立双线TBM隧道下穿建筑物计算模型，分析TBM隧道下穿建筑物施工对地表及建筑物的影响规律，同时研究全断面帷幕注浆加固与超前小导管注浆加固效果。计算结果表明，地表沉降槽的峰值点会朝向破碎带位置偏移；建筑物变形呈现中间大两头小的趋势；随着建筑物层数的增加，框架柱的沉降值逐渐减小；全断面帷幕注浆加固效果要比超前小导管注浆加固效果更好。

关键词：TBM下穿工程；有限元软件；注浆加固；智慧城市；智能化控制

中图分类号：U455      文献标志码：A          文章编号：2095-2945（2024）19-0163-04

Abstract： Finite element software is used to establish the calculation model of double-line TBM tunnel under the building， and the influence law of TBM tunnel under the building construction on the surface and the building is analyzed， and the reinforcement effect of full section curtain grouting and advance small pipe grouting is studied. The calculation results show that，  the peak point of the surface settlement trough will shift toward the position of the broken zone; the deformation of the building shows a trend of larger and smaller in the middle; with the increase of the number of buildings， the settlement value of frame column decreases gradually; and the reinforcement effect of full-section curtain grouting is better than that of advance small conduit grouting.

Keywords： TBM underpass project; finite element software; grouting reinforcement; smart city; intelligent control

随着城市化进程的迅速发展，城区人口密度不断增大，交通堵塞成为急需解决的问题。越来越多大、中、小城市开始了智慧城市的建设，其中地铁隧道建设是智慧城市建设中不可或缺的一部分。由于隧道掘进机（TBM）有着智能化程度高、开挖影响小和掘进速度快等优势，使其成为城市隧道建设的首选。地铁隧道的选址往往在人口及建筑物密集的城市中心区域，TBM隧道掘进下穿老旧敏感建筑物时仍会造成一定的影响，若控制不得当极易导致建筑出现破坏、倾斜、裂缝等现象。

国内外学者的研究成果主要集中在盾构隧道下穿工程的变形规律及控制措施[1-4]，对于双线TBM下穿工程的变形及控制措施的相关研究并不多见。戴旭等[5]采用有限元软件，分析了随着盾构隧道的开挖，邻近建筑物基础的沉降量、沉降差、扭转及倾斜的变形规律。王学斌[6]采用数值模拟与现场监测相结合和方法，分析了隧道开挖引起建筑物变形的机理，同时验证了注浆加固与高压旋喷桩加固措施的有效性。孙杰等[7]采用数值计算的方法，建立了TBM连续下穿多座建筑物的三维力学模型，研究了TBM单洞掘进对建筑物变形的空间属性效应。任建喜等[8]通过现场监测与数值模拟相结合的方法，研究了双线盾构隧道施工引起地表及建筑物的变形规律。

本文采用数值模拟的方法，分析了双线TBM下穿建筑物的地表沉降规律及建筑物变形特性；研究了全断面帷幕注浆加固与超前小导管注浆加固加固效果，为今后TBM下穿工程的智能化控制提供依据，为类似工程提供参考与借鉴。

1  工程概况

某隧道轴线埋深约25 m，采用2台TBM同时施工，在右线开挖1个月后左线隧道开始掘进。隧道开挖直径为6.3 m，衬砌宽度1.5 m，外径和内径分别为6 m和5.4 m。根据勘察结果表面，地表以下土层分别为素填土、强风化花岗岩、破碎带、中风化花岗岩和微风化花岗岩，拟建隧道位于中风化花岗岩中，局部位于破碎带中。

隧道下穿建筑物为某区间的一栋老旧居民楼，建筑为6层框架结构。建筑物长度和宽度分别为40 m和8.7 m，层高为3.6 m，基础形式为柱下独立基础，双线TBM隧道从其正下方穿过。建筑物与隧道的剖面位置关系分别如图1所示。

2  计算模型

2.1  计算模型建立

根据本段工程特点，选取Z方向为隧道开挖方向，水平和竖直方向分别为X方向和Y方向，选取土体水平方向尺寸为100 m，竖直方向为42 m，隧道开挖方向为190 m。土体材料采用实体单元、摩尔库伦本构模型；建筑物、衬砌、TBM均采用弹性模型，实体单元；各部件物理力学参数见表1。

为分析双线隧道下穿建筑物的影响及不同加固措施的加固效果，分别建立3个模型。模型1为未加固时双线隧道下穿建筑物模型，如图2所示；模型2为全断面帷幕注浆加固后双线隧道下穿建筑物模型，加固方式如图3所示；模型3为超前小导管注浆加固后双线隧道下穿建筑物模型，加固方式如图4所示。

2.2  边界条件

模型的边界条件为：限制模型四周的法向位移，限制底边3个方向的位移，模型顶面为自由面。

2.3  隧道开挖模拟

本文采用生死单元法来模拟TBM隧道开挖过程，TBM每次向前推进3 m，激活隧道掘进方向的TBM单元，同时钝化土体单元来模拟TBM向前推进。激活TBM后方的衬砌单元来模拟实际施工过程中衬砌的拼装。

3  模型有效性验证

为保证模型的正确性和有效性，选取与文献[5]相同的计算参数与模型工况，采用本文的建模方法，得到地表沉降曲线的对比图如图5所示。

由图5可知，采用本文数值模拟方法所计算的结果与文献[5]的结果基本一致，说明本文的数值模拟结果准确有效。

4  计算结果分析

4.1  加固前双线隧道下穿建筑物数值计算结果分析

4.1.1  地表沉降分析

为分析地表不同位置处的沉降变化规律，在地表设置3条监测线如图6所示。提取3条监测线的沉降曲线绘制于图7中。

由图7可知：

1）3条监测线的地表沉降槽均为典型的U型曲线，其中监测断面2与监测断面3的最大沉降值并未出现在两隧道的中心线位置，而是出现在隧道中线线左侧位置。分析认为，由于破碎带的影响，导致地表不同位置处的沉降槽出现一定的差异，即地表沉降槽的峰值点会朝向破碎带位置的偏移。

2）监测断面1的最大沉降值为5.34 mm，监测断面2的最大沉降值为5.01 mm，监测断面3的最大沉降值为4.42 mm。由图可知，监测断面2的最大沉降值大于监测断面3的最大沉降值，且监测断面2与监测断面3的地表均无建筑物影响，这说明在地表情况相同的情况下，破碎带位置越靠近隧道中心线对地表沉降的影响越大。

4.1.2  建筑物变形分析

根据数值计算结果，提取建筑物的变形云图如图8所示。

由图8可知，在进行地层加固之前，双线TBM隧道穿越建筑物后，建筑物变形呈现中间大两头小的趋势，这与地表沉降趋势相一致。建筑物最大沉降值在建筑物中间位置，为5.5 mm，沉降变形量较大，容易引起建筑破坏与裂缝发展问题。由于在图8建筑物竖向沉降云图中建筑物沿高度方向的沉降规律难以直接观察出来，因此提取建筑各层最中间的柱子沉降值如图9所示。

由图9可知，首层框架柱的沉降值最大，为5.45 mm，随着层数的增加，框架柱的沉降值逐渐减小，顶层沉降值最小，为5.42 mm，首层沉降值与地层沉降值相差0.03 mm，可以认为，本文工程地质条件下，建筑物最中间框架柱的沉降变形量在沿高度方向上变化不大，均集中在5.41～5.46 mm之间。由曲线可知，曲线的斜率即代表沉降值的减小速率，随高度的增加，框架柱沉降值减小速率逐渐降低。因此，在双线TBM正下穿框架结构建筑物时，应着重监测框架结构首层的沉降变化，防止由于开挖过程中沉降值过大造成建筑物沉降、倾斜、开裂等情况的发生。

4.2  加固后双线隧道下穿建筑物数值计算结果分析

4.2.1  地表沉降对比分析

选取地表沉降中最危险的监测断面1，将模型1—3的监测断面1的地表沉降结果绘制于图10。

由图10可知，模型2与模型3的地表沉降量明显小于模型1的地表沉降量，说明全断面帷幕注浆加固与超前小导管注浆加固措施效果明显，能有效改善隧道下穿施工带来的沉降过大问题。模型1的最大沉降值为5.34 mm，模型2的最大沉降值为2.06 mm，模型3的最大沉降值为2.19 mm。全断面帷幕注浆加固使得地表沉降减小了61.4%，超前小导管注浆加固使得地表沉降减小了59%。可见，全断面帷幕注浆加固方式效果更好。

4.2.2  建筑物沉降对比分析

模型2与模型3的建筑物变形云图分别如图11和图12所示。

由图11和图12可知，地层加固后，建筑物的沉降值仍呈现中间大两端小的趋势。建筑物最大沉降值明显减小，模型2全断面帷幕注浆加固后的建筑物最大沉降为2.11 mm，模型3超前小导管注浆加固后的建筑物最大沉降为2.25 mm。地层加固措施对于减小建筑物沉降效果显著，其中全断面帷幕注浆加固使建筑物最大沉降减小了61.6%，超前小导管注浆加固使建筑物最大沉降减小了59.1%。可见，地层加固对减小地表沉降的效果与减小建筑物沉降的效果大致相同，均为全断面帷幕注浆加固效果更好。

5  结论

本文通过数值模拟分析了地层加固前双线TBM隧道施工对地表及建筑物的影响，同时研究了不同地层加固方式的加固效果，并得出以下结论：①当地层存在倾斜走向破碎带时，地表沉降槽的峰值点会朝向破碎带位置偏移。②地表情况相同的情况下，破碎带位置越靠近隧道中心线对地表沉降的影响越大。③建筑物变形呈现中间大两头小的趋势，这与地表沉降趋势相一致。④首层框架柱的沉降值最大，随着层数的增加，框架柱的沉降值逐渐减小。⑤地层加固对减小地表沉降的效果与减小建筑物沉降的效果大致相同，均为全断面帷幕注浆加固效果更好。

参考文献：

[1] 何况.盾构隧道下穿复杂建筑物变形分析及控制措施[J].城市轨道交通研究，2023，26（9）：62-68，73.

[2] 王秀红.地铁盾构法隧道下穿既有建筑物安全风险评估[J].建筑结构，2023，53（6）：156.

[3] 申兴柱，高锋，王少鹏，等.盾构隧道施工对浅基础建筑物影响研究[J].施工技术，2017，46（13）：132-137.

[4] 葛婷婷，王安立，王艳，等.隧道施工对上覆框架结构建筑物的影响[J].地下空间与工程学报，2017，13（3）：759-764.

[5] 戴旭，赵少飞，孙嵩，等.隧道穿越距离变化对地表框架结构变形的影响[J].防灾减灾工程学报，2018，38（3）：480-486+497.

[6] 王学斌.公路隧道施工对邻近建筑物的影响及控制[J].公路交通科技，2022，39（8）：182-190.

[7] 孙杰，武科，郑扬，等.城市地铁TBM隧道掘进诱发既有建筑物变形的空间属性效应[J].山东大学学报（工学版），2021，51（1）：32-38.

[8] 任建喜，郑康龙.富水圆砾地层盾构隧道施工对地表及建筑物影响分析[J].城市轨道交通研究，2020，23（1）：14-17，26.