宁波轨道交通盾构法施工对近接建筑物的影响分析

邹毅松，刘 斌，王小军

(1.重庆交通大学土木建筑学院，重庆 400074;2.浙江大学宁波理工学院，浙江宁波 315100)

0 引言

我国沿海软土地区城市轨道交通拟建线路周边建筑物众多，采用盾构法施工必然导致周边土体扰动，可能在较短时间内引起地层较大变形，进而对建筑物基础及其上部结构产生危害。

目前盾构法隧道施工对近接建筑物的影响研究主要采用数值模拟和现场监测相结合的方法。Jenck等［1］运用FLAC3D对邻近建筑物盾构施工进行了数值模拟，采用简化模拟过程并考虑地层损失，结果表明建筑物存在区域地面沉降有明显变化。廖少明等［2］指出盾构壳体对建筑物的影响远大于盾构正面推进压力的影响，而且其影响具有滞后性和波动性。夏元友等［3］模拟分析了盾构隧道穿越一般地层和群桩基础两种工况下建筑物的位移，指出群桩作用下结构安全度有降低趋势。张明聚等［4］采用FLAC3D有限差分软件对不同地质条件下盾构隧道下穿建筑物进行模拟，指出双线隧道分别通过建筑物时基础沉降迅速增加，有二次沉降规律。丁智等［5］指出对盾构隧道施工邻近建筑物的研究必须综合考虑隧道、土体和建筑物三者之间的关系。

本文利用ANSYS软件建立二维有限元模型［5］，模拟了建筑物至隧道轴线的水平距离和盾构隧道埋深这两个因素的改变对近接建筑物的影响，并考虑建筑物基础形式的不同，研究该地区特殊地质条件下盾构隧道施工对邻近建筑物沉降的影响。

1 工程概况

宁波轨道交通拟建1号线、2号线工程地域属冲湖积平原，上部软土层厚16.4～29.7m。盾构区间隧道场地的土层从上到下有:①杂填土，杂色，松散～稍密～中密;②粘土，灰黄色，可塑;③淤泥质粘土，灰色，流塑;④粘质粉土，灰色，稍硬;⑤粘土，灰色，软塑;⑥粉质粘土，灰黄色、褐黄色，可塑状;⑦砂质粉土，灰色，中密，饱和;⑧粉质粘土，灰色，软塑。场地土层的物理力学参数见表1。

区间盾构线路穿过宁波主城区，沿线分布有大量建筑物，结构形式有砖混、框架及砖木混合结构等，浅基础多为条形基础，桩基础有预应力管桩、沉管灌注桩等，桩长12～48m。隧道内衬结构采用预制圆形管片，内径 5.5m，外径 6.2m，管片厚度0.35m，环宽1.2m。

2 有限元分析模拟

2.1 参数建立

土体采用基于Mohr-Coulomb准则的D—P弹塑性本构关系，采用平面4节点实体单元plane42及平面应变模式。隧道衬砌采用beam3梁单元，厚度0.35m，按线弹性材料考虑，考虑刚度折减系数85%［5］，弹性模量为28.5GPa，重度25.0kN/m3，泊松比 0.2。

表1 土层物理力学指标

浅基础为刚性基础，采用平面4节点单元模拟，基础埋深2m，长度为8m，采用C20混凝土，弹性模量取 25.5GPa，泊松比 0.2，重度 25kN/m3。桩基础桩径800mm，桩间距1.2m，桩顶标高－2m，材料参数同条形基础。建筑物上部结构采用等效荷载替换方法［5］，采用平面4节点单元来模拟。

2.2 模拟步骤

利用ANSYS单元生死操作模拟盾构土体开挖及衬砌支护:首先杀死衬砌单元，施加重力荷载，得到存在建筑物工况下的初始应力场;然后杀死核心土体单元，激活衬砌单元，释放节点力，得到隧道开挖后对建筑物的影响，并减去前期自重影响，分析建筑物基础的沉降变形特性。

2.3 模型建立

为减少边界效应，模型水平方向(x方向)取100m，竖直方向(y方向)取50m。模型地表为自由面，底部竖向约束，侧面水平向约束。模型土层划分及隧道与建筑物的关系如图1所示，图中H为盾构隧道拱顶至地表的竖直距离，m;L为建筑物基础至隧道轴线的水平净距，m。

图1 两种基础类型建筑物与盾构隧道几何关系

根据宁波盾构区间工程特点，为模拟不同工况下盾构隧道施工对建筑物的影响，参数设定如下:

1)H分别取13、17、23m;

2)L分别取0、4、8、12m;

3)桩长分别取12、20、30m。

3 有限元分析计算结果

3.1 隧道正下方穿越建筑物

按5种工况，研究建筑物基础底面至盾构隧道拱顶的竖直距离对建筑物的影响:①改变埋深H，盾构隧道正下方穿越浅基础;②埋深H=23m，盾构隧道正下方穿越桩基础，桩长分别取12m、20m。不同埋深时隧道下穿浅基础的竖向位移分别见图2中a)、b)、c)。隧道下穿不同桩长桩基础的竖向位移分别见图3中a)、b)。

不同工况下盾构下穿基础的最大沉降量如表2所示。分析可知，盾构隧道下穿浅基础时，工况3的最大沉降量为15.7mm，工况1的最大沉降量为29.4mm，浅埋隧道施工比深埋隧道的影响更大。盾构隧道下穿桩基础时，工况4的最大沉降量为43.8mm，工况5最大沉降量为99.4mm，建筑物桩基础底面至盾构隧道拱顶的竖直距离越小，受施工扰动程度越大。

图2 盾构隧道不同埋深时浅基础模型地层竖向位移(单位:m)

图3 不同桩长时桩基础模型地层竖向位移(单位:m)

表2 隧道正下方穿越基础时基础最大沉降量和倾斜率

3.2 水平位置的改变对建筑物沉降的影响

为研究水平净距L的影响，将盾构隧道埋深设为23m，桩基础的桩长取20m。不同L情况下浅基础和桩基础上边缘(y=0)的竖向位移曲线分别如图4、图5所示。

图4 浅基础沉降曲线

图5 桩基础沉降曲线

由图4、图5可知:在地层分布和盾构埋深一定的情况下，建筑物基础至盾构轴线的水平净距越小，基础沉降越大。例如，L=0m时浅基础的最大沉降量为24.9mm。随着L的增大，浅基础的沉降量和倾斜都逐渐减小。当L=12m时，浅基础最大沉降量为9.2mm。盾构隧道穿越桩基础时，不同水平净距 L的桩基础最大沉降量分别为62.5、22.5、5.8、0.8mm。

3.3 盾构隧道侧面穿越不同桩长桩基础

图6为盾构埋深H=23m、水平距离L=4m情况下，隧道侧面穿越不同桩长桩基础时，靠近隧道一侧的桩基轴心点的水平位移曲线。从图中可以看出，12m长桩和20m长桩发生整体倾斜，30m长桩发生弯曲变形。

图6 桩基础水平位移曲线

隧道开挖引起周围土体水平侧移，导致桩土压力减小，桩被动发生侧向移动，即桩身侧移与周边土体侧向位移有密切关系。桩身位移会导致桩内力重分布，使桩承受一定的弯矩，而建筑物桩基础设计上主要承担竖向荷载，弯矩作用下可能会导致桩身混凝土开裂，影响桩承载性能。

4 实测结果分析

4.1 双线盾构施工对建筑物变形的影响

双线隧道施工对邻近建筑物会产生二次扰动影响。2号线栎社新村站～鄞州大道站区间盾构隧道双线下穿磊缘制衣厂和栎社毛纺厂办公楼。磊缘制衣厂为条形基础，基础埋深约1.2m。栎社毛纺厂为沉管灌注桩，桩长13.7～17.4m。建筑物测点布置形式及与盾构隧道的位置关系如图7所示。隧道埋深约22.3m，左线先开挖，右线后开挖。隧道主要穿越⑤2粘土层。

磊缘制衣厂各测点的累计沉降时程曲线如图8 a)所示。从图中可看出，建筑物靠近隧道一侧的J92—J95测点在双线通过后其有明显的二次沉降特征。左线穿过建筑物后测点最大沉降量为10.7 mm，右线再次穿过后测点最大沉降量为25.87mm，二次扰动加大了建筑物靠近隧道一侧的竖向位移。

建筑物J96—J99测点由于距离隧道较远，其受二次施工扰动的程度较轻，甚至有所缓减。因此，盾构隧道下穿建筑物时建筑物的横向倾斜和纵向倾斜变化规律有着很大差异，分别如图8b)、c)所示。横向倾斜变化规律与靠近隧道一侧测点的沉降变化规律较相似，而纵向倾斜变化较平稳，维持在±0.4‰范围以内。

图7 测点布置

图8 磊缘制衣厂测点历时变化

双线通过磊缘制衣厂和栎社毛纺厂后，建筑物变形情况如表3所示。由表3分析可知:

1)盾构正下方穿越建筑物时，桩基础建筑物最大沉降值和倾斜率比浅基础建筑物大。例如毛纺厂办公楼最大沉降值为30.99mm，横向最大倾斜率为2.08‰，制衣厂最大沉降值为25.87mm，横向最大倾斜率为0.51‰，这主要是因为毛纺厂办公楼桩基底至隧道拱顶的竖直距离仅1.2m，受盾构施工扰动大，且桩基础受扰动后对不均匀沉降更加敏感。

2)盾构双线隧道与建筑物的平面位置关系决定其对建筑物二次扰动的程度，正下方穿越比侧面穿越影响大。

3)右线再次通过建筑物时，建筑物各测点的沉降均有所增加，二次沉降占总沉降的45% ～78%。

表3 双线对建筑物的影响

4.2 不同工况下建筑物沉降分析

宁波轨道交通盾构区间隧道侧面穿越邻近建筑物结果如表4所示。分析可知:

1)盾构隧道侧面穿越建筑物时，建筑物至隧道轴线的水平距离越小，受施工影响程度越高。

2)奥索兰大酒店为沉管灌注桩基础，其沉降最大为27.37mm，东方希望公司为水泥搅拌桩基础，沉降只有3.59mm，这表明隧道埋深11～12m时，离线路中心23m范围以内的桩基础受隧道施工的影响仍然很大。

3)大丰混凝土公司为浅基础但倾斜最大，这主要由于该建筑物横向长度为6.2m，纵向长度为10.3m，占地面积较小，当盾构隧道通过时该建筑物对地层不均匀沉降很敏感。

表4 不同工况下建筑物测点最大沉降量和倾斜率

5 结论

数值模拟表明:

1)盾构隧道正下方穿越浅基础建筑物时，基础底面至隧道拱顶的竖直距离越小，建筑物沉降受隧道施工影响越大;盾构侧面穿越浅基础建筑物时，在地层分布和盾构埋深一定的情况下，浅基础至隧道轴线的水平净距L越小，基础沉降越大。

2)盾构隧道正下方穿越桩基础建筑物时，桩基底面至隧道拱顶的竖直距离越小，建筑物沉降受隧道施工影响越大;盾构侧面穿越桩基础建筑物时，桩长和隧道埋深一定的情况下，桩基础至隧道轴线的水平净距L越小，基础沉降越大;盾构隧道侧面穿越不同桩长桩基础时，桩身侧移与周边土体侧向位移有密切关系。

现场监测表明:二次扰动使建筑物的竖向位移有所增加，占总沉降的45% ～78%;建筑物横向倾斜率的变化规律与纵向倾斜率的变化规律有很大差异;双线盾构隧道与建筑物的平面位置关系决定其对建筑物二次扰动的程度，盾构隧道正下方穿越比侧面穿越影响大。

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