地铁盾构隧道下穿建筑物的安全性分析

地铁盾构隧道下穿建筑物的安全性分析

李茂文，胡辉

（南昌城市规划设计研究总院，江西南昌330038）

摘要：本文以深圳地铁5号线翻身 灵芝盾构区间隧道下穿碧海花园小区建筑物施工为工程依托，运用有限差分程序FLAC3D模拟盾构隧道开挖的全过程，对施工产生的管片内力变化、地表沉降以及桩基的变形进行了预测分析。计算结果表明，只要能够正确合理的施工，采用土压平衡盾构施工，安全顺利地穿越建筑物是可行的。

关键词：盾构隧道下穿建筑物地表沉降桩基沉降数值模拟

有限差分法由于具有能够适应复杂边界、非均质、非线性本构模型，分析结果全面详细等优点，被广泛用来模拟盾构隧道施工对环境的影响的分析。本文以深圳地铁5号线翻身 灵芝盾构区间隧道下穿碧海花园小区施工掘进为工程依托，运用有限差分程序FLAC3D模拟盾构隧道开挖过程，对施工产生的管片内力变化、地表沉降以及桥梁桩基变形进行预测分析。1工程概况

深圳地铁5号线翻身至灵芝盾构区间隧道管片设计外径为6m，内径为5．4m，管片厚度为30cm。地铁右线隧道穿越碧海花园2层和8层的砼框架楼房。碧海花园桩基采用柱下独立基础，承台下桩基采用Φ480沉管灌注桩，有效桩长17m。该建筑物桩基与隧道拱顶最近距离为1．14m，断面埋深20．5m，地下水位埋深为3．2m，隧道位于砾质粘性土、全风化花岗岩及强风化花岗岩三种不同硬度的地层中，局部有硬岩突起，突起硬岩裂隙发育，地质条件复杂。

2盾构掘进数值模拟分析

2．1材料特性

（1）土体材料

目前，在土工计算中广泛采用的各向同性模型有两大类，一类是弹性非线性模型，另一类是弹塑性模型，两者都反映了土的非线性应力—应变关系特性。本文土体采用弹塑性本构关系，屈服准则为直线性Mohr－Coulomb准则。

（2）注浆材料和管片衬砌材料

注浆材料和衬砌单元在模拟过程中也采用适合混凝土材料的弹塑性模型。注浆材料的强度会随着时间的推移而增加，此时取其长期固化注浆材料，其弹性模量取400Mpa［4］，管片衬砌采用C50钢筋混凝土，弹性模量为35GPa。

2．2实体模型建立

计算采用有限差分程序FLAC3D建立三维模型，横向取40m，向上取至地表，向下取隧道中心以下15m，沿隧道长度方向取40m。左、右、前、后边界施加水平方向约束，底面限制垂直位移，顶面为自由面。初始应力只考虑自重应力场的影响。地层、管片、注浆浆液均视为理想弹塑性材料，服从Mohr—Coulomb屈服准则；管片和同步注浆浆液均采用壳单元；地层和桩基则采用实体单元模拟。计算模型如图2，模型共有148192个单元，154755个节点。盾构机长7．5m，盾构外径6．25m，管片宽l．5m，厚300mm，盾尾间隙厚75mm。盾构隧道与桥梁桩基的位置关系如图2所示

。

图1

三维计算模型图

图2盾构隧道与建筑桩基的位置关系图

根据地质勘察资料，该段地质分层从上而下分别为：3m的素填土、6m的砾砂、10．5m的砾质粘性土、2．5m的全风化花岗岩及16m的强风化花岗岩。各土层的物理力学参数见表1。3数值模拟计算结果分析

3．1应力分布分析

盾构推进15m、30m和40m时最大主应力云图如图3、4和5所示。从图中可以看出，随着盾构的不断推进，已开挖的隧道衬砌的最大主应力增大，当隧道开挖到40m时，拱腰靠底部位置的最大值主应力值达到2．3MPa，最小值出现在隧道拱顶的位置，最小主应力在拱顶的位置，其值达到－6．7MPa，均远远小于盾构管片的设计强度，因此，盾构管片所受到的内力不足以使管片结果产生破坏，管片结构仍有较大的安全富余量。

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2012年第6期（总第123期）江西建材交通工程

图3掘进15m

时隧道最大主应力云图

图4

掘进30m

时隧道最大主应力云图

图5

掘进40m 时隧道最大主应力云图

3．2地层沉降分析

从地层沉降图中，可以看出当盾构开挖后，拱顶上部的地

层产生沉降，

拱底下部的地层产生隆起，拼装上的管片衬砌由于与地层密贴，

因此，隧道拱顶也产生沉降，拱底隆起，并随着盾构的推进，已经拼装上的盾构管片的隆沉变形也越来越明显，当隧道开挖40m 后，隧道拱顶的最大沉降量达到13mm ，隆起也有10mm ，但是由于埋深达到20．5m ，地层将消耗部分沉降，因此，地表的沉降也只有不到10mm ，这个沉降值，在城市地铁盾构施工的允许沉降值以内，

只要保证盾构操作的正确和合理性，

安全顺利的通过该小区建筑物时没有问题的。图6是盾构隧道通过碧海花园小区建筑物后绘制的纵向拱顶沉降曲线。拱顶沉降一般控制在11．5mm 12．5mm 之间，远小于45mm 的允许范围之内。图7是盾构隧道修建后绘制的地表在正交隧道方向的沉降曲线图。管片拼装后，隧道正上方地表土体会有较大的沉降量，随着与隧道距离的不断加大，地表沉降量也随之减小，地表沉降曲线基本上符合正态分布规律，同时也验证了横向沉降槽理论。计算之后，地表沉降量控制在1 5mm ，在10mm 的建筑物沉降允许范围之内。3．3

桩基变形分析

隧道正上方桩基的水平位移较小，而隧道周边的桩基，

由

图6

隧道拱顶沉降曲线

图7地表沉降曲线

于受到偏载的影响，其水平位移较大，最大值为3mm ，但仍在允许范围之内，不会引起桩基的破坏，能够保证盾构安全顺利地穿越碧海花园。隧道正上方的桩基的沉降较大，最大达到6mm ，在安全允许范围之内，但仍需要对所布设的监测点进行

高频率的监测，确保隧道穿越期间房屋的安全。

4结论

本文以深圳地铁5号线翻身 灵芝盾构区间隧道下穿碧海花园小区施工为工程依托，通过使用FLAC3D 进行数值模拟分析，对盾构法施工引起的管片衬砌内力变化、地表沉降、建筑

物桩基变形规律进行了较为深入的研究，

得出如下主要结论：（1）随着盾构的不断推进，已开挖的隧道衬砌的最大主应

力增大，

当隧道开挖到40m 时，拱腰靠底部位置的最大值主应力值达到2．3MPa ，最小值出现在隧道拱顶的位置，最小主应力

在拱顶的位置，其值达到－6．7MPa ，均远远小于盾构管片的抗

压和抗拉设计强度，管片结构不会破坏。

（2）盾构开挖后，拱顶及其周围地层产生沉降，而拱底及其周围地层隆起，

随着盾构的逐渐推进，已经拼装上的盾构管片的隆沉变形也越来越明显，当隧道开挖40m 后，隧道拱顶的最大沉降量达到13mm ，隆起也有10mm ，地表沉降曲线基本上符合正态分布规律，但其沉降量却只有不到10mm ，均在沉降允许范围之内。

（3）建筑物桩基变形仍以竖向沉降为主，最大沉降量6mm ，小于桩基10mm 的允许沉降值，虽然由于盾构施工对地层和桩基扰动，以及建筑物偏载的缘故，使得桩基产生了水平位移，但相较垂直位移，

水平位移较小，只有3mm ，处于容许范围。（4）本文建立的盾构隧道施工模拟的有限差分计算程序能较好地反映盾构隧道各施工阶段的力学性态。计算所得的地表沉降值与实测值较接近，可为今后类似工程提供一些参考。

参考文献

［1］张志强，何川．地铁盾构隧道近接桩基的施工力学行为研究［J ］，铁道学报，2003，25（1）：92 95．［2］刘红兵．土压平衡盾构隧道施工引起的地表沉降三维数值

模拟［D ］，中南大学硕士学位论文，

2007，5．·

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