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岩土工程与地下工程四川建筑第43 卷第4期某砂卵石地层中隧道开挖对建筑群变形影响分析任跃勤，杨扬锋，马凝宇（1.中国水利水电第七工程局有限公司，四川成都6 1 0 2 1 3；2.西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，四川成都6 1 0 0 3 1)【摘要】在城市繁华地区地铁线路下穿建筑群时，如何确保上部建筑物结构安全是施工中的难题。以成都地铁区间隧道下穿某城市建筑群为例，采用ANSYS软件对盾构隧道施工引起的上部建筑物沉降和倾斜进行了数值分析，并与实际监测结果对比分析，变化规律基本相符，验证了模拟结果的准确性。结果表明,建筑物最大不均匀沉降一般发生在盾构穿越建筑物正下方，而最大沉降一般发生在盾构机通过建筑物一段距离后；当建筑物分布和线路前进方向存在夹角时，建筑物倾斜率变化趋势更显著，各阶段的倾斜率更大；当隧道埋深较浅，上部建筑物的荷载小时，地层隆起趋势会随之增加，且由此导致的建筑物倾斜十分明显，不容忽视。【关键词】隧道开挖；数值分析；建筑物；沉降；倾斜率【中图分类号】U452.2*60引言随着城市的快速发展，地下铁路逐渐成为城市轨道交通网建设中不可替代的一环，而轨道交通线路往往会途径人流量大，交通繁忙、建筑物密集的区域。为不影响地面交通与设施，城市兴建地下铁路时常采用盾构法。但在开挖过程中，不可避免地会对周围地层及建筑物产生扰动，如果不加以控制，可能会对周围道路和建筑物产生不可修复的破坏。国内外研究学者对地铁隧道施工扰动范围作了大量的研究。孙杰等1 建立三维力学计算模型,综合研究TBM隧道单洞掘进对单一建筑物变形的空间属性效应。刘波等2 基于沉降预测理论及FLAC3D进行了地铁施工诱发地层环境损伤评估，同时考虑多种工况探究地层沉降对建筑物的影响。黎春林等3 对某盾构区间的风险点进行数值模拟分析，揭示了盾构施工扰动对地层位移场以及建筑物隆沉的影响规律。黎春林等4 在定义盾构隧道施工土体扰动评价标准基础上，提出应用有限元计算盾构施工塑性区和扰动范围的一种简捷实用的数值方法。但目前针对盾构隧道下穿与线路存在夹角的复杂建筑群研究较少，本研究以成都某地铁线路为对象，重点研究隧道开挖地层的扰动对上部建筑群的沉降和倾斜变化规律。1工程概况1.1区间隧道和地质条件该线路盾构区间采用土压力平衡盾构法开挖。盾构右线起点里程YDK76+170.000，终点里程YDK81+074.276，长度为47 7 1.7 5 6，盾构左线起点里程ZDK76+170.000,终点里程ZDK81+074.276，长度为47 8 7.7 6 5 m，线路最大纵坡2 8%o。区间全长2 4.9 km，位于复合地层中，上部为砂卵石，下部为淤泥及泥岩，隧道顶距离小区基础最小竖向净距约2 3 m。划分为四大层1 8 个亚层，又由上至下分别为杂填土、粉质黏土、卵石、黏土、粉细砂、中砂、卵石、泥岩。盾构区148【文献标志码】A间地质断面如图1 所示。国栋4栋3栋2栋图1 盾构区间地质断面1.2穿越建筑物盾构区间在里程YDK78+767YDK78+948,ZDK78+715ZDK78+926处穿越建筑物，建筑物为3 层砖混结构，基础为柱下独立基础,埋深2 m。盾构隧道顶距离基础底最小竖向净距约2 3 m。盾构隧道左右线共计穿越7 栋建筑物，从左至右分别为1 栋至7 栋，建筑物信息如表1 所示,区间隧道与建筑物位置关系如图2 所示。表1 建筑物信息建筑物尺寸(长宽高)/m1栋40.22 30 82栋38.9818 83栋36.25 12 84栋36.25 12 85栋37.305 12 86栋36.72 18 87栋54.155 24 8定稿日期 2 0 2 2-0 5-1 3作者简介任跃勤（1 9 6 6 一），男，高级工程师，主要从事地铁项目施工工作。1126栋偏离线路倾角/（）3224113-11-24-32任跃勤，杨锋，马凝宇：某砂卵石地层中隧道开挖对建筑群变形影响分析照进方向工左线隧道右线隧道图2 区间隧道与建筑物位置关系2数值计算模型与分析方法2.1数值模型建立砂卵石地层是一种典型的力学不稳定地层，颗粒之间无粘聚力。因此在盾构掘进过程中，极易破坏地层原有状态，造成围岩及地层的扰动状态 5-7 )。为研究在砂卵石地层中隧道掘进产生的扰动范围和对应影响，本文利用ANSYS有限元软件进行建模和分析。为探究隧道开挖过程的横向影响范围，确保分析的准确性,模型宽度选取为5 倍隧道直径 8 ，整体尺寸为2 4 6 m（长）8 0 m（宽）90 m（高）。隧道区域从地下2 0 4 0 m，水平方向从-17.2 5 17.2 5 m。因为区间隧道长距离且下穿建筑物较多，为保证计算速度将建筑模型进行简化，使7栋地表建筑物沿隧道前进方向铺排，如图3所示。同时本模型假设土体是均质层状，并采用摩尔一库伦模型模拟岩土材料,从上至下分别为杂填土、强风化卵石、中砂、中等风化卵石、中砂、强风化泥岩。建筑物、基础、衬砌材料采用线弹性模型,建筑物及基础采用C30混凝土，隧道管片、注浆材料采用C50混凝土，各材料力学参数如表2 所示。33左线前进方向在线前进方向42.2模拟过程利用ANSYS软件完成分层土体模型后，建立7 栋建筑物的底部独立基础，拓展至建筑物实际高度，之后分步进行模拟分析：（1)边界进行约束，土体前后,左右分别施加Y方向和X方向的水平约束，土体底部施加Z方向的竖向约束。(2)假设建筑物、隧道以及土体的质量为均匀分布,其自重均为均布荷载，其值为10 kN/m。(3)在隧道始端破洞，开挖6 m,杀死此部分土体单元后进行注浆加固，并释放全部节点力 9。（4)循环第3个开挖步骤,共计开挖4 1步，直至隧道开挖结束，通过循环开挖过程，得出隧道施工过程中上部建筑物和地表的变形沉降情况，模型沉降如图4 所示。图4 模型沉降2.3监测点布置由于地表建筑物位置离散，为得到隧道开挖过程中建筑物分布对沉降、倾斜等参数的影响规律10 ,所以选取7 栋建筑物的角部基础作为监测点进行分析。为便于描述，沿线路6前进方向，选取建筑物左上方基础为Ax号点，顺时针将其余基础分别命名为Bx、Cx、D x 如图5 所示。AB56图3模型与建筑物整体分布表2 各材料力学参数容重/弹性模类别泊松比/u厚度/m(kN/m3)量/MPa杂填土19.0卵石(中密)26.6中砂（密实）19.5卵石(密实)28.9泥岩(强风化)21.6注浆材料21.0管片25.0建筑物地基30.0管棚23.07D,图5 沉降监测点分布3数值模拟结果分析1.490.471.100.165.300.211.100.13.830.46200.000.21600.000.030.350.25400.000.2C,3.8253.1隧道开挖对建筑物沉降影响分析10.76由于地表建筑物数量较多，为简化分析过程，根据建筑3.263物与隧道位置分布关系和建筑物尺寸模型选取具有代表性18.08的建筑物进行影响分析。2#3#、4 5#4 栋建筑物尺寸相近且垂直于隧道开挖方向依次分布，均跨左右2 条开挖线路，1.438故选取中间3 建筑物进行分析；1、2 6 号建筑物位于区间隧道末端分布方向大体一致，均斜跨右线，但由于2 6 为所有建筑物中尺寸最大的，受力特征不同故选取分析；6 建筑物仅小部分斜跨左线，选取分析。为探究隧道施工对沉降的影响，分别得到隧道开挖过程中3栋建筑物监测点的沉降曲线，如图6 所示。149沉降现象，都会使建筑物产生一定程度的倾斜率变化，可能岩土工程与地下工程由图6(a)可以看出,6 建筑物离隧道近的B6、C 6 基础点,沉降量较大，且变化明显，最大沉降为0.6 mm。随着隧道破洞后向前推进施工，垂直方向依次经过C6、B6、D 6、A 6,4个基础点先后发生明显沉降,随与隧道中心线距离的增加,沉降速率递减，从大到小依次为0.0 0 91mm/m,0.0086mm/m，0.0071mm/m,0.0065mm/m,与距隧道中心线距离基本线性相关。结合图6(b）,在盾构工作面通过监测断面6 6 7 0 m处,沉降量变化减缓趋于稳定。因此由变化规律可以得到建筑物最大不均匀沉降发生在盾构穿越建筑物正下方，而最大沉降一般发生在盾构机通过建筑物一段距离后。观察图6（b）、图6（c），由于隧道埋深较浅，且建筑物均为3层砖混结构，荷载较轻，隧道开挖至建筑前均出现了较大的隆起变形。将3#、2 6 对比分析，盾构工作面在3楼测量断面前约6 0 m迅速产生向上隆起的趋势，平均隆起高度0.43mm，而盾构工作面在2 6 楼测量断面前约4 0 m处产生此趋势，且平均隆起高度仅为0.36 mm。同时当隧道掌子面逐渐接近直至通过监测点过程中，沉降先迅速增加而后趋于缓和，其中3楼平均沉降0.6 1mm，2 6 楼平均沉降约0.7 5mm。随地表荷载减小，盾构开挖产生的向上凸起现象减缓，隧道沉降量增加。0.870.6-0.40.20.0-0.2-0.4-0.6-0.81.0J0.6-0.40.2uu/00.00.2-0.4-0.6-0.8J0.60.40.210.0/20-0.2-0.40.6-0.8-1.0.J图6 建筑物基础角点沉降曲线3.2隧道开挖对建筑物倾斜影响分析建筑物的倾斜通常可分为沿隧道开挖的水平方向倾斜率和垂直隧道开挖的横断面方向倾斜率 9,但由于本文中分析的建筑物均与线路开挖方向存在一定夹角，为了便于测量结果的对比分析，计算每一施工子步中3、6#、2 6 建筑物的最大倾斜率。建筑物的最大倾斜率的计算公式：150四川建筑第4 3卷第4 期Q max=ABS(Hmx-Hmin)/D 12式中：Qmax为建筑物的最大倾斜率，Hmax为建筑物最大角部基础沉降，Hmin为建筑物最小角部基础沉降，D12为最大和最小沉降角点的直线距离。图7 为3栋特征建筑物的倾斜率曲线，倾斜率存在先增大后减小，再增大后减小并趋于稳定2 个阶段的变换，第一阶段主要是在盾构开挖到监测点前，土体相互作用产生隆起变形而造成的沉降不均。第二阶段是随着盾构通过建筑物4个角部基础正下方，产生沉降，标高分别到达0.0 0 以下，之后盾构远离监测点，沉降趋于稳定，从而产生增大后减小并逐渐趋于稳定。6建筑物的最大倾斜率为0.0 35%,3建筑物的最大倾斜率为0.0 2 8%,2 6 建筑物最大倾斜率为0.0 32%,3栋建筑物出现最大倾斜率均发生在盾构通过建筑物正下方附近。倾斜规律为沿线路方向的建筑物与存在夹角的建筑物相比，倾斜率变化趋势更缓慢，各阶段的倾斜率更小。且建筑物荷载减小，会导致倾斜率增大。将图7 中3和2 6 建筑物由地面隆起和沉降造成的最大倾斜率相比，分别为6 0.7 3%和7 0.9 6%，因此在盾构施工通过区间隧道过程中，对上部建筑物基础角点造成的隆起和+C6B6+D6+A6122436-488496 10812013214415616818019220421622824008000080000000000000（a）6 建筑物C3-D3-A3B31224 36 48 60 72 84 96141289132144156168180192204216228240（b）3建筑物+D260-C26+A26+B26（c）2 6 建筑物会导致安全隐患。0:0400.0350.0300.025%/幸烤0.0200.0150.0100.0050.000+0122436648607284 96 108 120 132 144 156 168 180 192 204 216 228 240图7 特征建筑物的倾斜率曲线3.3实测结果对比分析为确保数值分析结果的准确性，结合现场实际情况，在3、6 、2 6 建筑物的屋面中点框架柱内布置沉降仪，观测屋面沉降。沿隧道中线，每5 m布设一个沉降点，每30 m布设一个监测横断面，进行地表沉降监测，测点布置如图8 所示。KBK-ISQT-011-036K-ISOT-01-241:30实测建筑物沉降曲线如图9 所示，隧道施工穿过各建筑物过程中，各监测点沉降随隧道施工不断变化，当隧道接近建筑物，先隆起而后逐渐沉降且增加趋势明显，当隧道施工穿越建筑物后，建筑物沉降趋势减小并逐渐趋于稳定。实测数值约为数值模拟结果的2.5 倍左右，可能是由于各土层实际分布不均导致初始应力场差异及上部地面荷载与实际情况不符造成的，但均在可控范围内。通过2 种方法得到的变化规律基本相符,沉降和变形的数值分析模拟结果可以为隧+3领斜率+26领斜率BK-ISOTE-O3BK-ISOT-OBKJSOT0G3-1SO-D3图8 实测监测点分布9224LSOT-040任跃勤，杨锋，马凝宇：某砂卵石地层中隧道开挖对建筑群变形影响分析道施工提供参考。151.00.5/20-0.5-1.0-1.5-2.04总结本文采用三维有限元数值模拟的方法，结合现场实测数据分析了当地面存在建筑物群时，在砂卵石地层中盾构施工引起建筑物的位移和倾斜变化规律，同时根据建筑物位置分布和尺寸模型特点选取了一系列特征建筑物，进行深人分析，得到主要结论：(1)随隧道施工,建筑物最大不均匀沉降一般发生在盾构穿越建筑物正下方，而最大沉降一般发生在盾构机通过建筑物一段距离后。(2)当建筑物分布和线路前进方向存在夹角时，距离隧道中心线越近的角部基础,最终沉降越大,且变化显著。因而存在夹角的建筑物相较沿线路方向分布的建筑物，倾斜率变化趋势更显著，各阶段的倾斜率也更大。（3)在隧道施工通过上部建筑物的过程中，地表位移会先后产生隆起和沉降现象。若隧道埋深较浅，上部建筑物的荷载小，隆起和沉降趋势均会增大，由此导致建筑物的倾斜率产生显著变化,特别地，由地表隆起产生的建筑物倾斜同样不容忽视。6建筑物3建筑物-+26建筑物122436728496108120132144156105 180192204216228240图9实测建筑物沉降曲线参考文献1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），2 0 2 1,5 1(1):32-38.2刘波，陶龙光,李希平，等.地铁盾构隧道下穿建筑基础诱发地层变形研究 J.地下空间与工程学报,2 0 0 6（4）：6 2 1-6 2 6.3黎春林,缪林昌，陈静.盾构施工对地表及建筑物沉降影响分析 J.山东理工大学学报（自然科学版）,2 0 17,31（1）：12-16.4黎春林,缪林昌.盾构隧道施工土体扰动范围研究 J.岩土力学,2 0 16,37(3):7 5 9 7 6 6.5江英超盾构掘进对砂卵石地层的扰动机理研究 D.成都：西南交通大学,2 0 14.6郑小雪砂卵石地层盾构施工对邻近建筑物稳定性影响研究 D.成都：西南交通大学,2 0 0 8.7阳超，卢雅欣，何锁宋，等.砂卵石地层盾构隧道下穿铁路桥施工影响分析 J.四川建筑，2 0 2 1,4 1（2）：10 3-10 6+110.8Mu Baogang,Xie Xiaokun,Li Xing,et al.Monitoring,modellingand prediction of segmental lining deformation and ground settle-ment of an EPB tunnel in different soilsJ.Tunnelling and Un-derground Space Technology,2021(prepublish).9林志，范国宇,冯森.地铁隧道施工对邻近建筑物影响分析 J.兰州工业学院学报,2 0 2 0,2 7（6)：12-16.10阳超，卢雅欣，何锁宋，等.砂卵石地层盾构隧道下穿铁路桥施工影响分析 J.四川建筑，2 0 2 1,4 1（2）：10 3-10 6+110.（上接第14 7 页）与围岩渗透性有关，需依据不同地层条件进行取值变化。(4)通过分析盾构推力对地表沉降的影响可知,盾构推力受复合地层和埋深突变的影响不大，但沉降突变点亦发生在推力变化较大处，因此减小推力变化幅度，保持盾构的平稳推进可以减小对土层的突然扰动可以减小地表沉降突变。(5)刀盘扭矩和掘进速度的设定与地层条件存在一定相关性，根据不同的硬岩比设定合理的掘进参数有助于控制地表沉降，同时应避免参数突变。1李俊逸，复合地层土压平衡盾构隧道掘进参数与安全控制技术研究 D.成都：西南交通大学,2 0 15.2 0戴志仁，白云，彭芳乐，等.上海深部特殊地层地铁施工控制技术研究 J.地下空间与工程学报,2 0 10,6（4）：8 2 1-8 2 7+8 4 4.3 岁罗宇勤，赵焕，郭丹烽，等.杭州典型黏土地层盾构掘进参数及地层变形分析 J.华南地震，2 0 2 2,4 2（1）：133-139.4罗锡波，张祖迪，何锁宋，等.富水砂卵石地层V形坡隧道土压平衡盾构施工掘进参数分析 J.四川建筑,2 0 2 2,4 2(1)：10 6-10 9.5李经纬.上软下硬复合地层土压盾构掘进参数演化规律分析 J.中国设备工程，2 0 2 2（3）：2 2 0-2 2 2.6赵博剑，周建军，谭忠盛，等.复合地层盾构掘进参数及其与地层相关性分析 J.土木工程学报,2 0 17,5 0（S1）：14 0-14 4.7秦佳佳.合肥地区复合地层盾构掘进参数控制研究 J.隧道建设（中英文）,2 0 2 0，4 0（3）：4 35-4 4 3.8沈翔，袁大军，吴俊，等.复杂地层条件下盾构掘进参数分析及预测 J.现代隧道技术,2 0 2 0,5 7（5）：16 0-16 6.参考文献9徐一帆，王士民，何川，等.基于BP神经网络的复合地层盾构掘进参数预测 J/0L.铁道标准设计：1-7 2 0 2 2-0 4-14 .http:/tdbs: 文佳，李晓东，梁杰，等.复合地层盾构掘进参数相关性分析及掘进速度预测 J.铁道建筑技术，2 0 2 2（2）：6-10+6 1.151