1、 年第 期 第 卷隧道施工作者简介：常勇，年生，大学本科，工程师，从事隧道与地下工程的施工控制工作。：大直径高铁跨海盾构隧道下穿典型建筑物研究分析常 勇（中铁十四局大盾构工程有限公司，江苏 南京）摘 要：依托广湛高铁湛江湾海底隧道下穿典型建筑物工程，通过有限元软件 建立隧道土体建筑物精细化数值模型，研究盾构隧道动态施工过程中地表土体以及建筑物的纵向变形规律，并通过现场实测结果验证了模型的合理性。结果表明：刀盘前方地表土体以隆起变形为主，刀盘后方地表土体以沉降变形为主；地表建筑物隆起变形规律可分为缓慢隆起、快速上升、轻微沉降和轻微隆起四个阶段；盾构隧道施工对地表既有建筑物的轴力影响较小，其造成的
2、土体变形是引起地表建筑物变形的主要因素。最后结合数值模拟结果与工程实际，提出实时监测、优化施工参数、土体加固与同步注浆四种地表建筑物变形控制措施。关键词：盾构下穿；有限元分析；地表土体变形；建筑物变形；现场实测中图分类号：文献标志码：引 言在盾构隧道的建设过程中，隧道下穿地表建筑物的情况非常普遍，施工时会对地表土体及建筑物产生附加位移和内力，为了避免对地表土体以及建筑物产生过大的变形影响，有必要在盾构隧道施工阶段对周边环境的影响进行研究分析。国内外学者针对盾构隧道施工阶段下穿典型建筑物复杂工程问题研究开展较早，目前已取得较多成果，且部分成果被应用到实际工程中。研究方法主要有以 公式为主的经验公
3、式法，以及解析方法、随机介质方法、室内模型试验法、有 限 元 方 法。同 时，多 种 研 究 手段的综合运用能更好地验证研究成果的可靠性。韩秋石采用资料调研、理论分析与数值模拟方法，对盾构隧道下穿施工对地层变形和既有桥梁桩基础承载特性、受力与变形特性的影响进行了研究。朱逢斌结合理论分析、室内模型试验和三维数值计算，系统研究分析了盾构隧道施工影响下的框架结构的变形规律与内力分布特征。杨兵明采用理论分析、数值模拟、室内相似模型试验、现场监测等多种手段研究了软土地层蠕变对地层沉降的影响、列车循环荷载对地层变形的影响以及隧道基础上部结构的相互作用。综上所述，目前的研究多集中在直径较小的地铁盾构隧道及越
4、江隧道，而对于大直径的跨海盾构隧道施工阶段对周边环境的影响研究较少。本文运用数值分析与现场监测的研究方法，依托广湛高铁湛江湾海底隧道下穿某典型建筑物工程，通过有限元软件 建立隧道土体建筑物精细化模型，对盾构隧道动态施工过程中地表土体及典型建筑物的变形规律进行研究分析，并结合现场实测数据对有限元模型进行验证，最后提出相应的施工对策，为大直径盾构隧道施工期地表土体和建筑物的变形控制措施提供参考和借鉴。工程概况湛江湾海底隧道是广湛高铁全线的控制性工程，隧道全长 ，开挖直径.，管片外径.，内径.，宽度 ，厚.，地质条件和周边环境复杂。隧道周围环境大范围分布厚层软土，盾构隧道全线经过的地层主要为粉质黏土
5、、淤泥或淤泥质土、黏土或有机质土、粉质黏土、细砂、中砂、粗砂等，整体的均匀性较差，层面起伏较大，开挖极易引起地表构筑物变形。盾构隧道长距离下穿湛江主干道乐山路，道路两侧建筑物密常勇：大直径高铁跨海盾构隧道下穿典型建筑物研究分析集，且隧道开挖直径大，施工对周边环境的影响显著。本文选择临近始发井处盾构隧道段建立隧道土层建筑物模型，该隧道区段依次下穿东旺大道、东城西路、柏西路湛江奥体中心停车场区域，地表周边建筑物密集，隧道平面见图。图 隧道平面位置 隧道土体建筑物计算模型.模型概况利用有限元软件 建立模型研究隧道施工阶段对地表土体及建筑物的纵向变形影响。依据实际情况，考虑边际效应的影响，选取模型边界
6、与隧道距离大于五倍盾构外径的尺寸，建立了三维尺寸为 的隧道土体建筑物模型，即隧道开挖方向为 ，模型横向长度为 ，竖向深度为 ，几何模型见图。进行网格划分时对地表建筑物与隧道周边土层适当加密以提高计算的精确度，如图 所示。单元数共计 个，节点数共计 个。图 隧道土体建筑物模型图 隧道土体建筑物模型网格划分.模型参数模型包含 个土层、盾构隧道以及地表建筑物，其中盾构隧道由注浆层、管片层、隧道内开挖区域以及盾壳组成，地表建筑物包含梁、板、柱、桩四个构件。其中土层采用摩尔库伦本构模型，盾构管片、盾壳、浆液和建筑物构件均采用线弹性模型。根据地质勘察报告，该模型区段的地层自上而下设置为素填土、淤泥质土、黏
7、土或有机质土、粉质黏土、粉细砂层、中粗砂层。隧道结构参数见表，建筑物结构参数见表，土层参数取值见表。隧道掘进时载荷取值为：掘进压力取 ，注浆压力取 ，千斤顶压力取 ，并对模型作出如下假定。（）土层水平均匀分布。（）隧道开挖施工过程只考虑刀盘与建筑物的空间距离影响，忽略时间效应的影响。（）模型中所涉及的材料均为各向同性材料。（）将掘进压力、注浆压力、千斤顶压力视作均布荷载。表 隧道结构参数结构类型厚度 模拟类型材料隧道管片.板单元 混凝土隧道盾壳 板单元钢材注浆层.实体单元 混凝土表 建筑物结构参数结构类型截面 模拟类型材料建筑物桩圆形 线单元 混凝土建筑物板厚.板单元 混凝土建筑物梁矩形.线单
8、元 混凝土建筑物柱圆形 线单元 混凝土表 模型地层参数地层密度（）弹性模量 泊松比粘聚力摩擦角（）厚度素填土.淤泥质土.黏土.亚黏土.粉、细砂.中、粗砂.亚黏土.工况模拟分步施工模拟隧道开挖工程，每个施工步单独 年第 期 第 卷隧道施工设置荷载与边界条件，将隧道几何模型划分为 份进行网格划分并进行施工阶段分组实现整个施工阶段模拟，具体计算步骤如下。（）激活所有土层。（）建筑物施作，即激活地表建筑物网格组，进行初始应力分析得到初始应力场，然后进行位移清零。（）钝化开挖面前方土体、注浆区域与掘进压力，激活未开挖区域掘进压力与盾壳。（）模拟同步注浆过程，激活注浆区域网格组，以及注浆压力与千斤顶压力，
9、钝化注浆区域盾壳，注浆过程模拟为改变属性，将注浆层从原来的土层属性改变为浆液属性。（）重复（）（）步骤直至隧道贯通模型。模型动态模拟盾构隧道施工过程除去初始应力场分析等步骤一共 个施工步。计算结果分析.地表土体纵向位移分析施工步 时地表沉降数据见图 和图，此时隧道经过模型土体中心，可以看出盾构隧道施工时地表变形规律：开挖面前方地表土体以隆起变形为主，地表土体在隧道开挖区域正上方隆起达到最小值，并在隧道开挖方向两侧一定距离达到最大值，（）轴测图（）正视图图 开挖面前方地表竖向位移云图（施工步）（）轴测图（）正视图图 开挖面后方地表竖向位移云图（施工步）而后随着与隧道轴线距离的增加而减小。刀盘前方
10、地表区域隆起变形程度较小，这主要是受到隧道开挖引起的土体损失的影响。已开挖区域上方地表主要发生沉降变形，在隧道轴线上方沉降出现最大值，而后随着距离的增加而减小并逐渐趋向于。.地表建筑物纵向位移分析图 图 展示了施工步、施工步、施工步 时地表建筑物产生的竖向位移。其中施工步 时隧道开始掘进，施工步 时隧道掘进至模型中心，施工步 时隧道贯通模型。可以看出，施工过程中地表建筑物以隆起变形为主，施工步 时隧道开始开挖，与建筑物距离较远，此时建筑物轻微隆起。施工步 时隧道开挖至模型中心，与建筑物距离减小，建筑物仍以隆起为主，但在接近隧道开挖区域一侧的测点受到土体损失的影响出现沉降，施工步 时隧道贯通模型
11、，建筑物仍以隆起变形为主，但竖向位移相对于施工步 时减小。图 开挖过程建筑物竖向位移云图（施工步）常勇：大直径高铁跨海盾构隧道下穿典型建筑物研究分析图 开挖过程建筑物竖向位移云图（施工步）图 开挖过程建筑物竖向位移云图（施工步）测点、与盾构隧道开挖轴线距离较远，竖向位移主要表现为隆起，图 为该四个测点所对应的模型节点在隧道施工过程中的竖向位移曲线。施工步 隧道贯通时测点 隆起值为.，测点 隆起值为.，测点 隆 起 值.，测 点 隆 起 值.。需要说明的是，表格中纵轴的竖向位移从 处开始，这是因为在施工阶段中进行了位移清零操作，未考虑刀盘开始掘进前地层扰动的影响。图 测点、竖向位移理论曲线在施工
12、过程中，以隆起为主要现象的变形可分为四个阶段，第一阶段刀盘开始掘进，与建筑物距离较远，测点轻微隆起。第二阶段刀盘接近并从建筑物侧下方穿越，施工影响土体变形使测点快速隆起。第三阶段刀盘远离建筑物，由于开挖引起土体损失导致轻微沉降。第四阶段建筑物与刀盘距离较远，且浆液固结硬化，土体变形趋于稳定，此时建筑物表现为轻微隆起。测点、与盾构隧道开挖轴线距离较近，竖向位移主要表现为沉降。图 为测点、所对应的模型节点在隧道施工过程中的竖向位移变化曲线。可以看出测点首先轻微隆起，这主要因为隧道施工时开挖面前方地表土体发生隆起变形进而造成建筑物的隆起。当刀盘接近并从建筑物侧下方穿越时，隧道上方地表附近土体产生沉降
13、，此时测点、受地表土体影响竖向位移主要表现为沉降；当刀盘远离建筑物，同步注浆区域浆液完成硬化，此时测点竖向位移变化趋于稳定。测点 由于离盾构隧道轴线更近更易受到隧道开挖的影响，因此测点 产生的沉降值比测点 更大。图 测点、竖向位移理论曲线.建筑物轴力分析图 和图 展示了施工步 和施工步 时建筑物的轴力分布情况。可以看出隧道开始开挖直至开挖完成过程中建筑物轴力分布与大小基本不变，说明桩和柱变形量几乎不变，建筑物变形不是由桩柱变形引起。结合前文分析所得的地表土体的纵向变形规律，验证了建筑物竖向位移的主要原因是施工引起的土体变形，符合模型计算结果中所得出的与隧道距离较近的测点出现沉降现象的规律。图
14、开挖过程建筑物轴力云图（施工步）年第 期 第 卷隧道施工图 开挖过程建筑物轴力云图（施工步）现场实测使用高程监测机制定时检测临近既有建筑物在隧道施工过程中的纵向变形数据，总共布设 个测点，其布设点位见图。本模型所构建的地表建筑物的位置是基于测点布设的位置所确定的。图 中左边建筑物设置测点、，右边建筑物设置测点、。图 实际测点布设位置图 测点 竖向位移理论与实际监测值比较将测点、理论计算数据与实际监测数据作出对比分析，从图 与图 可知，最大理论沉降值与隆起值分别为 和.，而最大实测沉降值与隆起值为.和.，存在一定误差。而 测点的最大理论隆起值.，实际最大隆起值.，误差较小；在变化趋势上，测点 的
15、理论与实测数据均表明该处发生隆起变图 测点 竖向位移理论与实际监测值比较形，且隆起值均随着隧道的推进而增大；测点 的理论与实测数据均表明该处发生沉降变形，且沉降值值均随着隧道的推进而增大。理论计算数据在数值与变化趋势上与实测数据基本相符，验证了数值分析结果的可靠度。但理论与实测数据存在一定误差，且实测数据存在波动性，分析得出原因有如下两点：一是模型建立初始应力场时进行了位移清零操作，未考虑施工前的地层扰动，同时现场实测设备存在一定的测量误差；二是因为对模型进行了一定的简化处理，未能完全切合实际施工状况。施工控制措施为保证盾构隧道施工过程符合控制标准与安全要求，避免土体与建筑物沉降过大影响正常施
16、工，依据本文精细化模型分析结果与现场实测数值，针对隧道施工期沉降控制提出以下措施。（）实时监测。依据有限元模型分析结果，施工过程中土体沉降程度较大区域为隧道开挖区域上方土体，为能够实时判断施工过程对周围环境影响程度从而及时采取合理措施，有必要在位移要求高、风险程度高的区域布置位移监测点进行实时监测，并根据监测数值判断是否符合控制标准，保障施工过程安全。（）优化施工参数。依据实时监测数据，结合工程实践经验对盾构施工过程掘进速度、掘进压力、注浆压力等施工参数进行调整，完善施工方式，从而减少开挖过程对周围环境的影响。（）对开挖隧道附近土体进行一定加固。根据隧道开挖过程地质条件，针对软土分布密集区或地质条件较差区域进行注浆加固，避免土体产生过大的变形。（）提高同步注浆质量。同步注浆过程能有效控制土体变形。实际施工中应严格控制注浆过程中的注浆速度、注浆压力与浆液质量，保证同步注浆的质量，及时控制土体损失进而减小土体变形。常勇：大直径高铁跨海盾构隧道下穿典型建筑物研究分析 结 论本文以广湛高铁湛江湾海底盾构隧道为工程背景，运用有限元分析软件建立可反映地表既有建筑物、土层、隧道相互作用的三维精细化模