摘  要: 以天津地铁 2 号线隧道盾构施工为背景，取沿盾构轴线右侧一 6 层框架居民楼为研究对象，基于 ABAQUS 软件，建立了隧道和邻近建筑物及其桩基的计算模型，分析盾构施工对邻近建筑物及其桩基础变形的影响。结果表明，隧道盾构施工导致地表沉降，引起框架结构及其桩基变形，框架整体向隧道盾构一侧倾斜。其中框架梁靠近中柱一端沉降较大，而框架中柱及其桩基也较两侧边柱及其桩基的沉降大。同时表明，盾构施工对邻近建筑物及地下桩基变形产生的影响是整体相关的，在隧道盾构施工时应引起相关设计与施工部门的注意。

关键词：隧道盾构；邻近建筑物；桩基础；数值分析；变形

 

      隧道盾构施工已成为城市修建地铁的必要手段，然而，在有限的城市空间中，隧道往往不可避免地会与已有的建筑物相邻近，它们之间有着复杂的相互作用关系。盾构施工不可避免地会对周围地层产生扰动，使周围孔隙水压变化、地层原始应力重新分布、原有的土体平衡状态遭到破坏，这导致地表发生沉降变形，引起地上或地下邻近建筑物、构筑物的开裂、甚至破坏等问题^[1]。

      从目前相关资料来看，盾构施工研究多侧重于对地面沉降量及影响范围的预测^[2-4]，或盾构对地下构筑物或管线的影响^[5-10]，而盾构对沿线上部建筑及其下部结构整体影响研究及盾构对建筑物整体(包括土、基础和地上结构)引起的结构变形规律研究较少。

      本文以天津地铁 2 号线某区间段隧道盾构施工为背景，利用 ABAQUS 软件建模，进行数值计算，分析隧道盾构施工引起的邻近建筑物及地下桩基的变形规律，为研究盾构施工引起邻近建筑物及地下桩基整体变形提供了参考。

 

      所采用隧道盾构区间段沿盾构轴线一侧下穿市区 6~8 层建筑物，结构形式以框架结构为主。

      该区段隧道盾构中心距地表 16 m，盾构直径为6.2 m，盾构管片设计采用净空Φ5 500 mm，管片厚度 350 mm，环宽 1.2 m。

      建筑物位于隧道右侧，为 6 层框架结构居民楼，层高为 3.3 m，开间宽 6 m，梁截面尺寸为 600 mm×300 mm，柱截面尺寸为 500 mm×500 mm，地下为桩基础，桩径为 500 mm，桩长 13 m。桩基离隧道右边缘最近距离为 4 m，最远距离为 20 m(图 1，轴线从左至右为 A—D 轴)。

      由于隧道盾构区间较长，取盾构轴线上三个盾构横截面(R210、R211、R212)的地表沉降监测值作统计分析。R212 断面涉及建筑物，其余纵向监测每隔两环布置一点。横向断面监测以轴线为中心，左右对称布置，每隔 10 m 布置一点，每侧布置 3 个测点，具体隧道监测点布置见图 2。

      关于隧道盾构开挖引起的地表沉降，一般常用Peck 公式^[11]经验法估算。该法主要是根据隧道盾构开挖后地表沉降槽的形状用一定的曲线表示。图 3为实测各断面的地表沉降曲线，可以看出隧道盾构施工产生的地表沉降横向分布呈近似正态分布曲线，隧道轴线部位沉降最大，建筑物也在沉降影响较大范围内，这与经验法结果一致。

      隧道沿纵向可以看作无限长，分析时作平面应变问题处理，模型简化为二维模型。其中土体、衬砌、桩基础采用平面壳单元模拟，框架采用梁单元模拟。隧道的衬砌、地表建筑和桩基础都是钢筋混凝土材料。其中隧道衬砌及桩基础与周围土体均设有摩擦接触。本文建模时采用在衬砌施工前，将开挖区单元的模量降低，依次来模拟应力释放效应。计算区域各层土体及混凝土的参数见表 1、表 2。

      采用 ABAQUS 中单元生死操作模拟盾构土体开挖，利用模量衰减方法来模拟应力的部分释放现象。在平衡地应力后，加入以下几个分析步：reduce分析步，在此步中开挖区模量衰减 40%；add 分析步，此步中激活衬砌单元；remove 分析步，此步中移除隧道开挖单元。此外，还需定义场变量 FieldVariable 相关的弹性模量参数。模型网格划分采用手动划分方式，划分结果见图 4、图 5。

      由图 6 所示地表沉降计算曲线可见，地表在建筑物中柱附近产生了最大沉降，最大沉降值为 20 mm。这说明建筑物的存在对地表沉降有一定影响。隧道盾构引起的地表沉降趋势仍然符合 Peck 公式所计算结果，曲线在地表横向分布呈近似正态分布曲线，以建筑物中线为轴对称分布。远离盾构开挖，地表沉降值越小，且与前述实测 R212 横断面的地表沉降值一致。这一结果表明，根据本文所取的模型及参数的数值模拟结果与实测数据及经验公式计算值有很好的一致性。

      图 7、图 8 分别为左、右侧各层梁的竖直位移曲线。可见，左侧梁的竖直位移从左至右逐渐增加，而右侧梁的竖直位移从左至右逐渐减少。两侧梁的竖直沉降曲线近似对称于框架中线，这与隧道盾构引起的地表沉降曲线基本一致。可见框架中柱的沉降大于两侧边柱的沉降，框架的沉降趋势与地表的沉降趋势也基本一致。框架梁的沉降值由下至上逐渐递增，最大沉降值达 22 mm。

      图 9—图 11 分别为 A—D 轴各层柱的水平位移曲线，结合图 1 可得知，从 A 柱到 D 柱越来越远离隧道中心。

      a. A 轴柱的水平位移最大为 19.23 mm，B 轴柱为 18.05 mm，D 轴柱为 17.60 mm，可见框架柱的水平位移与距盾构距离相关，距离盾构开挖中心轴线越远，水平位移越小。

      b. 首层 A 柱的水平位移从下至上递减，而首层D 柱的水平位移从下至上递增，其余柱的水平位移沿柱身从下至上均呈递增趋势，且位移均朝向盾构一侧，框架整体向盾构开挖一侧倾斜。分析认为这是由于盾构施工使隧道周边的地层压力(即地表建筑左侧)损失，从而引起地表建筑左侧的压力减小，使其产生逆时针方向的倾斜。

      c. 各轴柱的水平位移由下至上递增，可见盾构开挖时，框架顶层的变形增大明显，因而在盾构施工时，对建筑顶层需进行严格的监控。

      图 12 为地下桩基的水平位移曲线，图 13 为桩基础变形云图。分析可见，地下桩基的水平位移与框架柱类似，远离盾构开挖中心线的桩基水平位移越小，且桩基的水平位移沿埋深呈递增趋势，但 A轴桩与 C 轴桩在埋深 10 m 后水平位移下降。从桩基变形云图可看出地层损失使得邻近桩基中靠近隧道的一端压力减小，从而产生向左的水平位移。经计算A 桩的最大竖直位移为 18.79 mm，B 桩为 21.17 mm，C 桩为 21.31 mm，D 桩为 19.63 mm，可见中部桩基的沉降大于两边的桩基，这与盾构开挖引起的地层沉降变形一致。因此，在隧道盾构施工过程中需对建筑物中柱及中部桩基进行严格的监测，以避免建筑物及其桩基发生过度沉降。

      a. 隧道盾构开挖引起的地表沉降经数值模拟计算，其计算结果与实测值及 Peck 经验公式计算预测的地表沉降曲线趋势一致，均为正态分布曲线，且在建筑物的中部地表沉降值最大。

      b. 地表建筑物的框架梁的变形趋势与地表沉降一致，左右侧梁靠近中柱一端的竖直位移最大，距隧道中心线越远，梁的竖直位移越小，且上层梁比下层梁竖直位移大。

      c. 整体来看地表框架柱的变形，中柱的沉降大于边柱，柱水平位移距隧道中心线越近，变形越大，且水平位移均朝向盾构一侧，使建筑产生向隧道一侧的倾斜；上层框架柱的水平位移大于下层，框架建筑物上层变形较大。

      d. 远离隧道盾构中心线的建筑桩基水平位移越小，且水平位移沿埋深呈递增趋势。桩基产生向隧道一侧的水平位移。中部桩基的沉降大于两边的桩基，与盾构开挖引起的地表及框架柱沉降变形基本一致。

 

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