摘  要：天津市地铁 2 号线沿途需穿越较多重要建筑物，盾构施工对建筑物的沉降必然产生一定的影响，尤其是存在盾构二次穿越的情况，建筑物沉降控制就更为重要。文章针对天津地铁 2 号线某区间的实际地质情况，运用有限元模拟软件建立三维数值模型，分析单线盾构隧道掘进和双线隧道掘进对地表沉降的影响。分析表明，盾构二次穿越对地表的影响比一次穿越增加 28. 45%，施工过程中需要严格控制盾构二次穿越的各项参数并对比实际控制点的沉降数据，验证了有限元模型的可靠性。

关键词：盾构；二次穿越；有限元；沉降

 

      盾构法施工是软土地层隧道施工的主要方法之一，它具有自动化程度高、施工进度快、安全性高、对周边环境影响小的特点，在周边条件复杂的城市地铁建设中得到广泛应用。随着地铁网络的逐步形成，地下铁道几乎要覆盖城市大部分主要干道及商业繁华地段。

      天津地铁某盾构区间下穿很多重要的建筑物，盾构机在穿越这些建筑物时地层极易产生不均匀沉降，严重时甚至会导致地表倾斜，附加应力重新分布，建筑物均匀荷载将变成非均匀荷载，从而引起建筑物结构内力发生变化而引起损坏^[1]。目前针对盾构下穿建筑物的研究方法主要是数值模拟方法，Breth、Chambosse^[2]和 Frischmann 等^[3]分析了隧道在框架结构和砌体结构建筑物下掘进时引起的地面沉降，发现实测的地面沉降槽宽度比不考虑建筑物刚度时的预测结果宽很多；季亚平^[4]采用平面有限元单元“生死”来模拟盾构开挖过程，分析了各项盾构参数对地层位移和衬砌压力分布的影响；陈先国^[5]利用有限元软件对近距离平行隧道施工进行模拟，分析表明后建隧道施工对已建隧道有较大影响。这些主要都是研究单线盾构施工对周边环境的影响，针对双线盾构二次穿越的情况研究较少。

      本文针对天津地铁 2 号线施工的实际情况，运用大型数值模拟软件对盾构二次下穿建筑物进行三维有限元动态仿真，根据实测数据与计算结果的对比，分析了盾构二次穿越的土层变形规律并进一步的探讨了盾构二次穿越对上部建筑物的影响效应。

 

      选取天津地铁 2 号线某盾构区间的一栋双线下穿建筑物作为分析对象。该楼为 2 层砖混结构条形基础，建筑面积 1016 m²，右线下穿，左线下穿，深度平均约16.7 m，见图 1。

      采用大型有限元数值模拟软件 ABAQUS 进行计算，对盾构下穿建筑物建立三维数值模型，见图 2。

      盾构隧道直径为 6.34 m，模型外宽取 5 倍隧道直径宽，数值模型尺寸长×宽×高 =50 m×100 m×50 m，隧道开挖方法为盾构法施工，先开挖模型左侧隧道，再开挖右侧。为简化模型计算时间，将实际中每安装一环管片即向前推进 1.2 m 简化为每安装一环管片向前推进 6 m，每条隧道推进 5 次，共 30 m，隧道两端分别设置10 m 的边界段，以防止模型边界条件对隧道掘进的影响。采用等效荷载法对其进行模拟，每层楼的等效荷载为 14 kPa，建筑物地基采用 shell 单元并通过 tie 使其与土体接触。

      计算模型的各项参数参照该盾构区间的详细勘察报告进行选取，土层参数见表 1。

      管片选用弹性材料，外径为 6.2 m，厚度 0.35 m，实际管片为强度等级 C50 的钢筋混凝土管，弹性模量34.5 GPa。有限元模型中，考虑到衬砌接头对衬砌结构刚度的影响，弹性模量取 28.5 GPa，泊松比 0.2。管片外表面至隧道外径处为泥浆层，泥浆层选用弹塑性材料，弹性模量取 30 MPa，泊松比 0.13，粘聚力 0.3 MPa，摩擦角为 18°。管片、泥浆层及土体均为 C3D8R 单元。

      本区间地下水位较高，隧道洞室完全在水位以下，对地下水采用水土合算处理，地下水以下土体重度采用浮重度计算。

 

       模型计算第一步为地应力平衡，即建立土体的初始应力状态，在该分析步中管片单元、泥浆层单元的材料参数与相应土层土体一致，土体的初始应力状态呈线性分布形式，故符合土体自重应力规律。

      盾构施工顺序为先左线后右线，见图 3。由图 3 可以看出，左侧隧道贯通后位移最大点位于隧道顶部，越往上位移越小，隧道底部部分土体有向上的位移。这是由于隧道内土体挖除后，底部土体产生回弹，顶起管片，由于管片的模拟采用近似弹模，不能直接反映管片的连接接缝，所以导致隧道底部出现竖直向上的整体位移。盾构掘进至建筑物下方时，沉降值明显增加，这是由于建筑物下方土体有附加应力作用下，其沉降必然增大。

      图 4 为左线隧道贯通后的土层应力，应力最大值处位于隧道腰部，隧道拱顶出现一部分较小的应力区，该应力区是由于隧道拱形结构特点所致，隧道在开挖后，拱形结构自身能抵抗一定的压力载荷，从而使得其上部土体应力减小，产生土拱效应。

      盾构隧道二次下穿建筑物是在隧道左线完全贯通之后立刻进行右线隧道盾构推进，左右线隧道盾构所产生的土层位移在两隧道中轴线上方重叠，右线隧道的盾构施工必然引起地表沉降增大，继而导致建筑物沉降增大，导致这一现象的原因是双线隧道间距较小，隧道间相互影响作用。

      分别对单线隧道贯通和双线隧道贯通的左线隧道轴线沉降槽进行分析，见图 5。由图 5 可以看出，左侧隧道开挖引起的沉降最大值为 4.85 mm，双隧道开挖完后的最大沉降为 6.23 mm。由此可知，右侧隧道开挖对左侧隧道地表沉降值有一定的影响，占左侧隧道开挖最大沉降的 28.45%，在施工过程中应重视第二条隧道开挖引起的附加沉降值。

      建筑物地基表面沉降是考察盾构施工对建筑物影响的重要依据，双线盾构施工各个施工阶段的地基沉降应重点关注，见图 6。

      盾构施工过程为先左后右，即 1^#、2^#、3^#、4^#、5^#、6^#依次施工。盾构施工至 6 个不同点位时，地基轴线（X 轴）的沉降都有一定的增大且沉降最大值随着施工进行逐渐向右移动，这说明盾构穿越至右线（4^#、5^#、6^#）时，建筑物地基沉降不仅增大，其最大值位置也会朝新开挖隧道方向移动。

 

      主要通过沉降监测来控制盾构施工对地表建筑物的影响，针对建筑物的重要等级设置不同的沉降控制标准，以此来实现建筑物的分级保护^[6～8]。建筑物的沉降监测主要是通过对控制点的监测来完成，见图 7。

      经过对监测数据的整理和分析，选用控制点中的1^#、2^#、3^#、4^#点位进行对比分析，见图 8。图 8 中开挖面距离为各控制点位与盾构机开挖面的水平距离。

      由图 8 可以看出，除了 4^#点位 40 m 左右的沉降较实测值大一些之外，4 个点位的计算沉降量均比实测值小。产生这一现象的原因可能是，计算时的隧道掘进为一次前进 5 环管片，而实际情况为一次掘进一环管片，继而产生较多的中间接缝，随之产生的不均匀沉降势必更多。

      图 8 中开挖面距离 10 m 处都有一个较大的沉降，这是因为隧道掘进第一 10 m 段为边界段，其作用是防止模型边界条件对隧道掘进产生影响，所以，第一 10 m段前由于边界条件其沉降较小，隧道掘进进入第二段后必然产生较大的沉降差。

       图 8 中 4 个点位的最大沉降量计算值与实测值相差不大，1^#点位最大沉降量计算值为 2.57 mm，实测值为 2.4 mm；2^#点位最大沉降量计算值为 6.05 mm，实测值为 5.8 mm；3^#点位最大沉降量计算值为 11.5 mm，实测值为 11.1 mm；4^#点位最大沉降量计算值为 4.6 mm，实测值为 7.2 mm。所以，模型计算结果与实测结果较符合。

 

      1）天津地铁 2 号线盾构二次穿越施工对建筑结构稳定性存在一定影响，隧道穿越时由于土拱效应，隧道拱顶部分土体应力有减小趋势。

      2）盾构二次穿越对地表沉降的影响较单次穿越增加 28.45%，施工中应注意二次穿越引起的附加沉降。

      3）为减小盾构二次穿越对地表建筑物的影响，可适当增大两隧道的相对间距，以减小隧道位移的重叠效应。

      由于本文为方便计算，对盾构施工模拟的分析步距采用一次推进 5 环管片的方法，与实际情况的一次一环存在差距，计算结果有一定的偏差。依靠刚度折减法来近似模拟管片的螺栓拼接，折减系数为一经验值，对于管片的拼接模拟仍需要进一步深入。