双线平行盾构隧道侧穿邻近框架建筑物影响的研究

魏纲，余浩强，陈春来，丁智

（浙江大学城市学院土木工程系，杭州310015）

摘要：实际工程中双线平行盾构隧道大多沿建筑物侧面穿过。在双线盾构施工过程中势必会对地层

产生扰动，对临近建筑物造成不利影响。考虑建筑物-土体-隧道的共同作用，采用MIDAS/GTS软件建立三维有限元模型，模拟双线平行盾构侧面穿越短桩基础框架结构建筑物的工况。研究结果表明：双线隧道中靠近建筑物一侧的盾构隧道后掘进，对建筑物的影响更大；随着隧道开挖面的穿越，建筑物横向沉降逐渐增大，纵向不均匀沉降先增大后减小，建筑物逐渐朝向隧道一侧整体倾斜；建筑物最大第一主应力P1先增大，完全穿越后逐渐减小并趋于稳定。关键词：双线盾构隧道；建筑物；短桩基础；有限单元法中图分类号：TU47

文献标识码：A

文章编号：1001-7119（2017）02-0167-06

DOI:10.13774/j.cnki.kjtb.2017.02.038

StudyonEffectofDouble-lineParallelShieldTunnelingSide-crossingonAdjacentFrameStructures

WeiGang，YuHaoqiang，ChenChunlai，DingZhi

（DepartmentofCivilEngineering，ZhejiangUniversityCityCollege，Hangzhou310015，China）Abstract：Double-lineparallelshieldtunnelsmostlypassthroughonstructuresinthepracticalengineering.Itwilldisturbthestratumanddoharmtoadjacentbuildings.Consideringtheinteractionofbuilding-soil-tunnel,theshort-pileframebuildingwhichside-crossedbydouble-lineparallelshieldtunnelingissimulatedby3DMIDAS/GTSsoftware.Theresultsshowthattheshieldtunnelnearbythebuildingpassedlaterwilldomoreimpactonit.Withtheexcavationofthetunnelthroughthebuilding,thetransversesettlementofthebuildingincreasedandthelongitudinalunevensettlementincreasesfirstandthendecreasesgradually.Therefore,thebuildingtendedtowardstotunnelside.Themaximumfirstaftertotallytunneled.principalstressP1alsoincreasedfirstbutitdecreasedgraduallyandapproachedtotheirinitialvalueKeywords：double-lineshieldtunnel；structure；shortpilefoundation；finiteelementmethod目前，中国城市地铁隧道修建多采用盾构法

和浅埋暗挖法，其中盾构法尤为普遍。盾构施工

2]4]

又可分为单线盾构[1，、双圆盾构[3，和双线盾构[5]等，目前双线盾构是主流形式。在盾构隧道施工过程中，周围岩土体不可避免会受到扰动，造成地表建筑物的沉降或开裂，影响其安全性和使用

性。

为有效预防和减缓隧道施工对建筑物的不

利影响，应在盾构隧道穿越时对建筑物的位移和应力等变化进行分析，确保施工安全。目前，针对地下隧道施工对临近建筑物影响的研究方法

7]9]5,10-14]

主要有：解析法[6，、实测法[8，、有限单元法[1，

收稿日期：2016-03-12基金项目：住房和城乡建设部2015年科学技术项目计划（编号：2015-K5-026）；国家自然科学基金资助项目（51508506）。作者简介：魏纲（1977-），男，博士，教授，硕导，研究方向为地下隧道施工对周边环境影响及风险评估与控制。E-mail：weig@zucc.edu.cn。168科技等，其中有限单元法的应用较多。实际工程中双线平行盾构隧道大多沿建筑物侧面穿过[14-16]，但现有研究中大多假定地铁隧道从其正下方穿越[1,5,10-13]，这与实际工况不符，存在一定的局限性。

本文针对双线平行盾构侧穿临近建筑物的工况，采用MIDAS/GTS软件，建立三维有限元模型，对建筑物的位移和应力等进行了分析，并对建筑物的安全性进行了评价。

1三维有限元模拟

1.1

模型建立及参数取值

双线水平平行盾构隧道轴线埋深15m，双线隧道轴线水平间距为11m，盾壳长6m。隧道管片外直径C506.2m，内直径5.5m，每环宽1.2m，采用结构，混凝土浇筑。地表建筑物为钢筋混凝土框架其结构形式源于某实际居民楼，地上4层，每层高3.2m（包括楼板厚度），采用C30混凝土浇筑。柱子尺寸0.4m×0.4m，梁的尺寸为0.25m宽）×0.4m（高），楼板厚度为0.1m。基础采用短桩形式，1.5桩承台，m（高采用）C35混凝土浇筑，单桩承台尺寸为其尺寸为×1.2m（宽1.5）×1.2m（高）m（长×1.2），其中有两个双m（宽）×2.6m长）；短桩桩长为8m，桩径为0.5m。建模时，不考虑填充墙对框架结构侧向刚度的作用，把填充墙折算成荷载10kN/m2，施加在相应的梁上。1~3层楼板面活荷载为5kN/m2，顶层不考虑活动荷载，取0.5kN/m2[13]；盾构掘进推力取168kPa，同步注浆力取42kPa，盾壳摩擦力取56kPa。

假定土体为均质，本构模型采用莫尔-库伦模型。衬砌、框架和基础均为线弹性模型。衬砌采用板单元，框架、基础和土体均采用实体单元。模型计算参数取值见表1。

整个模型尺寸：横向为74m、纵向为80m、竖向为40m。模型布置见图1~3，隧道开挖面最先到达基础时，令开挖距离y为0；未到达前为负，穿越后为正。隧道与临近建筑物基础边缘净距离为x，在本文中x=0m。命名靠近建筑物侧隧道为右线隧道，远离建筑物侧隧道为左线隧道。垂直隧道的方向为横向，平行隧道的方向为纵向。模型网格划分见图4。

1.2双线平行盾构隧道施工模拟

本文假定：（1）忽略地下水的渗透作用，土体通报

第33卷

表1材料的物理力学参数取值

Table1Physical-mechanicalparametersofmaterials构件重度/弹性模量/(kN·m-3泊松比粘聚力/内摩kPa擦角/°粘土18.5)MPa框架253000020

0.3512

20

基础25315000.20衬砌

25345000.200.17图1建筑物模型布置俯视图(单位：m)

Fig.1Chartofstructureplanformonmodellayout(unit:m)

图2模型纵断面布置图(单位：m)

Fig.2Chartofverticalsectiononmodellayout(unit:m)

图3模型横断面布置图(单位：m)

Fig.3Chartofcrosssectiononmodellayout(unit:m)

本身变形与时间无关；（2）框架与基础，基础与土

体采用变形协调计算方法；（3）隧道开挖前地表沉降为零，即不考虑建造建筑物引起的地表沉降；（4）双线隧道的施工参数取值相同。

模拟步骤：（1）激活所有土体，施加自重荷载和边界支撑，位移清零；（2）修改建筑物基础属

（（第2期

魏纲等.双线平行盾构隧道侧穿邻近框架建筑物影响的研究169

（a）

（b）

图4网格划分图性，激活框架，施加建筑物荷载，Fig.4Chartofmeshmap

位移清零；（3）钝化先行隧道挖土，同时施加盾构正面推力；（4）生成先行隧道的衬砌，同时施加盾壳摩擦力和同步注浆力；（5）钝化后行隧道挖土，同时施加盾构正面推力；（6）生成后行隧道的衬砌，同时施加盾壳摩擦力和同步注浆力。

2有限元模拟结果分析

2.1

左右线隧道掘进顺序的影响根据实际工况，取两种施工工序进行模拟分析与比较。工况1：右线隧道已先行掘进穿越整个土体模型，管片已拼装完毕，然后模拟左线隧道后行掘进对建筑物的影响。工况2：左线隧道已先行掘进穿越整个土体模型，管片已拼装完毕，然后模拟右线隧道后行掘进对建筑物的影响。模拟结果见图5和图6，图中数据为距离4楼楼板外边缘(隧道最先穿越侧)3.5m处的楼板横向沉降曲线，0m处为靠近隧道一侧。

如图5所示，工况1中：（1）当y=-6m时，由于此时右线隧道已掘进且离建筑物较近，建筑物产生朝向隧道一侧的明显倾斜，沉降曲线近似线性分布，mm物的沉降逐渐增大。由于左线隧道离建筑物较；（2最大沉降为）随着左线隧道的掘进-7.23mm，（首尾沉降差为即y值增大），建筑8.03远，所以沉降增长速率比较平缓，但首尾沉降差随掘进的过程愈加明显；（3）隧道穿越建筑物后当y=64.8m时，建筑物最大沉降为-11.6mm，首尾沉降差为12.3mm，较y=-6m时，最大沉降增长了60%，首尾沉降差增长了53%。由于右线隧道建造好后阻挡了左线隧道施工引起的土体移动，起到遮拦效应，保护了建筑物，导致建筑物沉降

较小。

图5建筑物的横向沉降曲线(工况1)Fig.5Transversesettlementofbuilding(Condition1)

图6建筑物的横向沉降曲线(工况2)Fig.6如图Transverse6所示，工况settlement2中：of（building1）当y(Condition=-6m时，2)

虽然

左线隧道已掘进但其距离建筑物较远，对建筑物影响较小，所以建筑物的沉降接近0mm。在隧道开挖面未达到建筑物时（y<3.6m），建筑物的沉降变化缓慢。当mm建筑物的区间过程中，首尾沉降差为y=3.63.6m时，框架最大沉降为-4.6（3.6mm；m<（2y）≤33.4在右线隧道穿越m），建筑物沉降急剧增大。当y=33.4m时，建筑物的最大沉降为-19.0mm，首尾沉降差为16.6mm；（3）当右线隧道穿越建筑物以后（33.4m与工况1相比较，工况2的建筑物横向沉降变化较大。在工况2中当y=64.8m时，建筑物最大沉降量是工况1的1.9倍。表明双线隧道中靠近建筑物一侧的盾构隧道后掘进，对建筑物的影响更大。

因此，下面本文仅针对工况2作进一步研究，

170科技对建筑物的纵向沉降、倾斜和应力等进行分析。2.22.2.1工况2模拟结果分析图建筑物纵向沉降分析

7为工况2中距离4楼楼板外边缘（靠近隧道侧）3.5m处的纵向沉降曲线图。如图所示：（1）在右线盾构（后行）开挖面未到达建筑物时，建筑物沉降较小；（2）随着盾构开挖面的穿越（y值变大），靠近隧道侧的建筑物先产生沉降，远离侧沉降较小，使建筑物产生纵向不均匀沉降；（3）建筑物纵向的首尾沉降差先增大、后减小，在隧道穿越建筑物的过程中出现短暂性的纵向倾斜。当y=26.4m时，最大首尾沉降差为12.6mm；（4）当隧道开挖面远离建筑物时，纵向曲线趋向水平状态。当y=64.8m时，建筑物沉降已稳定，最终最大沉降值为17.3mm。图7建筑物的纵向沉降曲线(工况2)

2.2.2Fig.7Longitudinalsettlementofthebuilding(Condition2)图建筑物倾斜分析

8为A、B、C、D这4个点随盾构隧道掘进的沉降曲线图，图中A、B、C、D为4楼楼板的4个角点，具体位置见图2。

图8隧道开挖过程中A、B、C、D点的沉降曲线(工况2)Fig.8LongitudinalsettlementofdotA、如图process8所示：of（tunnel1）当excavationy=-6m(ConditionB、C、Dduringthe

时，由于2)

A、D两点靠近隧道一侧，沉降均在-7mm左右。B、C两点远离隧道侧，均隆起1mm，此时纵向两点沉降接近；（2）随着盾构隧道的开挖面穿越建筑物前后，建筑物的沉降变化明显，建筑物整体向隧道一侧

通报第33卷

倾斜。DA点和D点的沉降逐渐增大，A点先沉降，变，点沉降量向B点先沉后隆。纵向同一直线上的两点沉降A点接近。C点的位移量几乎不差均先增加、后减小；（3）当y=64.8m时，建筑物的横向沉降差为12.5mm，此时建筑物的横向倾斜率为0.4‰<2‰，根据上海地铁盾构施工监控设计及要点[17]，建筑物未出现裂缝，符合安全要求。

2.2.3图建筑物应力分析

9为建筑物的最大第一主应力P1图。如图所示：（1）当-6m图9隧道开挖过程PFig.9CurvesofP1变化曲线(工况2)

1duringtheprocessoftunnelexcavation

2.2.4(Condition2)

图地表沉降分析

10为随着右线盾构穿越前后y=-1m处的地表横向沉降曲线。如图所示：（1）当地表附近存在建筑物时，右线隧道穿越前当y=-6m时，由于左线隧道已穿越，故最大沉降值偏向左线隧道侧，最大沉降量为-9.95mm。随着y值增大，地表沉降迅速增大。当y=64.8m时地表最大沉降量为-23.8mm，为穿越前y=-6m的两倍多；（2）当地表附近不存在建筑物时，地表沉降曲线呈正态分布，地表最大沉降为23.2mm，与存在建筑物的情况接近；（3）当y=64.8m时，将有无考虑建筑物的地表沉降曲线进行比较，可以发现建筑物附近的地表沉降接近线性增长，斜率相对较小，远离建筑物的地表沉降变化缓慢，影响范围比无建筑物存在的情况要大。

3建筑物的安全性判断

第2期

魏纲等.双线平行盾构隧道侧穿邻近框架建筑物影响的研究171

图10地表沉降曲线(工况2)

以上模拟结果均假定隧道开挖前地表沉降Fig.10Settlementsofthesurface(Condition2)

为零，即不考虑建造建筑物引起的地表沉降，这种工况是用于研究隧道施工对建筑物产生的附加位移与应力，并非建筑物的真实位移与应力，因此无法评估建筑物的安全性。为增加建筑物安全性判断的可靠性，本节在模拟时考虑隧道施工前建筑物自重引起的沉降（即位移不清零），对工况2进行模拟。3.1建筑物基础变形

根据《建筑地基基础设计规范》[18]

，当土的弹性模量为20MPa时，为中低压缩土，建筑物框架结构的沉降差允许值为0.002L0，L0之间的距离。

为两柱基中心由于本文模型的相邻柱间距不一致，导致沉降差允许值也不一致。读取相邻柱间沉降差Δ，令i=Δ/L0断标准。读取每个模型的最大≤2‰作为建筑物基础变形的安全性判i值，结果见图11。

图11隧道开挖过程中i变化曲线(工况2)Fig.11Curvesofiduringtheprocess图11为i随隧道掘进距离的变化曲线。如图

(Condition2)

oftunnelexcavation

所示，当y<0m时，i<0.5‰；当3.6m全。研究结果表明：在隧道开挖过程中，i增大主

要发生在隧道掌子面开挖至建筑物3时，之后，1/3之前和2/受建筑物结构自身刚度的影响，在掌子面位于建筑物的1/3~2/3i反而有所下的位置降。

3.2框架结构应力

图12为模拟时是否考虑建筑物自重位移的结构最大第一主应力P1考虑建筑物自重位移(即位移清零变化曲线对比图，)的P1图中未图9中进行过分析。

变化已在如图12所示，是否考虑建筑物自重位移对P1

计算结果的影响非常大。在考虑建筑物自重位移时，3.7MPa当左右；y<26.4当隧道即将穿越完建筑物时，m时，P1几乎没有变化，稳定在P1速增加，最大值为8.5MPa；在y=40.8m时，P1迅速减小。在《混凝土结构设计规范》[19]

中查得又迅

C30混凝土轴心抗拉强度标准值为ftk=2.01MPa。在整个过程中框架最大P1值是ftk的4倍，表明建筑物可能出现裂缝。

研究结果表明：（1）（2）在对建筑物进行安全性判断时，而建筑物自身荷载对隧道施工引起的建筑物附加P1值并不是很大，P1影响较大；的必须考虑建筑物的实际状态，即建筑物自重引起的位移不能清零。

图12隧道开挖过程PFig.12CurvesofP1变化曲线

1duringtheprocessoftunnelexcavation

4结论

建筑物的影响不同，1）双线平行盾构隧道不同掘进顺序对临近双线隧道中靠近建筑物一侧的盾构隧道后行掘进，降逐渐增大，2）在工况后趋向于稳定，2中，随着对建筑物的危害更大。

y增大，建筑物产生向隧道建筑物的横向沉一侧的整体倾斜；纵向沉降逐渐增大，首尾沉降差先增大、后减小；建筑物的最大主应力先增大、

172科技通

[7]

报第33卷

后减小，隧道快穿越完建筑物时达到最大；后行隧道穿越后地表最大沉降值约为穿越前的2倍。

3）地表附近有无建筑物存在，其沉降曲线相类似，只是在有建筑物工况下建筑物附近范围内的地表沉降呈线性关系，且影响范围较大。

4）建筑物i变化主要发生隧道穿越建筑物的过程中，受建筑物自身刚度的影响，i值的增加会受约束。考虑建筑物自重位移时，P1最大值远大于ftk和未考虑时的模拟结果。表明在对建筑物进行安全性判断时，必须考虑建筑物实际状态，即建筑物自重引起的位移不能清零。参考文献：

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